基于互联网的船舶机桨匹配远程计算平台

杨 琨，舒佳成，胡 彪

(武汉理工大学 a.能源与动力工程学院; b.国家水运安全工程技术研究中心，武汉 430063)

基于互联网的船舶机桨匹配远程计算平台

杨 琨a，b，舒佳成a，胡 彪a

(武汉理工大学 a.能源与动力工程学院; b.国家水运安全工程技术研究中心，武汉 430063)

为满足远程船舶机桨匹配设计的需求，结合MATLAB和C#平台进行混合编程，运用Easyui进行用户交互界面设计，介绍一套基于互联网的B/S架构船舶机桨匹配远程计算平台。在该平台上通过船舶机桨匹配中的初级匹配、终结匹配和空泡校核等3个实例进行平台测试。测试结果表明，该平台操作简单、计算速度快、结果准确，能很好地实现远程机桨匹配计算，可为未来船舶动力系统工况在线监测及“互联网+”环境下的机桨动态匹配提供工程基础。

船舶工程；机桨匹配；互联网；远程计算；MATLAB；C#

船舶机桨匹配是船舶设计中的一个重要环节，通常在完成船舶型线设计并确定有效功率之后进行。机桨匹配是指螺旋桨的设计负荷点和主机的最大持续输出点均能在所允许运行的工作区域内选取一个机桨合理配合的设计工况点。不同机型的工作区域划分是有差别的。目前绝大多数船舶的机桨匹配设计采用的是图谱设计法，如经过长期实践检验和改进的B系列及MAU系列图谱等。然而，图谱设计法会涉及到大量的图表和复杂的计算公式，导致计算工作量大，且取值和计算过程中产生的人为误差会影响计算结果的准确性。针对该问题，一些研究机构将计算机技术引入到机桨匹配设计中，实现船舶机桨匹配的快速、准确计算。

目前，相关学者广泛采用MATLAB编写船舶机桨匹配软件，以此进行匹配计算。文献[1]针对中小型电动船舶设计基于MATLAB/Guide的船舶机桨匹配软件。文献[2]根据导管图谱设计理论，基于MATLAB研究拖网渔船的机桨匹配设计软件。文献[3]创建船舶、主柴油机和螺旋桨等3大数据库，基于螺旋桨图谱设计方法，利用MATLAB开发能覆盖船舶机桨匹配设计问题的全过程的船舶机桨匹配设计软件，并给出船舶机桨匹配设计的总流程和一些计算步骤的程序框图。文献[4]在分析拖网渔船的阻力特性、主机特性、双速比减速齿轮箱推进特性和导管桨推进特性的基础上，总结拖网渔船机桨匹配图谱设计方法的计算流程，运用MATLAB编写拖网渔船机桨匹配软件。虽然这些软件均能快速实现船舶机桨匹配计算，但均为单机版软件，不具备远程设计能力，当设计人员需异地进行匹配设计时，这些软件不能满足需求，因此设计一套基于远程的匹配计算平台尤为重要。

为满足基于远程的机桨匹配需求，弥补现有软件的不足，从平台的实用性和易用性出发，根据网页具有用户图形设计简单和MATLAB计算能力强大的特点，设计并实现一种基于网络的船舶机桨匹配远程计算平台。

1 机桨匹配流程

船舶机桨匹配分为初级匹配设计和终结匹配设计,其中初级匹配设计根据给定参数的不同分为2种情况(第1种给定船速、有效功率和螺旋桨直径；第2种给定船速、有效功率和转速)。[5]在实际情形中，第1种情况更加普遍，这里针对B型桨以第1种情况为例进行研究。

初级匹配是指在一定转速范围内，在机桨功率相等或近似相等的情况下求得不同转速下的桨参数，则效率最大时的桨与所对应的主机即为所求。终结匹配在初级匹配选定主机后进行，根据主机的功率和转速、传动设备和轴系传送效率ηs，计算得到桨收到的功率Pd，桨的效率ηo及船身效率ηh等。根据这些参数，计算出船舶能达到的航速、螺旋桨的直径、螺距比和螺旋桨效率等。为避免出现空泡现象，在终结匹配设计完成后还需对螺旋桨进行空泡校核。以上设计的具体匹配流程见图1。

2 平台结构设计

考虑到船舶机桨匹配设计作业需求、协同作业性及结果的可视化等方面的因素，确定平台实现以下功能，根据这些功能确定的平台结构见图2。

1) 根据登录的不同用户，建立用户私人文件夹，用户可上传、下载和删除匹配时用到的文件。

2) 初级匹配、终结匹配和空泡校核等3个功能模块分开，独立作业，3个模块输入的数据和计算结果可在服务器端保存，以便后续使用。

3) 用户的计算结果以多种方式保存下来，匹配计算的每一步结果都可通过Word，Excel及PDF等格式直接输出。

4) 匹配计算原理和平台操作帮助文档查看。

3 关键技术

3.1MATLAB与C#混合编程

MATLAB不仅在算法开发、数据可视化、数据分析和数值计算等数学领域中有着广泛应用，而且在自动控制、系统仿真、数字信号处理和图像分析等方面发挥着重要作用。这主要是由于其内置有很多函数和工具包，可帮助编程人员节省时间、提高编程效率。然而，MATLAB也有一定的不足，例如.m文件只能在安装有MATLAB的计算机上打开，且用户的图形界面设计不够灵活。

a)初级匹配流程b)终结匹配流程c)空泡校核流程

图1 机桨匹配流程

.NET是一个高效的集成可视化的编程平台，而C#是一种简单、面向对象、类型安全、高效的基于.NET平台的编程语言，在其编写的程序生成EXE文件后，运行于.NET平台上有较高的执行速度。但是，C#在图像生成和计算方面的编程比MATLAB复杂得多。

该平台需进行图形、公式计算，并提供给用户一个可视化的操作界面，因此将MATLAB与C#相结合进行混合编程能满足该要求。在机桨匹配计算平台中，根据图1编写匹配计算的.m文件，其中.m文件输出为二进制的图像数据。通过MATLAB中的deployeetool工具将.m文件转换为DLL文件，供C#调用。在C#调用MATLAB生成的DLL文件之前，需添加对MWArray.dll的引用，从而将调用的数据类型转换为MATLAB能识别的数据类型。C#和MATLAB混合编程开发的应用在部署时，需安装MCR(MATLAB Compilier Runtime)，其版本根据开发时所用的MATLAB的版本信息确定。[6-8]

图2 船舶机桨匹配计算平台结构

3.2基于Easyui的交互设计

在采用B/S结构时，会涉及到与用户进行交互的前端网页，而前端网页的编写一般需要专业美工。若没有专业美工而又希望所编写的应用尽量美观且具有良好的兼容性，Easyui可满足其要求。Easyui是基于jQuery的用户界面插件的集合，提供必要的功能以支持现代化、交互和javascript应用。Easyui能使开发者在不编写很多代码的情况下实现美观和兼容性良好的用户界面，节省开发时间和规模。[9]

3.3基于Ibatis框架的数据库访问

Ibatis是“Internet”与“abatis”的组合，是一种基于SQL映射并支持.NET和java的持久层框架。Ibatis的持久层框架包括DAO和SQL Maps，用户仅需对配置文件进行简单的配置就能连接数据库，无需创建连接、打开和关闭数据库，代码更加简洁。[10]考虑到数据库的易用性、性能及费用，选用MySQL数据库作为船舶机桨匹配计算平台的数据库，并通过Ibatis框架进行连接。[11]

4 算例试验结果分析

将机桨匹配计算平台部署到远程服务器之后，在浏览器中输入部署的网址，进入到平台的登录系统，输入用户名和密码，通过身份验证进入平台后，即可进行船舶机桨匹配计算。

4.1机桨初级匹配计算校验

输入初级匹配必要参数进行船舶机桨初级匹配计算，结果见图3。该平台的计算结果(见表1)与文献[12]中实际设计初级匹配计算结果(见表2)基本吻合，误差<0.5%，准确性符合工程要求。

图3 远程机桨匹配程序界面及初级匹配计算结果

表1 机桨匹配计算平台初级匹配计算结果

表2 文献[12]中实际设计初级匹配计算结果

4.2机桨终结匹配计算校验

终结匹配算例采用文献[13]中的数据，将其单位转换为标准单位后输入，计算结果页面见图4。将其与文献[13]中的计算结果相对比(见表3)，验证初级匹配程序正确。

4.3空泡校核计算校验

空泡校核参数来自于文献[5]，输入相关参数即可获取空泡校核结果(见图5)，计算得到所需的盘面比为0.647，与文献[5]中的计算结果(0.642)基本吻合，验证了空泡校核程序的正确性。

图4 终结匹配计算页面

表3 终结匹配计算结果对比

图5 空泡校核计算页面

5 结束语

本文提出一种基于C#，MATLAB和互联网平台的船舶机桨匹配计算平台的实现方法，并通过将该平台部署在远程服务器上来测试其功能。结果表明，该平台对匹配计算的功能均能很好地实现。实际测试发现，在对该平台进行计算时，第1次计算的时间明显较长，原因是在调用MATLAB生成的DLL文件时，程序会初始化DLL运行环境MCR。因此，对于该问题，应考虑在整个平台启动时初始化MCR，避免在第1次匹配计算时初始化，从而提高用户的工作效率。该研究可为未来船舶动力系统工况在线监测环境下的机桨动态匹配提供通用平台和技术积累。

[1] 潘鹏程,赵春华.基于MATLAB/Guide的中小型电动船舶船机桨匹配设计研究[J].舰船科学技术,2016，38(1):80-84.

[2] 陈虹,张晓君,王艺真.导管桨拖网渔船的机桨匹配设计软件开发[J].渔业现代化,2015，42(4):44-47.

[3] 王建政，王艺真，张文平，等.船机桨匹配设计软件研究开发[J].船舶与海洋工程,2014(1):45-49.

[4] 王艺真.基于导管桨和双速比齿轮箱的拖网渔船机桨匹配软件设计[D].舟山： 浙江海洋学院，2014： 71.

[5] 盛振邦,刘应中.船舶原理[M].上海:上海交通大学出版社,2004.

[6] KACAR S,BAYILMIS C.A Web-Based Educational Interface for an Analog Communication Course Based on MATLAB Builder NE With WebFigures[J].IEEE Transactions on Education,2013,56(3):346-354.

[7] SKUTOVA J.A Web Based Application Using MATLAB Builder NE for the Analysis of Linear Systems[C]∥Control Conference.IEEE,2014：574-577.

[8] 黄一丹，严洪森,冯丽娟，等.基于C#.NET与Matlab接口和BP网络的汽车产量预测[J].计算机技术与发展,2008,18(11):36-40.

[9] 杨守文,王婷,张智萍,等.图书馆自定义统计系统的体验与改进[J].现代情报,2013,33(4):132-135.

[10] 徐国平,张显库.基于网络的船舶航向保持控制仿真平台设计[J].中国航海,2015，38(1):1-3.

[11] 李澎林,朱国清,吴斌.基于iBatis SQL Map的数据持久层实现应用研究[J].浙江工业大学学报,2008,36(1):72-76.

[12] 周瑞平,樊红,胡毅.民用船舶动力装置原理与设计[M].武汉：武汉理工大学出版社，2012.

[13] 刘海强,吕林.船舶机桨匹配设计与分析计算平台研究[J].船海工程,2008,37(3):56-58.

Internet-BasedRemoteCalculationPlatformforDieselEngine-PropellerMatching

YANGKuna,b，SHUJiachenga，HUBiaoa

(a.School of Energy and Power Engineering; b.National Engineering Research Center for Water Transport Safety,Wuhan University of Technology,Wuhan 430063,China)

A diesel engine-propeller matching platform based on B/S network is designed.The software of the platform is developed with MATLAB-C# mixed programming,and the user interface is developed by means of Easyui.The tests,covering coarse matching,final matching and the cavitation check are performed to verify the platform.The test results show that the output is accurate,and the platform is easy to use,and the calculation is fast.

ship engineering; diesel engine-propeller matching; Internet; remote calculation; MATLAB; C#

U664.33

A

2017-02-11

国家自然科学基金青年基金(51309185)

杨 琨(1981—),男,湖北武汉人，副教授，硕士生导师，从事船舶动力机械远程状态在线监测与诊断研究。E-mail:kunyangwhut@163.com

1000-4653(2017)02-0025-04