呂顯強陶冶楊文蓮楊松吳俊峰石云峰

(大連海洋大學(xué)教育技術(shù)與計算中心,遼寧大連116023)

基于對象模型的船舶電力負荷表格計算系統(tǒng)

呂顯強,陶冶,楊文蓮,楊松,吳俊峰,石云峰

(大連海洋大學(xué)教育技術(shù)與計算中心,遼寧大連116023)

針對船舶電力負荷計算輸入數(shù)據(jù)多、表格設(shè)計復(fù)雜等問題,提出了一種利用MFC基于對象模型的表格計算系統(tǒng),采用View對象負責表格的繪制和各種項目的計算,利用編輯框定位方式來模擬手工表格輸入的過程,有效地避免了基于Form-Control法輸入數(shù)據(jù)和最終打印效果不一致的缺陷,實現(xiàn)了所見即所得。View-Document對象模型能夠獨立處理表格數(shù)據(jù),并支持打開、保存和打印操作,該系統(tǒng)具有可視化和仿真操作能力,實例顯示具有較高的執(zhí)行效率和應(yīng)用效果。

電力負荷;對象模型;表格計算;微軟基礎(chǔ)類庫

船舶電站是船舶動力的主要來源,合理的電站容量配置不僅關(guān)系到整個船舶的各種電力系統(tǒng)及設(shè)備的使用壽命,而且可有效地確保船舶電力使用的安全性和可靠性,并最終達到船舶經(jīng)濟運行的目標。船舶電力負荷計算主要采用3種方法:概率法、晝夜航行圖表法和負荷系數(shù)法[1]。其中負荷系數(shù)法是目前廣泛使用的一種方法,而概率法則需要具備相同類型母型船的相關(guān)資料,晝夜航行圖表法適用于小型船舶或電動輔助性船舶,在一定程度上限制了使用范圍。負荷系數(shù)法一般需要船舶電力設(shè)計人員根據(jù)船舶設(shè)備的實際工況 (包括航行狀態(tài)、工作狀態(tài)、進出港狀態(tài)和停泊狀態(tài)等),分別統(tǒng)計并計算出硒裝設(shè)備、輪機設(shè)備、空調(diào)冷藏設(shè)備、弱電及其它設(shè)備的數(shù)量,以及電動機額定功率、機械負荷系數(shù)、電動機負荷系數(shù)、功率因數(shù)、所需有功和無功功率等,以獲得船舶需要配置的主發(fā)動機和備用發(fā)電機的臺數(shù)。目前,負荷系數(shù)法主要通過設(shè)計人員手工建立表格的方法進行計算,統(tǒng)計修改困難,工作量很大。

隨著計算機技術(shù)的發(fā)展,電力系統(tǒng)的計算機仿真已成為電力系統(tǒng)設(shè)計、規(guī)劃、運行及故障分析的重要工具。有關(guān)這方面的研究主要集中在電動機建模方面,Iked等[2]提出了一種新的計算機仿真方法用于異步電動機暫態(tài)及數(shù)學(xué)模型的研究;Bossio等[3]建立了動態(tài)電動機模型用于實現(xiàn)定子鐵心故障的分析。在船舶電力計算機輔助計算方面,大部分以基于傳統(tǒng)的窗體設(shè)計為主,王煥文等[4]采用Visual Basic在Windows窗體上利用控件對象,作為與設(shè)計人員交互的手段,用戶通過在文本框中輸入各類參數(shù)值,并利用指定的算法模型進行處理和計算。但上述方法有一定的缺陷,一是控件過多,設(shè)計難度大;二是人機功效差。為此,本研究中作者根據(jù)上述情況,重點研究采用面向?qū)ο蠹夹g(shù),利用Visual C++的MFC(微軟基礎(chǔ)類庫)中的View-Documents對象思想[5-6],設(shè)計出真正意義上的船舶電力負荷計算的 “電子表格”,可方便地進行各參數(shù)的輸入、保存、計算和打印,該表格與設(shè)計人員手工計算的表格完全一致,實現(xiàn)了所見即所得,設(shè)計人員可以在完全熟悉的環(huán)境下進行輸入和計算,大大提高了計算效率。

1 船舶電力負荷的基本對象模型

面向?qū)ο蠓椒?(Object-oriented method)是一種按照人類認識世界的思維來分析和解決問題,并將 “對象”的思想引入到軟件開發(fā)過程中,以對象為中心,以類和繼承為構(gòu)造機制的軟件系統(tǒng)。面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計語言具有封裝性、繼承性和多態(tài)性,可讀性強,易于維護,大大降低了代碼的重復(fù)率和工作效率。

模擬船舶電力負荷手工計算表格是一項比較復(fù)雜的工程,主要包括前臺表格界面的繪制和后臺文檔的處理。其中前臺表格界面的設(shè)計要涉及大量的位置計算和交互性的處理,因此設(shè)計比較困難,為此,本研究中采用了Visual C++的MFC中的View-Document對象的思想,將二者單獨進行處理,減少了代碼冗余度,提高了效率。

1.1 船舶設(shè)備類的設(shè)計和封裝

在船舶電力負荷計算表中,用戶要預(yù)先輸入大量的設(shè)備參數(shù),為此定義了船舶設(shè)備CEDevice類,該類封裝了船舶設(shè)備的基本參數(shù)值。此外,該類還具有自繪能力,以實現(xiàn)用戶每次輸入一個設(shè)備的同時,系統(tǒng)能夠自動完成對該設(shè)備行所有單元格邊框的繪制。CEDevice類的原型設(shè)計如下:

class CEDevice:public CObject

{

public:

CString m_strName;//設(shè)備名稱

int m_nNumber;//設(shè)備數(shù)量

float m_fMaxAxisPower;//最大機械軸功率

float m_fRatedData[5];//電機額定數(shù)據(jù)

float m_fSumPowerNeeded;//所需總功率

float m_fK1;//電動機利用系數(shù)

float m_fStateData[8][7];//8種工作狀態(tài)數(shù)組

int* m_nItemWidth;//項目寬度指針變量

CRect* m_ItemRect;//項目矩形尺寸指針變量

…

public:

void Init(int*ItemWidth,CRect*pRect,int dd,int TextHeight);//表格初始化函數(shù)

void DrawText(CDC*pDC,int nLeft,int nTop,BYTE bFlag[]);//自繪設(shè)備表格標題函數(shù)

void SetItemRect(int nLeft,int nTop,BYTE bFlag []);//計算單元格矩形尺寸函數(shù)

void DrawBorder(CDC*pDC,intnLeft,int nTop,BYTE bFlag[]);//繪制表格邊框函數(shù)

…

};

1.2 表格對話框類的創(chuàng)建

用戶在新創(chuàng)建一張船舶電力負荷計算表格前,均需要事先確定船舶名稱、工作狀態(tài)名稱、設(shè)備分類名稱以及I類和II類負荷系數(shù)的大小。用戶也可以自定義新的工況名稱和設(shè)備分類名稱,這些功能均需要通過對話框完成,本研究中將這些功能抽象地定義為對話框類。對話框類的原型設(shè)計如下:

class CNewDialog:public CDialog

{ public:

CStringm_strDEviceCategoryName[8];//設(shè)備分類名稱

CStringm_strStatName[8];//工作狀態(tài)名稱

CListBoxm_listDeviceCategory;//設(shè)備分類列表框CListBoxm_listWorkState;//工作狀態(tài)列表框CStringm_NEWCATE;//新設(shè)備分類名稱CStringm_NEWSTAT;//新工作狀態(tài)名稱CStringm_strShipName;//船舶名稱floatm_fCoef1;//I類負荷系數(shù)floatm_fCoef2;//II類負荷系數(shù)

…

};

新建計算表格對話框如圖1所示。

圖1 電力負荷計算表的 “新建”對話框Fig.1 The“new”dialog of tabular computation for power loading

1.3 編輯框類的定義

在船舶電力負荷計算表中,由于該表格是通過多條直線繪制出的,所有單元格均為不可編輯狀態(tài)。為了能夠?qū)崿F(xiàn)用戶即點即輸入的效果,以實現(xiàn)模擬用戶手工填寫表格的要求,本研究中定義了編輯框類,該類繼承于標準編輯框類,并重載了鍵盤單擊OnKeyDown函數(shù),以實現(xiàn)用戶按上下左右方向鍵的同時,能動態(tài)改變編輯框的位置。編輯框類的原型設(shè)計如下:

class CMyEdit:public CEdit

{

public:

CMyEdit();

virtual～CMyEdit();

protected:

afx_msg void OnKeyDown(UINT nChar,UINT nRepC-nt,UINT nFlags);

};

2 船舶電力負荷View-Document對象模型

MFC通常使用View-Document結(jié)構(gòu)來管理數(shù)據(jù)和視圖顯示,文檔 (CDocument)負責數(shù)據(jù)的輸入、輸出和文件管理;視 (CView)類從文檔結(jié)構(gòu)中獲取數(shù)據(jù);框架窗口 (CFrameWnd)類負責整個系統(tǒng)移動、最大化、最小化和關(guān)閉應(yīng)用程序操作等,該模型將數(shù)據(jù)管理和圖形顯示進行了分離,有效地降低了管理的難度[6]。在船舶電力負荷計算中,主要包括用戶表格繪制、表格編輯 (插入和刪除行列)、文件保存和打印操作,輸入數(shù)據(jù)量大,表格操作和數(shù)據(jù)管理復(fù)雜,因此,本研究中將上述內(nèi)容采用MFC的View-Document對象來建模,以減輕設(shè)計難度。

2.1 CELoadView類

CELoadView類主要作為顯示表格和用戶的操作界面,以便將文檔類的內(nèi)容顯示到屏幕或進行打印和打印預(yù)覽操作。由于船舶電力負荷計算表格內(nèi)容多,本研究中采用了MFC的CScrollView類作為其父類,以支持表格的滾動功能。由于CEDevice設(shè)備類已經(jīng)支持表格設(shè)備數(shù)據(jù)的自繪功能,因此, CELoadView類主要負責繪制表格的標題,該功能由DrawSummary、DrawHeadText和FillBK函數(shù)來實現(xiàn)。此外,在CELoadView類中還設(shè)計了兩個重要的對象成員,即m_Edit和m_Combo,它們主要用于實現(xiàn)與用戶的交互性操作。CELoadView類的原型設(shè)計如下:

class CELoadView:public CScrollView

{

public:

CComboBoxm_Combo;//負荷類別組合框?qū)ο?/p>

CMyEditm_Edit;//輸入編輯框

int nTextHeight;//文字高度

CEDevice*m_pEDevice[8];//8種設(shè)備類型指針RectRowData*m_pRectRowData;//每行數(shù)據(jù)矩形尺寸(所有列)

int x,y;//鼠標滾動偏移量

SelectedPostion m_SelectedPos;//記錄用戶選擇位置

intm_nPageWidth,m_nPageHeight;//紙張大小(單位mm)

int*m_nSumWidthPrinted,*m_nSumHeightPrinted;//打印的總寬度、總高度

int p,p1;//水平、垂直分頁數(shù)

public:

…

void MoveCombo(CRect&rect);//負荷類別組合框移動處理函數(shù)

void MoveEdit(CRect&rect);//編輯框移動處理函數(shù)

void DrawSummary(CDC*pDC,int nLeft,int nT-op);//統(tǒng)計行繪制函數(shù)

void DrawHeadText(CDC*pDC,int nLeft,int nTop, CString str);//表格標題函數(shù)

void FillBK(CDC*pDC,CRect&rect,CBrush &brush);//表格背景處理函數(shù)

…

};

2.2 CELoadDoc類

CELoadDoc類可以存儲和載入用戶定義的數(shù)據(jù),相當于 “容器”功能,它是CDocument類的派生類,其主要功能是將用戶輸入的參數(shù)和表格計算的數(shù)據(jù)存入到指定的文件中。該系統(tǒng)可以實現(xiàn)將每艘船的數(shù)據(jù)單獨存入一個文件,同時允許用戶打開已經(jīng)存在的文件,方便用戶進行修改。CELoad-Doc類的原型設(shè)計如下:

class CELoadDoc:public CDocument

{

public:

CString m_strShipName;//船名

CStringm_strEngineChosen[2][8];//已選定的發(fā)電機名稱

int m_nDeviceNumber[8];//各類設(shè)備數(shù)量

floatm_fSumP1[8],m_fSumQ1[8];//I類負荷總有功功率,總無功率

floatm_fSumP2[8],m_fSumQ2[8];//II類負荷總有功功率,總無功率

floatm_fSumP1Coef[8],m_fSumQ1Coef[8];//考慮同時系數(shù)的I類負荷總功率

floatm_fSumP2Coef[8],m_fSumQ2Coef[8];//考慮同時系數(shù)的II類負荷總功率

floatm_fSumP[8],m_fSumQ[8];//考慮同時系數(shù)的總功率之和

floatm_fSumP5[8],m_fSumQ5[8];//考慮網(wǎng)絡(luò)傳輸中功率損失5%時的總功率

floatm_cos[8];//加權(quán)平均值功率

floatm_fCoef1,m_fCoef2;//負荷系數(shù)

…

};

3 負荷計算表中的主要系數(shù)

在通常情況下,船舶設(shè)備本身的功率與負荷計算表中的實際計算功率是不同的。此外,船舶的電力設(shè)備還可能受到間歇負荷和特殊設(shè)備的影響。本研究中綜合考慮上述三類情況,相應(yīng)的系數(shù)計算主要包括以下3個方面[7]。

3.1 電動機、機械負荷的各類系數(shù)

船舶電力負荷計算表中的主要功率和各類系數(shù)的計算公式如下:

1)電動機利用系數(shù)K1=P2/P1;

2)機械負荷系數(shù)K2=P3/P2;

3)電動機負荷系數(shù)K3=K1×K2=P3/P1;

4)電動機額定效率η=P1/P4;

5)電動機實際所需總功率

Pe≈K3×P4=(K3/η)×P1=P3/η;

其中:P1為電動機額定功率 (kW);P2為機械軸上所需的最大軸功率 (kW);P3為機械軸上的輸出功率 (kW);P4為電動機需要從電網(wǎng)獲取的功率 (kW)。上述幾類系數(shù)均由本系統(tǒng)自動完成計算。

3.2 同時使用系數(shù)K0

K0是運行的間歇載荷最大需要功率之和與所有間斷負載的最大需要功率之和的比值。目前,在國內(nèi)外大多數(shù)計算中,同時使用系數(shù)K0都選為0.4或0.5。

3.3 其他特殊設(shè)備系數(shù)

1)廚房及洗衣設(shè)備 這些設(shè)備工作的時段和時間的長短都較為固定,其負荷系數(shù)一般取為0.2～0.3。

2)舵機 該設(shè)備正常工作時所需要的功率遠小于其額定功率,其負荷系數(shù)可以考慮取小值,一般取為0.2～0.3。

3)空調(diào) 一般按照2臺壓縮機同時運行計算制冷量,此外空調(diào)還應(yīng)作為間歇負荷考慮。

4 交互操作設(shè)計及流程圖

交互操作設(shè)計是本研究的重點和難點,為了能夠記錄用戶對表格數(shù)據(jù)的操作,以符合重繪表格的要求,本研究在文檔類中采用了動態(tài)鏈表作為主要的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)支持,從4個方面進行了設(shè)計。

1)編輯框定位 根據(jù)用戶鼠標的位置坐標,將編輯框移動到指定的單元格位置,以實現(xiàn)即點即輸入的目的。該方法的步驟如下:

(1)返回鼠標坐標點point,存入到變量m_ SelectedPos中。

(2)根據(jù)已經(jīng)繪制的表格邊框線,判定m_ SelectedPos所處的單元格,并返回該單元格的尺寸m_ItemRect及行列坐標i,j。

(3)修改編輯框的位置,并改變編輯框的大小與該單元格相同。

(4)將編輯框的內(nèi)容輸入到由CEDevice類型的指針數(shù)組m_pEDevice[i][j]所指向的內(nèi)存空間存放。

(5)調(diào)用Invalidate方法,更新視圖,以顯示編輯框新輸入的內(nèi)容。

2)表格行刪除 該方法的步驟如下:

(1)返回待刪除行的鼠標坐標點point,存入到變量m_SelectedPos中。

(2)根據(jù)已經(jīng)繪制的表格邊框線,判定m_ SelectedPos所處的單元格,并返回該單元格的尺寸m_ItemRect及行坐標i。

(3)釋放指針變量m_pEDevice[i]所指向的內(nèi)存空間。

(4)調(diào)用Invalidate方法,更新視圖。

3)表格行插入 該方法的步驟如下:

(1)返回待插入行的鼠標坐標點point,存入到變量m_SelectedPos中。

(2)根據(jù)已經(jīng)繪制的表格邊框線,判定m_ SelectedPos所處的單元格,并返回該單元格的尺寸m_ItemRect及行列坐標i,j。

(3)使用new方法動態(tài)分配CEDevice類型大小的內(nèi)存空間,由指針變量m_pEDevice[j]指向,并初始化該內(nèi)存空間的全部成員變量。

(4)調(diào)用Invalidate方法,更新視圖。

上述3種基本操作均以CEDevice類型的指針作為數(shù)據(jù)支持,均可共享該部分數(shù)據(jù),實時地反映用戶操作的情況,并由CDocument文檔類負責處理,進行保存和打開文件的操作。

4)船舶設(shè)備數(shù)據(jù)的鏈表結(jié)構(gòu) 考慮到在實際應(yīng)用中,用戶可能隨時添加和刪除表格數(shù)據(jù),因此當用戶在執(zhí)行第1) ～第3)步時,均需要訪問文檔類的數(shù)據(jù),本研究在CDocument類中增加了鏈表指針數(shù)組m_RowArray,程序通過坐標變換可以先獲得該船舶設(shè)備數(shù)據(jù)所在行的坐標i和j,并通過m_RowArraya[i]引用即可得到該數(shù)據(jù)所在的內(nèi)存空間的地址。

對于表格的行刪除操作,可以通過程序

deletem_RowArray[i]

m_RowArray.RemoveAt(m_SelectedPosRow)

來釋放某種船舶的數(shù)據(jù),以達到刪除該設(shè)備的目的。

對于表格的插入操作,主要包括兩步:動態(tài)分配設(shè)備類的內(nèi)存空間 (new CEDevice)以及增加鏈表數(shù)據(jù)元素,其程序如下:

m_RowArray.InsertAt(m_SelectedPos.Row,new CEDevice)

此外,為了能夠重新顯示用戶修改的數(shù)據(jù),該鏈表也作為表格重繪的數(shù)據(jù)支持。程序首先進行電力負荷計算表的字體設(shè)置、顯示滾動范圍設(shè)置和表頭輸出,再判定鏈表指針是否到達表尾。如果為否,則修改鏈表指針,使其指向下一船舶設(shè)備行數(shù)據(jù),并輸出該設(shè)備數(shù)據(jù)和繪制表格邊框。上述過程循環(huán)進行,當鏈表指針到達表尾,則退出循環(huán),輸出選定方案的各項統(tǒng)計數(shù)據(jù)。

上述過程相關(guān)的算法流程如圖2所示。

圖2 船舶電力負荷表格交互功能流程圖Fig.2 The flow charts of interactive function for ship power loading

5 運行與討論

船舶的電力負荷計算不僅作為船舶電站容量的參考,是船舶電力系統(tǒng)發(fā)動機配置的基礎(chǔ),直接影響到發(fā)動機型號的選擇,而且還可有效地避免船舶電站容量匹配不合理,資源和資金浪費的缺陷。本研究中采用面向?qū)ο蟮姆椒?設(shè)計了完全仿真手工繪制計算的電子表格,實際運行情況如圖3所示。

從圖3可以看出,由于使用了編輯框定位技術(shù),使原來通過繪制方法得到的靜態(tài)表格處于可編輯狀態(tài),用戶只要使用鼠標單擊表格中的任意單元格,即可對該單元格進行編輯操作。由于每個單元格可以通過行、列標號記錄該單元格所對應(yīng)的數(shù)據(jù),因此,將移動的編輯框和后臺數(shù)據(jù)建立關(guān)聯(lián),當編輯框離開單元格后,即修改該單元格對應(yīng)的數(shù)據(jù),確保了顯示內(nèi)容和后臺保存內(nèi)容的一致性。從應(yīng)用角度看,該單元格有效地避免了用戶利用控件方法接受用戶輸入的缺陷,實現(xiàn)了用戶全屏幕編輯和修改數(shù)據(jù)。

6 結(jié)語

本研究中提出利用MFC的View-Document對象結(jié)構(gòu),設(shè)計船舶電力負荷計算的電子表格系統(tǒng)。與傳統(tǒng)的基于窗體-控件的輸入界面不同,該方法模擬了設(shè)計人員手工繪制表格的方法,根據(jù)用戶鼠標的點擊坐標,定位單個編輯框控件,可修改該單元格對應(yīng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),并由CDocument對象負責存盤,集保存和輸入操作為一體,所有的計算均由計算機負責,用戶完全處于自己最熟悉的可視化環(huán)境中,大大降低了用戶通過表格計算的難度,該系統(tǒng)具有很好的應(yīng)用前景。

圖3 船舶電力負荷表格計算系統(tǒng)的初始界面Fig.3 The initial table of software system for shippower loading

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A tabular com putation software system for ship power loading based on objectmodel

LüXian-qiang,TAO Ye,YANGWen-lian,YANG Song,WU Jun-feng,SHIYun-feng
(Educational Technology&Computer Center,Dalian Ocean University,Dalian 116023,China)

Considering the problem of abundant input data and complex table design for ship power loading,the paper puts forward a tabular computation software system by using MFC objectmodel,which adopts view object to draw tables and calculate the items in tables and uses the editbox to locate the proper position.The method simulates the process of inputting data by handwork,avoids inconsistence between data input and print result as a result of using Form-Controlmethod,and accomplishesW.Y.S.W.Y.G.Furthermore the View-Document objectmodel can dealwith data in table independently,and supports the operations such as file open,save,and print.The proposed method has visual propety and simulation analysis ability.The actual example shows that it has good executive efficiency and pratical effect.

power loading;objectmodel;tabular computation;MFC

U662.6;TP273

A

2095-1388(2012)04-0377-06

2012-05-10

大連海洋大學(xué)教育教學(xué)改革研究項目 (2011);遼寧省優(yōu)秀青年骨干教師資助計劃項目 (2006);遼寧省教育廳高等學(xué)?？蒲杏媱濏椖?(2008146)

呂顯強 (1957-),男,副教授。E-mail:lxq@dlou.edu.cn