论文部分内容阅读
摘 要：介绍了一种采用以Delphi为开发程序、SQL Server 2000作为数据库，提出一种OPGW光缆结构设计软件的方案，并对其中设计要点加以阐述，以期给该类特种光缆设计提供一定的参考之用。
关键词：局域网；OPGW光缆；结构设计；功能模块；输出设计
中图分类号：TN818 文献标识码：A 文章编号：1007-9599 （2013） 09-0000-03
随着国内OPGW的广泛应用，光缆制造技术的不断提高，OPGW结构设计也越来越成熟。但OPGW设计相对于其它光电缆来讲，设计参数多，设计过程复杂，同一个环境条件下不同人员设计的结构很可能就不一样，成本也会有一定的差异，在实际的设计过程中，很多公司采用EXCEL计算，但由于不同规格的铝包钢和铝合金线参数不同，在不断调整的过程很容易出错；同时由于每根OPGW需要单独设计，财务在计算成本的过程中也容易出现错误。怎样快捷、有效地设计出满足用户要求的光缆结构，在设计出结构后，材料成本、价格能一步到位，成为我们急需解决的问题。
针对OPGW光缆设计与使用过程中出现的种种问题，结合公司的实际情况，根据公司现有内网数据库的运行情况，结合我们自身编程的能力，决定对OPGW光缆设计实现同一界面的操作，简化设计过程，在选择材料的同时自动计算各种参数和相对应的价格，从而减少工作量，优先选用具有运行效率高、代码资源丰富的Delphi为程序开发软件，后台数据库采用SQL SERVER 2000，用于存放各种铝包钢、铝合金及其它材料的各种参数，这样在实际设计过程当中保证数据的统一性。该软件设计必须与现有内网连接，能被设计者共享使用并保存。
1 设计原则
该OPGW光缆设计的总原则是不仅要满足OPGW设计需要，同时满足局域网内联系使用，同时，留出ADSS光缆程序接口，以便以后ADSS光缆程序设计的直接接入。结构设计操作须简便，结果输出时即自成WORD文档，并可根据需要直接包含产品结构、产品图型、设计参数及价格。
2 界面设计
整个界面主要分为三大块：光缆结构、图型、计算参数输出。
目前国内流行的OPGW光缆一般由光单元（以下简称OP单元）、承力及载流单元组成。按其结构可分为中心管式和层绞式。在光缆结构布局设计时应当考虑到该两种结构不同的设计方式。界面左侧为光缆结构设计，分为中心层、第一层、第二层、第三层及第四层。第四层的设置，主要考虑大跨越所需抗拉能力较大时采用。在中心层右侧为光纤类型及光纤芯数。根据光缆结构及材料的选择，自动计算出的光缆结构图形显示于界面右上方，右下方则设计要求参数及输出参数值，并且自动判断所设计的光缆参数是否满足设计要求。
3 功能性模块设计
3.1 光单元（以下简称OP单元）
一般OP单元由不绣钢管内包含光纤及油膏组成。当中心层为OP单元时，在其余1-4层不可以输入OP单元，否则程序进行报警。当中心层为承力单元时，第二层可以放置1-2个OP单元，最外层不考虑OP单元的设置。光纤芯数及类别可选择为G.652及G.655光纤。在编程时，应当考虑OP单元放置光纤的极限值，通过与不锈钢管直径、容纳的光纤芯数结合光结余长控制，自动判断该OP管是否能生产，如不能满足生产要求，则跳出对话框报警，需重新调整OP管直径或者光纤芯数。
3.2 承力、载流单元
承力单元和载流单元并非绝对分开的，而是相辅相成的。所谓的承力单元同时也能承受一定的载流量；载流单元也能承受一定的力，在设计时应充分考虑承力与载流的配比。在满足用户要求的情况下，所用单丝型号或规格应尽量统一。每层单丝排序规则，应遵循选择内部抗拉强度较高的铝包钢、外部选择过载能力较强的铝包钢或铝合金等材料，材料的选用以最终满足用户参数要求为准。在本软件设计时，每层根据实际设计要求，不同层的单丝直径不一定完全相同，这就需要判断不同层容纳的单丝根数是否合理，过疏过密均不符合设计要求。在程序设计上，同样对每一层的根数进行判断，如超出范围，则跳出对话框予以警示并要求重新调整，同时在界面上可以直观显示每层放置不同直径单丝的数量，这为设计带来极大的方便。
3.3 图形设计
本软件开发中，对图形进行了重点设计。根据要求，在完成结构设计时，就要求将图形显示出来，从图形上可以给设计者一个直观形象。在此过程中，重点考虑在同一层中，如有两种或三种以上不同单丝时（当然有三种不同单丝的情况较少，在设计中应避免），如何排列单丝组合？
每层中如有两种单丝：
考虑到受力均匀的原则，如单丝数量相等，则不同单丝自动选取间隔排列。如单丝数量不等，需通过一步步的计算，逐步计算出该放置的根数。将单丝数量多的除以单丝数量少的，取整数部分为X，按X（数量多的单丝）：1（数量少的单丝）的比例进行排列。后分别减去已排列根数，再将单丝数量多的除以单丝数量少的，同样取整数部分排列，以此类推直至全部排列完成。
举例：如有一层绞式OPGW光缆，内层为1+6结构，最外层有两种单丝，分别是铝包钢7根和铝合金5根。
计算一：7÷5=1.4，X=1，按间隔1根排列；如图1所示；
计算二：6÷4=1.5，X=1，再按间隔1根排列；如图2所示；
计算三：5÷3=1.7，X=1，同样按间隔1根排列，如图3所示；
计算四：4÷2=2，X=2，按铝包钢2根，铝合金1根排列，如图4所示；
计算五：2÷1=2，X=2，最后将剩余2根铝包钢及1根铝合金排列完，如图5所示。
至此，图形计算设计完成。当然我们在真正设计中应尽量避免这种不对称结构的出现。
图一 图二 图三 图四 图五
4 光缆参数计算公式 软件编程应遵循以下公式进行：
4.1 短路电流容量计算
由于短路持续时间很短，假设短路电流产生的热量基本不能发散而全部用于导线温度的升高，按绝热过程计算，短路电流与导线温升的关系如下式：
I2R0（1+αθ）dt = Cdθ
由此可求得：
若式中所有值均以20℃时值表示，则
式中：I——短路电流（A）；
t——短路持续时间（S）；
R0——20℃时直流电阻（Ω/cm）；
α——电阻温度系数（1/℃）；取0.0036/℃
C——热容量J/（cm.℃）；
θ1——初始温度（℃）；
θ2——短路时最高温度（℃）。
λ钢=0.48 λ铝=0.91
热容量C=ρ铝λ铝S铝+ρ钢λ钢S钢
4.2 破断强度计算
OPGW的破断强度为铝包钢线的破断强度总和，即T=σAS·SAS +σAA·SAA
式中：T――OPGW的总拉断力
σAS--铝包钢线的抗拉强度
SAS--铝包钢线面积
σAA--铝合金线的抗拉强度
S AA--铝合金线面积
额定抗拉强度RTS=90%T
4.3 截面积计算
铝包钢丝截面积 SAS=N×π/4×dAS2
铝合金丝截面积 SAA=N×π/4×dAA2
不锈钢管截面积 SST=1×π/4×（D2-d2）
总截面积 S=SAS+SAA（不含不锈钢管截面积）
4.4 单位重量计算 W=SST×ρST×λ中心层+ SAS×ρAS×λ第一层+ SAS×ρAS×λ第二层+WOP
4.5 直流电阻计算
R0=RAA*RAS/RAA+RAS
式中：R0=直流电阻（20℃）
RAA=铝合金线的直流电阻
RAA=ρ20AA*1000/SAA
RAS=铝包钢线的直流电阻
RAS=ρ20AS*1000/SAS
4.6 弹性模量计算
E= E=SAA*EAA+SAS*EAS/SAA+SAS
4.7 线膨胀系数计算
α=SAA*EAA*αAA+SAS*EAS*αAS/（SAA+SAS）*E
按使用习惯，将起始温度、最高温度和短路时间放在要求值的上部，这也是直接关系到光缆的重要参数——短路电流容量。另外，根据用户的要求，依次将外径、重量、RTS直流电阻、短路电流容量等参数对应排列，如图1所示。
结构设计：基于OPGW结构设计人员已具有相当的技术水平，我们考虑将OPGW结构设计定义为中心层、第一层、第二层及第三、四层。考虑到层绞式结构一般为二层（不包括中心层），第三、四层在正常情况下隐藏，在设计大跨越线路时可将第三、第四层展开。如图1所示。
在实际操作当中，结构设计区域的每一次变更都会触发相应的事件，实现参数与价格的同步变动，为使运行速度更快，避免因网络问题引起计算的延迟，实际设计当中，将主要材料参数一次性加载到内存中，以后每一次更改都从直接内存读取数据，从而运算速度更快。
图1结构设计及参数显示（界面）
说明：以上OPGW光缆参数中，有一部分涉及公司技术、商业秘密的信息已被覆盖。
在调整结构或单丝参数的过程中，OPGW光缆的所有参数均在跟随变化，同时在最右侧有“是否满足”的显示，满足时打“∨”，不满足时打“×”，给予设计者很直观的判断。当设计完成时，光缆的型号即自动显示。
5 输出设计
考虑到目前投标文件的实际需要，需将光缆结构、图形、参数以及报价集中打印在一页纸上。最终考虑用WORD版本做输出，输出内容可直接被投标文件或技术参数表引用，带来相当大的方便。同时，在输出保存过程中，自动抓取光缆的型号为文件名，同时又可以增加包号或省份加以区分，并直接保存至公司数据库中。这样，以后有相近要求的OPGW光缆设计时，可直接查询调用，相当方便。
6 结论
经过笔者公司的技术人员使用测试后，参数数据与原用EXCEL设计时基本一致。使用本软件可更直接、简便，也更为直观，设计效率大大提高。本软件可以满足OPGW光缆生产企业产品设计、报价的需要，也可以供OPGW设计单位对选用产品进行参数对比与价格核算之用。
参考文献：
[1]电力行业标准.DL/T-832-2003 光纤复合架空地线国电通信中心、中国电力科学研究院.
[作者简介]尹锋雷（1975-），男，江苏无锡人，江苏宏图高科技股份有限公司，工程师。
关键词：局域网；OPGW光缆；结构设计；功能模块；输出设计
中图分类号：TN818 文献标识码：A 文章编号：1007-9599 （2013） 09-0000-03
随着国内OPGW的广泛应用，光缆制造技术的不断提高，OPGW结构设计也越来越成熟。但OPGW设计相对于其它光电缆来讲，设计参数多，设计过程复杂，同一个环境条件下不同人员设计的结构很可能就不一样，成本也会有一定的差异，在实际的设计过程中，很多公司采用EXCEL计算，但由于不同规格的铝包钢和铝合金线参数不同，在不断调整的过程很容易出错；同时由于每根OPGW需要单独设计，财务在计算成本的过程中也容易出现错误。怎样快捷、有效地设计出满足用户要求的光缆结构，在设计出结构后，材料成本、价格能一步到位，成为我们急需解决的问题。
针对OPGW光缆设计与使用过程中出现的种种问题，结合公司的实际情况，根据公司现有内网数据库的运行情况，结合我们自身编程的能力，决定对OPGW光缆设计实现同一界面的操作，简化设计过程，在选择材料的同时自动计算各种参数和相对应的价格，从而减少工作量，优先选用具有运行效率高、代码资源丰富的Delphi为程序开发软件，后台数据库采用SQL SERVER 2000，用于存放各种铝包钢、铝合金及其它材料的各种参数，这样在实际设计过程当中保证数据的统一性。该软件设计必须与现有内网连接，能被设计者共享使用并保存。
1 设计原则
该OPGW光缆设计的总原则是不仅要满足OPGW设计需要，同时满足局域网内联系使用，同时，留出ADSS光缆程序接口，以便以后ADSS光缆程序设计的直接接入。结构设计操作须简便，结果输出时即自成WORD文档，并可根据需要直接包含产品结构、产品图型、设计参数及价格。
2 界面设计
整个界面主要分为三大块：光缆结构、图型、计算参数输出。
目前国内流行的OPGW光缆一般由光单元（以下简称OP单元）、承力及载流单元组成。按其结构可分为中心管式和层绞式。在光缆结构布局设计时应当考虑到该两种结构不同的设计方式。界面左侧为光缆结构设计，分为中心层、第一层、第二层、第三层及第四层。第四层的设置，主要考虑大跨越所需抗拉能力较大时采用。在中心层右侧为光纤类型及光纤芯数。根据光缆结构及材料的选择，自动计算出的光缆结构图形显示于界面右上方，右下方则设计要求参数及输出参数值，并且自动判断所设计的光缆参数是否满足设计要求。
3 功能性模块设计
3.1 光单元（以下简称OP单元）
一般OP单元由不绣钢管内包含光纤及油膏组成。当中心层为OP单元时，在其余1-4层不可以输入OP单元，否则程序进行报警。当中心层为承力单元时，第二层可以放置1-2个OP单元，最外层不考虑OP单元的设置。光纤芯数及类别可选择为G.652及G.655光纤。在编程时，应当考虑OP单元放置光纤的极限值，通过与不锈钢管直径、容纳的光纤芯数结合光结余长控制，自动判断该OP管是否能生产，如不能满足生产要求，则跳出对话框报警，需重新调整OP管直径或者光纤芯数。
3.2 承力、载流单元
承力单元和载流单元并非绝对分开的，而是相辅相成的。所谓的承力单元同时也能承受一定的载流量；载流单元也能承受一定的力，在设计时应充分考虑承力与载流的配比。在满足用户要求的情况下，所用单丝型号或规格应尽量统一。每层单丝排序规则，应遵循选择内部抗拉强度较高的铝包钢、外部选择过载能力较强的铝包钢或铝合金等材料，材料的选用以最终满足用户参数要求为准。在本软件设计时，每层根据实际设计要求，不同层的单丝直径不一定完全相同，这就需要判断不同层容纳的单丝根数是否合理，过疏过密均不符合设计要求。在程序设计上，同样对每一层的根数进行判断，如超出范围，则跳出对话框予以警示并要求重新调整，同时在界面上可以直观显示每层放置不同直径单丝的数量，这为设计带来极大的方便。
3.3 图形设计
本软件开发中，对图形进行了重点设计。根据要求，在完成结构设计时，就要求将图形显示出来，从图形上可以给设计者一个直观形象。在此过程中，重点考虑在同一层中，如有两种或三种以上不同单丝时（当然有三种不同单丝的情况较少，在设计中应避免），如何排列单丝组合？
每层中如有两种单丝：
考虑到受力均匀的原则，如单丝数量相等，则不同单丝自动选取间隔排列。如单丝数量不等，需通过一步步的计算，逐步计算出该放置的根数。将单丝数量多的除以单丝数量少的，取整数部分为X，按X（数量多的单丝）：1（数量少的单丝）的比例进行排列。后分别减去已排列根数，再将单丝数量多的除以单丝数量少的，同样取整数部分排列，以此类推直至全部排列完成。
举例：如有一层绞式OPGW光缆，内层为1+6结构，最外层有两种单丝，分别是铝包钢7根和铝合金5根。
计算一：7÷5=1.4，X=1，按间隔1根排列；如图1所示；
计算二：6÷4=1.5，X=1，再按间隔1根排列；如图2所示；
计算三：5÷3=1.7，X=1，同样按间隔1根排列，如图3所示；
计算四：4÷2=2，X=2，按铝包钢2根，铝合金1根排列，如图4所示；
计算五：2÷1=2，X=2，最后将剩余2根铝包钢及1根铝合金排列完，如图5所示。
至此，图形计算设计完成。当然我们在真正设计中应尽量避免这种不对称结构的出现。
图一 图二 图三 图四 图五
4 光缆参数计算公式 软件编程应遵循以下公式进行：
4.1 短路电流容量计算
由于短路持续时间很短，假设短路电流产生的热量基本不能发散而全部用于导线温度的升高，按绝热过程计算，短路电流与导线温升的关系如下式：
I2R0（1+αθ）dt = Cdθ
由此可求得：
若式中所有值均以20℃时值表示，则
式中：I——短路电流（A）；
t——短路持续时间（S）；
R0——20℃时直流电阻（Ω/cm）；
α——电阻温度系数（1/℃）；取0.0036/℃
C——热容量J/（cm.℃）；
θ1——初始温度（℃）；
θ2——短路时最高温度（℃）。
λ钢=0.48 λ铝=0.91
热容量C=ρ铝λ铝S铝+ρ钢λ钢S钢
4.2 破断强度计算
OPGW的破断强度为铝包钢线的破断强度总和，即T=σAS·SAS +σAA·SAA
式中：T――OPGW的总拉断力
σAS--铝包钢线的抗拉强度
SAS--铝包钢线面积
σAA--铝合金线的抗拉强度
S AA--铝合金线面积
额定抗拉强度RTS=90%T
4.3 截面积计算
铝包钢丝截面积 SAS=N×π/4×dAS2
铝合金丝截面积 SAA=N×π/4×dAA2
不锈钢管截面积 SST=1×π/4×（D2-d2）
总截面积 S=SAS+SAA（不含不锈钢管截面积）
4.4 单位重量计算 W=SST×ρST×λ中心层+ SAS×ρAS×λ第一层+ SAS×ρAS×λ第二层+WOP
4.5 直流电阻计算
R0=RAA*RAS/RAA+RAS
式中：R0=直流电阻（20℃）
RAA=铝合金线的直流电阻
RAA=ρ20AA*1000/SAA
RAS=铝包钢线的直流电阻
RAS=ρ20AS*1000/SAS
4.6 弹性模量计算
E= E=SAA*EAA+SAS*EAS/SAA+SAS
4.7 线膨胀系数计算
α=SAA*EAA*αAA+SAS*EAS*αAS/（SAA+SAS）*E
按使用习惯，将起始温度、最高温度和短路时间放在要求值的上部，这也是直接关系到光缆的重要参数——短路电流容量。另外，根据用户的要求，依次将外径、重量、RTS直流电阻、短路电流容量等参数对应排列，如图1所示。
结构设计：基于OPGW结构设计人员已具有相当的技术水平，我们考虑将OPGW结构设计定义为中心层、第一层、第二层及第三、四层。考虑到层绞式结构一般为二层（不包括中心层），第三、四层在正常情况下隐藏，在设计大跨越线路时可将第三、第四层展开。如图1所示。
在实际操作当中，结构设计区域的每一次变更都会触发相应的事件，实现参数与价格的同步变动，为使运行速度更快，避免因网络问题引起计算的延迟，实际设计当中，将主要材料参数一次性加载到内存中，以后每一次更改都从直接内存读取数据，从而运算速度更快。
图1结构设计及参数显示（界面）
说明：以上OPGW光缆参数中，有一部分涉及公司技术、商业秘密的信息已被覆盖。
在调整结构或单丝参数的过程中，OPGW光缆的所有参数均在跟随变化，同时在最右侧有“是否满足”的显示，满足时打“∨”，不满足时打“×”，给予设计者很直观的判断。当设计完成时，光缆的型号即自动显示。
5 输出设计
考虑到目前投标文件的实际需要，需将光缆结构、图形、参数以及报价集中打印在一页纸上。最终考虑用WORD版本做输出，输出内容可直接被投标文件或技术参数表引用，带来相当大的方便。同时，在输出保存过程中，自动抓取光缆的型号为文件名，同时又可以增加包号或省份加以区分，并直接保存至公司数据库中。这样，以后有相近要求的OPGW光缆设计时，可直接查询调用，相当方便。
6 结论
经过笔者公司的技术人员使用测试后，参数数据与原用EXCEL设计时基本一致。使用本软件可更直接、简便，也更为直观，设计效率大大提高。本软件可以满足OPGW光缆生产企业产品设计、报价的需要，也可以供OPGW设计单位对选用产品进行参数对比与价格核算之用。
参考文献：
[1]电力行业标准.DL/T-832-2003 光纤复合架空地线国电通信中心、中国电力科学研究院.
[作者简介]尹锋雷（1975-），男，江苏无锡人，江苏宏图高科技股份有限公司，工程师。