CN114912250A - 一种拖网板事故对海底管道损伤的试验方法、系统和装置 - Google Patents

一种拖网板事故对海底管道损伤的试验方法、系统和装置 Download PDF

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CN114912250A CN202210365676.5A CN202210365676A CN114912250A CN 114912250 A CN114912250 A CN 114912250A CN 202210365676 A CN202210365676 A CN 202210365676A CN 114912250 A CN114912250 A CN 114912250A
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刘永凯
赖钟恒
王鑫洋
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杨雪琦
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Abstract

本文提供了一种拖网板事故对海底管道损伤的试验方法、系统和装置,方法包括接收试验条件设计数据,试验条件设计数据包括控制数据和建模数据;根据建模数据建立试验系统;根据控制数据,控制拖网板模型相对于管道模型移动并发生事故;调节控制数据和建模数据中的至少一个因素以重复事故的发生过程,并获取管道模型每次发生事故时的损伤数据;根据损伤数据和对应的试验条件设计数据中的各因素,确定各因素与管道损伤的关系。本文能够对试验条件设计数据中的各因素进行调节,以模拟渔业作业时拖网板与管道间发生的各种类型的事故;并根据各事故的损伤数据,确定各因素对管道损伤的影响,有利于根据具体的管道制定针对性的修补和养护措施。

Description

一种拖网板事故对海底管道损伤的试验方法、系统和装置
技术领域
本文涉及海洋油气工程技术领域,尤其是一种拖网板事故对海底管道损伤的试验方法、系统和装置。
背景技术
二十一世纪是海洋的世纪,海洋是新世纪人类赖以发展的新的重要的资源空间,加快进行海洋开发已经成为各个海洋国家的共识。以石油天然气为代表的传统海洋资源,其开发技术日臻完善并不断深入拓展,天然气水合物、海底矿藏等新型海洋资源也愈发引起工程开发者的重视。在海洋资源开发技术中,海底管道发挥着不可替代的作用,为保证经济效益和工程开发的持续进行提供了基础性条件。
然而,复杂的海洋环境,频繁的人类活动,使得日益庞大的海底管道系统随时面临着安全运行的风险和挑战。一旦发生管道结构损伤或破裂泄漏事故,很有可能会引发难以估量的环境污染、经济损失以及巨大的社会不良影响。根据以往发生管道损伤事故统计资料,渔船拖网作业导致海底管道发生损伤占海底管道第三方事故损伤的百分之三十以上,并且随着海底管道的大力建设,部分海底管道延伸到了传统的渔业区。由于海上渔业作业的不确定性以及海上定位的困难,在近海位置渔业过程中容易出现拖网板与海底管道撞击、拖越、钩挂的情况。为了更好地探明海底管道在受到撞击、拖越、钩挂后的损伤情况,探明影响管道损伤严重性的各因素,亟需提供一种拖网板事故对海底管道损伤的试验方法、系统及装置方法。
发明内容
针对现有技术的上述问题,本文的目的在于,提供一种拖网板事故对海底管道损伤的试验方法、系统和装置,以解决现有技术中难以对管道被渔业的拖网板撞击、拖越和钩挂后伤损情况进行分析的问题。
为了解决上述技术问题,本文的具体技术方案如下:
第一方面,本文提供一种拖网板事故对海底管道损伤的试验方法,所述方法包括:
接收试验条件设计数据,所述试验条件设计数据包括控制数据和建模数据,所述控制数据包括拖网板模型与管道模型发生事故时的速度因素和轨迹因素,所述建模数据包括拖网板模型参数因素、管道模型参数因素、管道模型铺设方式因素和拖网板模型与管道模型发生事故时的相对位置因素;
根据所述建模数据,建立包括拖网板模型和管道模型的试验系统;
根据所述控制数据,控制所述拖网板模型相对于所述管道模型移动并发生事故,获取管道模型发生事故时的损伤数据;
调节所述控制数据和所述建模数据中的至少一个因素以重复事故的发生过程,并获取所述管道模型每次发生事故时的损伤数据;
根据所述损伤数据和其对应的所述试验条件设计数据中的各因素,确定各因素与管道损伤的关系。
具体地,所述根据所述损伤数据和其对应的所述试验条件设计数据中的各因素,确定各因素与管道损伤的关系,进一步包括:
根据所述损伤数据和其对应的所述试验条件设计数据中的各因素,建立敏感性分析数学模型;
求解所述敏感性分析数学模型,得到各因素与管道损伤的关系。
进一步地,所述敏感性分析数学模型基于响应面分析法建立得到,所述敏感性分析数学模型为:
Figure BDA0003586859170000021
其中,yk为第k个维度的损伤数据,k为正整数;b0、bi、bii和bij为回归系数;xi为i第个因素;n为因素的数量;ε为误差项;
Figure BDA0003586859170000022
反映各因素对损伤数据的线性作用;
Figure BDA0003586859170000023
反映各因素的二次项对损伤数据的作用;
Figure BDA0003586859170000024
反映各因素之间的相互关系对损伤数据的作用。
具体地,所述管道模型铺设方式因素包括护堤高度、护堤宽度、护堤角度以及护堤所用材料颗粒的直径中的一个或多个。
具体地,所述管道模型参数因素包括管道模型单位长度的质量、管道模型的直径和管道模型的壁厚中的一个或多个。
进一步地,所述损伤数据包括所述管道模型在发生事故处的凹陷面积信息和/或凹陷深度信息。
第二方面,本文提供一种拖网板事故对海底管道损伤的试验系统,所述试验系统包括管道模型、拖网板模型、控制机构、动力机构、调节机构、测量机构和处理机构:
所述管道模型和所述拖网板模型均位于试验槽内,所述拖网板模型与所述动力机构相连;
所述动力机构设置在所述试验槽的顶部并与所述控制机构相连,所述动力机构用于在所述控制机构的控制下驱动所述拖网板模型相对于所述管道模型移动;
所述调节机构设置在所述拖网板模型和/或所述管道模型上并与所述控制机构相连,用于调节所述拖网板模型与所述管道模型之间的相对位置,以使所述拖网板模型相对于所述管道模型移动时与所述管道模型发生事故;
所述测量机构与控制机构相连,用于获取所述管道模型发生事故时的损伤数据并将所述损伤数据发送至所述控制机构;
所述控制机构用于根据所述处理机构发送的控制数据发出控制指令至所述动力机构,以及发送所述损伤数据至所述处理机构;
所述处理机构用于接收试验条件设计数据,所述试验条件设计数据包括控制数据和建模数据,所述控制数据包括拖网板模型与管道模型发生事故时的速度因素和轨迹因素,所述建模数据包括拖网板模型参数因素、管道模型参数因素、管道模型铺设方式因素和拖网板模型与管道模型发生事故时的相对位置因素,所述管道模型与所述拖网板模型根据所述建模数据建立;发送所述控制数据至所述控制机构,并接收所述控制机构反馈的损伤数据;根据所述损伤数据和其对应的所述试验条件设计数据中的各因素,确定各因素与管道损伤的关系。
第三方面,本文提供一种拖网板事故对海底管道损伤的试验装置,所述试验装置包括:
接收模块,用于接收试验条件设计数据,所述试验条件设计数据包括控制数据和建模数据,所述控制数据包括拖网板模型与管道模型发生事故时的速度因素和轨迹因素,所述建模数据包括拖网板模型参数因素、管道模型参数因素、管道模型铺设方式因素和拖网板模型与管道模型发生事故时的相对位置因素;
建设模块,用于根据所述建模数据,建立包括拖网板模型和管道模型的试验系统;
控制模块,用于根据所述控制数据,控制所述拖网板模型相对于所述管道模型移动并发生事故,获取管道模型发生事故时的损伤数据;
获取模块,用于调节所述控制数据和所述建模数据中的至少一个因素以重复事故的发生过程,并获取所述管道模型每次发生事故时的损伤数据;
确定模块,用于根据所述损伤数据和其对应的所述试验条件设计数据中的各因素,确定各因素与管道损伤的关系。
第四方面,本文提供一种计算机设备,包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序,所述处理器执行所述计算机程序时实现如上述技术方案所提供方法。
第五方面,本文还提供一种计算机可读存储介质,所述计算机可读存储介质存储有计算机程序,所述计算机程序被处理器执行时实现如上述技术方案所述的方法。
采用上述技术方案,本文提供的一种拖网板事故对海底管道损伤的试验方法、系统和装置,能够对试验条件设计数据中的各因素进行调节,以模拟渔业作业时拖网板与海底管道间发生的各种类型的事故;并根据不同事故场景下的损伤数据,确定各因素对管道损伤的影响,有利于根据具体的管道制定针对性的修补和养护措施。
为让本文的上述和其他目的、特征和优点能更明显易懂,下文特举较佳实施例,并配合所附图式,作详细说明如下。
附图说明
为了更清楚地说明本文实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本文的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1示出了本文实施例提供的一种拖网板事故对海底管道损伤的试验方法的步骤示意图;
图2示出了本文实施例中定各因素与管道损伤的关系的步骤示意图;
图3示出了速度因素和拖网板模型参数因素与管道损伤的关系示意图;
图4示出了管道模型参数中的管道模型的直径和管道模型的壁厚与管道损伤的关系示意图;
图5示出了本文实施例提供的一种拖网板事故对海底管道损伤的试验系统的结构示意图;
图6示出了本文实施例中动力系统的结构示意图;
图7示出了本文实施例中拖网板模型的结构示意图;
图8示出了本文实施例中测量系统和管道模型的结构示意图;
图9示出了拖网板模型与管道模型发生撞击型事故时的场景示意图;
图10示出了拖网板模型与管道模型发生拖越型事故时的结构示意图;
图11示出了拖网板模型与管道模型发生钩挂型事故时的结构示意图;
图12本文实施例提供的一种拖网板事故对海底管道损伤的试验装置的结构示意图;
图13示出了本文实施例提供的一种计算机设备的结构示意图。
附图符号说明:
10、试验槽;
11、观察窗;
20、管道模型;
21、管道主体;
22、管道安装辅助块;
23、管道承载支柱;
30、拖网板模型;
31、拖网板主体;
32、撞击头;
33、连接件;
40、控制机构;
50、动力机构;
51、电机;
52、同步带;
53、滑块;
54、同步带导轨;
55、滑块安装辅助块;
60、测量机构;
61、第一加速度传感器;
62、撞击力传感器;
63、第二加速度传感器;
64、三维力传感器;
65、应变片;
66、激光位移传感器;
70、支撑台;
71、支撑柱;
72、支撑板;
1210、接收模块;
1220、建设模块;
1230、控制模块;
1240、获取模块;
1250、确定模块;
1302、计算机设备;
1304、处理器;
1306、存储器;
1308、驱动机构;
1310、输入/输出模块;
1312、输入设备;
1314、输出设备;
1316、呈现设备;
1318、图形用户接口;
1320、网络接口;
1322、通信链路;
1324、通信总线。
具体实施方式
下面将结合本文实施例中的附图,对本文实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本文一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本文中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本文保护的范围。
需要说明的是,本文的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象,而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换,以便这里描述的本文的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外,术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形,意图在于覆盖不排他的包含,例如,包含了一系列步骤或单元的过程、方法、装置、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元,而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
海底管道在整个海洋石油工业系统中扮演着生命线的角色,随着海洋石油工业的规模扩大,海底管道的长度进一步增长,部分海底管道的建设不可避免地与传统近海的渔业区产生相关的交集。在渔业作业的时候可能会发生撞击、拖越或钩挂于海底管道等多种事故,对海底管道造成意外损伤。为了更好地探明海底管道在受到撞击、拖越、钩挂等损伤后的情况,亟需提供一种拖网板事故对海底管道损伤的试验方法、系统和装置。
为了解决上述问题,本文实施例提供了一种拖网板事故对海底管道损伤的试验方法。图1是本文实施例提供的一种拖网板事故对海底管道损伤的试验方法的步骤示意图,需要说明的是,本说明书提供了如实施例或流程图所述的方法操作步骤,但基于常规或者无创造性的劳动可以包括更多或者更少的操作步骤。实施例中列举的步骤顺序仅仅为众多步骤执行顺序中的一种方式,不代表唯一的执行顺序。在实际中的系统或装置产品执行时,可以按照实施例或者附图所示的方法顺序执行或者并行执行。具体地,如图1所示,所述方法可以包括:
S110:接收试验条件设计数据,所述试验条件设计数据包括控制数据和建模数据,所述控制数据包括拖网板模型与管道模型发生事故时的速度因素和轨迹因素,所述建模数据包括拖网板模型参数因素、管道模型参数因素、管道模型铺设方式因素和拖网板模型与管道模型发生事故时的相对位置因素。
S120:根据所述建模数据,建立包括拖网板模型和管道模型的试验系统。
需要说明的是,本说明书实施例中,所建立的试验系统如图5所示,是物理存在的试验系统;在一些可行的实施例中,建立的试验系统还可以是模拟的。
S130:根据所述控制数据,控制所述拖网板模型相对于所述管道模型移动并发生事故,获取管道模型发生事故时的损伤数据。
具体地,通过如图5和图6所示的试验系统中的动力机构50驱动所述拖网板模型30相对于所述管道模型20移动进而发生事故。所述拖网板模型30相对于所述管道模型20移动时可以是匀速移动,也可以是变速移动;且所述拖网板模型30移动时可以是沿直线移动,也可以是具有非直线形的运动轨迹,从而可以更真实地模拟出拖网板模型30在海底渔业作业时受水流的影响,满足多种场景下的试验需要。
S140:调节所述控制数据和所述建模数据中的至少一个因素,重复事故的发生过程并获取所述管道模型每次发生事故时的损伤数据。
具体地,控制数据中的速度因素可通过试验系统的动力机构50实现调节,调节动力机构50的电机51的输出功率;轨迹因素和相对位置因素可通过调节机构实现,调节方法详见后文中对试验系统的描述。拖网板模型参数因素、管道模型参数因素和管道模型铺设方式因素的调节具体的可对试验系统中的拖网板模型和管道模型及其铺设方式进行调节实现。
在调节时,可采用控制变量的方法,即每次仅控制其中一个因素发生变化而其他因素不变;当然,也可以同时使得多个因素发生改变。
本说明书实施例中,所述相对位置因素包括所述管道模型20与所述拖网板模型30二者之间的相对高度和相对角度。其中相对高度与其二者间发生的事故的类型相关,本说明书实施例中,事故类型主要包括撞击、拖越和钩挂这三种。具体地,撞击事故是指,所述拖网板模型30向靠近所述管道模型20的方向移动(示例性的,如图9所示,管道模型20的位置不变,拖网板模型30自图示的左侧向图示的右侧移动),并在与管道模型20相接触时发生硬性碰撞;拖越事故是指拖网板模型30在从图示的左侧向图示的右侧移动的过程中,拖网板模型30与管道模型20的中上部相接触并沿管道模型的表面移动一段距离(如图10所示);钩挂事故是指拖网板模型30在沿图示的左侧向图示的右侧移动时与管道模型20的下部相接触,并在拖网板模型30继续向右侧移动时,拖网板模型30的移动被管道模型20限制、钩挂于管道模型20处(如图11所示)。实际场景中,撞击事故一般会接连有拖越事故或钩挂事故,本说明书实施例中,将这几种事故拆解开以更准确地探明不同类型的拖网板事故对管道模型损伤的情况。相对角度是指其二者发生事故的夹角,即拖网板模型30可以是垂直于管道模型20发生上述事故,也可以是与管道模型20呈一定倾斜角度并发生上述事故。
S150:根据所述损伤数据和其对应的所述试验条件设计数据中各因素,确定各因素与管道损伤的关系。
本说明书实施例提供的一种拖网板事故对海底管道损伤的试验方法,通过建立试验系统实现了对拖网板模型与管道模型撞击、拖越和钩挂事故的模拟;通过对试验条件设计数据中各影响因数的调节,重复事故的发生以获得不同试验条件下的损伤数据,从而确定各因素对管道损伤的影响,有利于根据具体的管道场景制定合适的修补和养护措施。
如图2所示,本说明书实施例中,步骤S150:根据所述损伤数据和其对应的所述试验条件设计数据中的各因素,确定各因素与管道损伤的关系,可进一步包括:
S210:根据所述损伤数据和其对应的所述试验条件设计数据中的各因素,建立敏感性分析数学模型;
S220:求解所述敏感性分析数学模型,得到各因素与管道损伤的关系。
敏感性分析数学模块可以用来表示输入变量对输出变量影响程度,影响程度的大小被称作该输入变量的敏感性系数,敏感性系数用来表征所研究的输入变量对于输出变量而言的重要性。敏感性系数越大,则该输入变量对输出变量的影响越大,反之则越小。敏感性分析数学模块通过对输入变量进行分析,得到各输入变量的敏感性系数的大小和各输入变量的变化对输出变量影响的规律关系。
一般地,所述敏感性分析数学模型可以用公式(1)表示:
y=f(x1,x2,......xn)+ε; (1)
其中,y为输出变量;f(·)为响应函数;xi为第i个输入变量,i为1至n的整数;ε为误差项。
在一些优选的实施例中,所述敏感性分析数学模型可基于试验设计(Design ofExperiment,DOE)中的响应面分析法建立得到,试验设计是一种科学拟定试验方案、合理规划试验类型和次数以对数据进行全面分析的方法,能够缩短试验周期、降低试验成本,并且能够得到满意的结果。DOE的方法有很多:全因子设计、正交试验设计、均匀设计、响应面分析法(RSM)、人工神经网络(ANN)以及遗传算法(GA)等,本说明书实施例中,以响应面分析法为例,该方法可以按照研究对象的特点进行试验设计,采用多项式回归的方法得到输入变量和输出变量之间的关系,从而建立的模型具有较高的可靠性。则所述敏感性分析数学模型可以为:
Figure BDA0003586859170000101
其中,yk为第k个维度的损伤数据,k为正整数;b0、bi、bii和bij为回归系数;xi为i第个因素也即时公式(1)中的第i个输入变量;n为因素的数量;ε为误差项;
Figure BDA0003586859170000102
反映各因素对损伤数据的线性作用;
Figure BDA0003586859170000103
反映各因素的二次项对损伤数据的作用;
Figure BDA0003586859170000104
反映各因素之间的相互关系对损伤数据的作用。
需要说明的是,为了获得理想的响应面模型,应注意响应面的设计和试验点的选取。基于响应面的试验点设计有很多种,包括全因子试验设计、中心点复合设计(CentralComposite Design,CCD)、D-最优设计、Box-Behnken设计(BBD)、正交设计和均匀设计等,其中CCD和BBD这两种二阶设计方法应用最为广泛。CCD的试验点由2n个析因设计(n为变量个数),以及2n个坐标轴点和中心点组成,试验点选取具有序贯性和灵活性。BBD是不同于CCD的三水平二阶相应曲面设计,除中心点之外,其他设计点到中心点的距离均相等,要求每个因子有三个水平,未把所有因子水平都设计为高水平的试验组合,具有旋转性,效率比较高。在因素相同时,比CCD更加有效,适用于试验成本太高或由于现实条件的制约而不能对所有因素进行组合试验的情况。
示例性的,x1可以是拖网板模型参数因素、x2可以是管道模型参数因素、x3可以是管道模型铺设方式因素等等;调节试验条件设计数据中的因素(输入变量)并重复多次事故发生试验,以获取不同试验条件下的损伤数据(输出变量),得到关于回归系数的多个方程;联立方程组求解,得到各个回归系数(也即是各敏感性系数)的值。
本说明书实施例中,所述损伤数据可以包括所述管道模型在发生事故处的凹陷面积信息和/或凹陷深度信息。
需要说明的是,所述损伤数据可以是将所述试验条件设计数据中的各因素分别与凹陷面积信息和凹陷深度信息建立敏感性分析数学模型,即凹陷面积信息可以作为y1(第1个维度的损伤数据)、凹陷深度信息作为y2(第2个维度的损伤数据),分别建立各自的数学模型。
所述损伤数据还可以通过对所述凹陷面积信息和凹陷深度信息进行归一化处理后进行加权计算得到,以评估试验条件设计数据中的各因素对管道损伤综合性的影响。当管道模型发生事故处的凹陷深度越深时,损伤越严重;凹陷面积越大时,损伤越严重;因此,凹陷深度信息和凹陷面积消息各自的加权系数应均为正数,且加权系数之和为1;但凹陷深度信息和凹陷面积信息对管道损伤严重性的影响力可能有所不同,则其加权系数可能不相等。示例性的,所述凹陷面积信息的加权系数可以取0.3,所述凹陷深度信息的加权系数可以取0.7,代表凹陷深度信息相较于凹陷面积信息对管道损伤的影响更大。在另一些可行的实施例中,所述凹陷深度的加权信息还可以取1,意为仅考虑凹陷深度信息与管道损伤之间的对应关系。本说明书实施例中,对凹陷深度信息的加权系数和凹陷面积信息的加权系数不做具体限定,加权系数可根据实际试验需求进行设置。
所述凹陷面积信息和所述凹痕深度信息可以将管道模型发生事故处的痕迹置于金相显微镜进行观测,并与未发生事故的相同型号的管道模型进行对比得到。具体的,凹陷面积信息可以采用数格子的方法得到,将管道模型发生事故处的凹陷区域展开呈平面,然后放置在预先划分好网格的网格纸下。每个网格的面积是相同的,例如,可以是5mm*5mm。凹陷区域填满一格的按满格计算,不足一格的可以半格计算(例如在凹陷的边缘处),根据满格的数量和半格的数量,得到凹陷面积信息。凹陷深度信息可以是整个凹陷区域的最大凹陷深度,在另一些可行的实施例中,也可以分别获取每个格子对应的凹陷深度,再结合凹陷面积信息,计算出凹陷区域的平均深度作为所述凹陷深度信息。
如图3所示,为速度因素和拖网板模型参数因素与管道损伤的关系示意图。本说明书实施例中,所述拖网板模型参数因素主要考虑的是拖网板模型的质量,则从图3可以看出,当控制试验条件设计数据中其他各因素(管道模型参数因素、管道模型铺设方式因素、相对位置因素等)不变时,在拖网板模型的质量不变的前提下,速度越大,损伤数据的凹陷深度信息越大;而速度不变的前提下,拖网板模型的质量越大,凹陷深度信息越大。
进一步地,本说明书实施例中,所述管道模型参数因素还可进一步包括管道模型单位长度的质量、管道模型的直径和管道模型的壁厚等多个管道模型子因素,根据上述各管道模型子因素和所述试验条件设计数据中的其他各因素,以及所述损伤数据,建立敏感性分析数学模型,可以分析出管道模型参数因素对撞击、拖越和钩挂等拖网板事故的抵抗能力的关系。
如图4所示,为管道模型参数中的管道模型的直径和管道模型的壁厚与管道损伤的关系示意图。从图4可以看出,当控制试验条件设计数据中其他各因素(拖网板模型参数因素、管道模型参数因素、管道模型铺设方式因素、速度因素、相对位置因素等)不变,并进一步控制管道模型单位长度的质量不变时,在管道模型的直径不变的前提下,管道模型的壁厚越大,损伤数据的凹陷深度信息越大;而在管道模型的壁厚不变的前提下,管道模型的直径越大,凹陷深度信息越大。
进一步地,本说明书实施例中,所述管道模型铺设方式因素可进一步包括护堤高度、护堤宽度、护堤角度以及护堤所用材料颗粒的直径等多个铺设方式子因素。根据上述各铺设方式子因素和所述试验条件设计数据中的其他各因素,以及所述损伤数据,建立敏感性分析数学模型,可以分析出护堤对海底管道的保护能力。由于海底管道护堤铺设成本高昂,本说明书所提供的试验方法可以用于指导护堤的搭建,有利于节约成本。
根据大量试验结果,本说明书发现对于具有不同管道模型参数的海底管道而言,具有较好保护能力的护堤其高度、宽度、角度以及所用材料颗粒的直径是有所区别的。例如,对于管道直径为12英寸(即508mm)、管道壁厚为25.4mm的海底管道而言,铺设高度在0.5m-2.0m范围内、宽度在10m-12m范围内、角度在30°-32°范围内(且优选近似为等腰梯形)以及所用材料颗粒的直径在400mm-500mm范围内的护堤,其对海底管道保护能力较佳。
如图5所示,本说明书实施例还提供一种拖网板事故对海底管道损伤的试验系统,所述试验系统包括管道模型20、拖网板模型30、控制机构40、动力机构50、调节机构、测量机构60和处理机构:
所述管道模型20和所述拖网板模型30均位于试验槽10内,所述拖网板模型30与所述动力机构50相连;
所述动力机构50设置在所述试验槽10的顶部并与所述控制机构40相连,所述动力机构50用于在所述控制机构40的控制下驱动所述拖网板模型30相对于所述管道模型20移动;
所述调节机构设置在所述拖网板模型30和/或所述管道模型20上并与所述控制机构40相连,用于调节所述拖网板模型30与所述管道模型20之间的相对位置,以使所述拖网板模型30相对于所述管道模型20移动时与所述管道模型20发生事故;
所述测量机构60与控制机构40相连,用于获取所述管道模型20发生事故时的损伤数据并将所述损伤数据发送至所述控制机构40;
所述控制机构40用于根据所述处理机构发送的控制数据发出控制指令至所述动力机构50,以及发送所述损伤数据至所述处理机构;
所述处理机构用于接收试验条件设计数据,所述试验条件设计数据包括控制数据和建模数据,所述控制数据包括拖网板模型与管道模型发生事故时的速度因素和轨迹因素,所述建模数据包括拖网板模型参数因素、管道模型参数因素、管道模型铺设方式因素和拖网板模型与管道模型发生事故时的相对位置因素,所述管道模型与所述拖网板模型根据所述建模数据建立;发送所述控制数据至所述控制机构,并接收所述控制机构反馈的损伤数据;根据所述损伤数据和其对应的所述试验条件设计数据中的各因素,确定各因素与管道损伤的关系。
本说明书实施例提供的一种拖网板事故对海底管道损伤的试验系统,其中拖网板模型30可在控制机构40的控制下相对于所述管道模型20运动,并通过调节机构调节拖网板模型30与管道模型20的相对位置以模拟不同类型的拖网板事故,填补了现有技术无法对拖网板与海底管道发生的撞击、拖越和钩挂等事故进行模拟的技术空白;处理机构能够根据不同试验条件下的损伤数据,确定各因素对管道损伤的影响,有利于对具体管道制定针对性的修补和养护措施。
如图6所示,所述动力机构50包括电机51、传动组件(图中未示出)、同步带52、滑块53和同步带导轨54;
所述传动组件的一端设置于所述电机上,所述传动组件的另一端设置有所述同步带52,所述传动组件可以是传动齿轮,所述传动组件用于改变所述电机51输出的传动比;所述同步带52设置在所述同步带导轨54上,所述同步带导轨54设置在所述试验槽10的顶部并与所述管道模型20非平行设置,从而当所述拖网板模型30沿所述同步带导轨54移动时将必然与所述管道模型20相接触以发生相应的事故;所述滑块53的一端与所述同步带52相接,所述滑块53的另一端与所述拖网板模型30相连;所述电机51与所述控制机构40相连接,所述电机51用于在所述控制机构40的控制下正转或反转,以带动所述同步带52转动从而带动所述拖网板模型30沿所述同步带导轨54移动,从而使得所述拖网板模型30与所述管道模型20发生撞击、拖越或钩挂等事故。
如图5所示,所述试验槽10还设有观察窗11以便于观察;所述试验槽10的相对的两侧分别设置有一个支撑台70,示例性的,所述支撑台70可设置在所述观察窗11的左右两侧。所述同步带导轨54跨接连接两个所述支撑台70上,所述电机51设置在其中一个上支撑台上。每个所述支撑台70均包括相连接的支撑板72和支撑柱71,所述支撑柱71的高度与所述试验槽10的高度相适配,所述控制机构40可设置在任意一个所述支撑板72上。
需要说明的是,本说明书实施例中,试验槽10两侧设置的支撑台可以具有相同的设置,也可以具有不同的设置。例如,位于试验槽10左侧的可以由三个支撑板72和两个支撑柱71组装而成;位于试验槽10右侧的支撑台可以由两个支撑板72和两个支撑柱71组装而成。当然了,所述支撑台70所包括的支撑板72和支撑柱71也可以是其他数量多个。各支撑柱71可以一致也可以不一致(包括高度、粗细、材质等);与之相似的,各支撑板72可以一致也可以不一致;优选地,支撑板72与支撑柱71之间可通过螺纹连接,以保证其整体连接的牢固性和承载能力。
优选地,所述支撑台70上还可以设置有与电机相匹配的电机安装槽,电机51设置在电机安装槽内,电机安装槽可用于可以保证电机51连接的稳固性,同时可去除电机51与同步带导轨54之间的高度落差,保证所述同步带导轨54两端位于同一水平高度上,从而保证所述拖网板模型30在沿所述同步带52移动时其速度仅受电机51输出功率的影响,去除其他干扰因素,提高事故模拟的准确性。所述支撑台的底部还可设置有配重快,用于增强支撑台70整体的稳定性,避免电机产生的晃动所带来的影响。
在一些可行的实施例中,所述同步带导轨54的两端部可单独地或同步地在两侧的支撑台70上移动。当同步带导轨54的端部在拖网板模型相对于管道模型移动的过程中不断地相对于支撑台发生变化时,可带动拖网板模型30与相管道模型20的相对位置(沿管道模型20的轴线方向的位置和垂直于管道模型20的轴线方向的位置)发生变化,从而实现其运动轨迹的调节,也就实现了对拖网板模型与管道模型发生事故时的轨迹因素的调节。
如图8所示,所述测量机构60包括第一加速度传感器61、撞击力传感器62、第二加速度传感器63、三维力传感器64、应变片65和激光位移传感器66;所述第一加速度传感器61和所述撞击力传感器62均设置在所述拖网板模型30上;所述第二加速度传感器63、所述三维力传感器64和所述应变片65均设置在所述管道模型20上;所述激光位移传感器66设置在所述试验槽内壁上(如图5所示)。所述应变片65可设有不止一个,所述应变片65设置在所述管道主体21与所述拖网板模型30发生撞击、拖越或钩挂的位置附近。优选地,所述激光位移传感器66的设置高度与所述拖网板模型30的高度和/或所述管道模型20相适配,以使得所述激光位移传感器66能够拍摄到所述拖网板模型30与所述管道模型20发生撞击、拖越或钩挂时的图像及视频。
如图7所示,所述拖网板模型30包括拖网板主体31和撞击头32;所述撞击头32与所述拖网板主体31之间设置有所述撞击力传感器62;所述拖网板主体31上设有固定座,所述固定座与连接件33相连接,所述连接件33远离所述固定座的一端与所述滑块53相连,所述第一加速度传感器61设置在所述固定座处。
如图8所示,所述管道模型20包括管道主体21和管道安装辅助块22;所述管道安装辅助块22设置在所述管道主体21的两端。由于所述管道主体21一般为圆柱形,容易发生滚动,则会影响撞击、拖越以及钩挂事故模拟试验以及相应事故场景下获取的损伤数据的准确性。因此,本说明书实施例中,在所述管道模型20的两端设有管道安装辅助块22,以用于限制所述管道主体21滚动。所述第二加速度传感器63、所述三维力传感器64均设置在所述管道主体上。具体地,所述三维力传感器64通过三维力传感器安装辅助夹具平稳地设置在所述管道主体21上。
需要说明的是,本说明书实施例中,所述管道模型20可根据具体试验要求进行调节更换,例如,更换具有不同长度、不同直径、不同壁厚、不同单位长度质量的管道主体21等;同样的所述拖网板模型的拖网板主体31也可根据具体试验要求进行调节更换,例如,更换具有不同大小、不同体积的拖网板主体,从而实现对建模数据中拖网板模型参数因素、管道模型参数因素的调节。
优选地,所述管道主体21两端可均设置有不止一个所述管道安装辅助块22,所述管道安装辅助块22在所述管道主体的圆柱面的外侧面上均匀分布。示例性的,如图8所示,所述管道模型20的两端均设置有4个所述管道安装辅助块22,则使得管道主体21通过不同的管道安装辅助块22设置在试验槽10内,可实现对发生事故位置的调节,从而,可提高管道主体21表面试验利用率。
如图5所示,所述管道模型20还可以包括管道承载支柱23,所述管道主体21通过所述管道安装辅助块22和所述管道承载支柱23安装在所述试验槽10的底部,所述管道承载支柱23的数量和设置位置应与所述管道安装辅助块22相对应。通过是否通过管道承载支柱23承载、以及管道承载支柱23所具有的不同高度,可模拟管道模型20铺设的不同场景,例如刚性平面支撑(管道模型直接与试验槽10底部刚性连接)、刚性悬跨(管道模型通过管道承载支柱23与试验槽10底部相连)、海底土壤填埋;当模拟海底土壤填埋铺设场景时,还具体可设置海底土壤具有不同的填埋深度、海底土壤成分的不同配比等等。除此之外,还可以对管道模型20建设有护堤,且护堤的铺设进一步包括护堤高度、护堤宽度、护堤角度以及护堤所用材料颗粒的直径等影响因素,从而实现了对建模数据中管道模型铺设方式因素的调节。
在一些优选的实施例中,所述调节机构包括第一调节组件和第二调节组件。
所述第一调节组件可与所述拖网板模型30相连接,用于调节所述拖网板模型30的高度和/或角度,进而实现对所述拖网板模型30与所述管道模型20之间相对位置的调节,即对建模数据中的拖网板模型与管道模型发生事故时的相对位置因素的调节。
例如,所述第一调节组件可以包括第一升降电机、齿轮等结构,第一升降电机与控制机构相连,第一升降电机还通过齿轮与连接件相连,从而在控制机构的控制下,第一升降电机工作并带动连接件升降从而调节拖网板模型30与管道模型20的相对高度。所述连接件还可以通过滑块安装辅助块55与滑块相连,则所述第一调节组件还可以是包括旋转电机,旋转电机与控制机构和滑块安装辅助块55相连,在控制机构的控制下旋转电机转动角度,并带动滑块安装辅助块55与滑块53间的角度发生变化,从而调节拖网板模型30与管道模型20的相对角度。当然,拖网板模型30与管道模型20间相对高度和/或相对角度的调节还可以通过手动调节的方式,例如,更换不同长度的连接件、手动调节滑块安装辅助块55与滑块53间的夹角等等。
所述第二调节组件设置在所述管道承载支柱23上,用于调节所述管道模型20的高度,进而实现对所述拖网板模型30与所述管道模型20之间相对位置的调节。例如,所述第二调节组件可以包括第二升降电机,第二升降电机与控制机构相连,第一升降电机还与管道承载支柱23相连,所述管道承载支柱23可包括伸缩连接的母支柱和子支柱,从而在控制机构的控制下,第二升降电机工作并带动子支柱相对于母支柱伸缩从而实现对拖网板模型30与管道模型20的相对高度的调节。为便于实现对海底环境的模拟,上述第二升降电机也可以是液压机构或气动机构。
在一些可行的实施例中,可通过调节管道主体21的两端的管道承载支柱23具有不同的升降高度,实现对管道主体21倾斜于试验槽10底部的铺设场景的模拟(管道承载支柱23与管道主体21间设置有协调于倾斜角度的结构)。
所述控制机构40可包括PLC控制器、控制开关和变频器;所述PLC控制器PLC与动力机构的电机51相连,用于对电机51进行编程实现对同步带上滑块53的相对位移、绝对速度以及运动规律周期的控制;控制开关通过外接电源线接口与动力机构中电机51的动力电源线相连,用于控制伺服电机的启停;控制开关还与变频器相连,变频器调制为强制矢能状态实现对电机脉冲转速的控制要求。
综上,本说明书实施例提供的一种拖网板事故对海底管道损伤的试验系统,能够对实现对拖网板模型参数因素,管道模型参数因素,管道模型铺设方式因素,拖网板模型与管道模型发生事故时的速度因素、轨迹因素和相对位置因素等各因素的控制和调节,满足了对不同事故场景模拟试验的需求;且各部件集成化、模块化程度高,便于组装和拆卸;并通过控制机构实现控制,实现半自动化或全自动化,有利于提高试验效率和提高试验准确性,处理机构能够根据各次事故试验得到的损伤数据确定各因素对管道损伤的影响,有针对性的制定与具体管道相匹配适的修补和养护措施,且对管道的结构损伤变形规律提供重要的指导意义。
如图12所示,本说明书实施例中还提供一种拖网板事故对海底管道损伤的试验装置,所述试验装置包括:
接收模块1210,用于接收试验条件设计数据,所述试验条件设计数据包括控制数据和建模数据,所述控制数据包括拖网板模型与管道模型发生事故时的速度因素和轨迹因素,所述建模数据包括拖网板模型参数因素、管道模型参数因素、管道模型铺设方式因素和拖网板模型与管道模型发生事故时的相对位置因素;
建设模块1220,用于根据所述建模数据,建立包括拖网板模型和管道模型的试验系统;
控制模块1230,用于根据所述控制数据,控制所述拖网板模型相对于所述管道模型移动并发生事故,获取管道模型发生事故时的损伤数据;
获取模块1240,用于调节所述控制数据和所述建模数据中的至少一个因素以重复事故的发生过程并获取所述管道模型每次发生事故时的损伤数据;
确定模块1250,用于根据所述损伤数据和其对应的所述试验条件设计数据中的各因素,确定各因素与管道损伤的关系。
通过本说明书实施例提供的装置所取得的有益效果和上述方法所取得的有益效果相一致,此处不再赘述。
如图13所示,为本文实施例提供的一种计算机设备,本说明书中的拖网板事故对海底管道损伤的试验装置可以为本实施例中的计算机设备,执行本文的上述方法。所述计算机设备1302可以包括一个或多个处理器1304,诸如一个或多个中央处理单元(CPU),每个处理单元可以实现一个或多个硬件线程。计算机设备1302还可以包括任何存储器1306,其用于存储诸如代码、设置、数据等之类的任何种类的信息。非限制性的,比如,存储器1306可以包括以下任一项或多种组合:任何类型的RAM,任何类型的ROM,闪存设备,硬盘,光盘等。更一般地,任何存储器都可以使用任何技术来存储信息。进一步地,任何存储器可以提供信息的易失性或非易失性保留。进一步地,任何存储器可以表示计算机设备1302的固定或可移除部件。在一种情况下,当处理器1304执行被存储在任何存储器或存储器的组合中的相关联的指令时,计算机设备1302可以执行相关联指令的任一操作。计算机设备1302还包括用于与任何存储器交互的一个或多个驱动机构1308,诸如硬盘驱动机构、光盘驱动机构等。
计算机设备1302还可以包括输入/输出模块1310(I/O),其用于接收各种输入(经由输入设备1312)和用于提供各种输出(经由输出设备1314)。一个具体输出机构可以包括呈现设备1316和相关联的图形用户接口(GUI)1318。在其他实施例中,还可以不包括输入/输出模块1310(I/O)、输入设备1312以及输出设备1314,仅作为网络中的一台计算机设备。计算机设备1302还可以包括一个或多个网络接口1320,其用于经由一个或多个通信链路1322与其他设备交换数据。一个或多个通信总线1324将上文所描述的部件耦合在一起。
通信链路1322可以以任何方式实现,例如,通过局域网、广域网(例如,因特网)、点对点连接等、或其任何组合。通信链路1322可以包括由任何协议或协议组合支配的硬连线链路、无线链路、路由器、网关功能、名称服务器等的任何组合。
对应于图1至图2中的方法,本文实施例还提供了一种计算机可读存储介质,该计算机可读存储介质上存储有计算机程序,该计算机程序被处理器运行时执行上述方法的步骤。
本文实施例还提供一种计算机可读指令,其中当处理器执行所述指令时,其中的程序使得处理器执行如图1至图2所示的方法。
应理解,在本文的各种实施例中,上述各过程的序号的大小并不意味着执行顺序的先后,各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定,而不应对本文实施例的实施过程构成任何限定。
还应理解,在本文实施例中,术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系,表示可以存在三种关系。例如,A和/或B,可以表示:单独存在A,同时存在A和B,单独存在B这三种情况。另外,本文中字符“/”,一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
本领域普通技术人员可以意识到,结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤,能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现,为了清楚地说明硬件和软件的可互换性,在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行,取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能,但是这种实现不应认为超出本文的范围。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到,为了描述的方便和简洁,上述描述的系统、装置和单元的具体工作过程,可以参考前述方法实施例中的对应过程,在此不再赘述。
在本文所提供的几个实施例中,应该理解到,所揭露的系统、装置和方法,可以通过其它的方式实现。例如,以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的,例如,所述单元的划分,仅仅为一种逻辑功能划分,实际实现时可以有另外的划分方式,例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统,或一些特征可以忽略,或不执行。另外,所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口、装置或单元的间接耦合或通信连接,也可以是电的,机械的或其它的形式连接。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的,作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元,即可以位于一个地方,或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本文实施例方案的目的。
另外,在本文各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中,也可以是各个单元单独物理存在,也可以是两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现,也可以采用软件功能单元的形式实现。
所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时,可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解,本文的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分,或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来,该计算机软件产品存储在一个存储介质中,包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机,服务器,或者网络设备等)执行本文各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括:U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM,Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM,Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
本文中应用了具体实施例对本文的原理及实施方式进行了阐述,以上实施例的说明只是用于帮助理解本文的方法及其核心思想;同时,对于本领域的一般技术人员,依据本文的思想,在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处,综上所述,本说明书内容不应理解为对本文的限制。

Claims (10)

1.一种拖网板事故对海底管道损伤的试验方法,其特征在于,所述方法包括:
接收试验条件设计数据,所述试验条件设计数据包括控制数据和建模数据,所述控制数据包括拖网板模型与管道模型发生事故时的速度因素和轨迹因素,所述建模数据包括拖网板模型参数因素、管道模型参数因素、管道模型铺设方式因素和拖网板模型与管道模型发生事故时的相对位置因素;
根据所述建模数据,建立包括拖网板模型和管道模型的试验系统;
根据所述控制数据,控制所述拖网板模型相对于所述管道模型移动并发生事故,获取管道模型发生事故时的损伤数据;
调节所述控制数据和所述建模数据中的至少一个因素以重复事故的发生过程,并获取所述管道模型每次发生事故时的损伤数据;
根据所述损伤数据和其对应的所述试验条件设计数据中的各因素,确定各因素与管道损伤的关系。
2.根据权利要求1所述的试验方法,其特征在于,所述根据所述损伤数据和其对应的所述试验条件设计数据中的各因素,确定各因素与管道损伤的关系,进一步包括:
根据所述损伤数据和其对应的所述试验条件设计数据中的各因素,建立敏感性分析数学模型;
求解所述敏感性分析数学模型,得到各因素与管道损伤的关系。
3.根据权利要求2所述的试验方法,其特征在于,所述敏感性分析数学模型基于响应面分析法建立得到,所述敏感性分析数学模型为:
Figure FDA0003586859160000011
其中,yk为第k个维度的损伤数据,k为正整数;b0、bi、bii和bij为回归系数;xi为i第个因素;n为因素的数量;ε为误差项;
Figure FDA0003586859160000012
反映各因素对损伤数据的线性作用;
Figure FDA0003586859160000021
反映各因素的二次项对损伤数据的作用;
Figure FDA0003586859160000022
反映各因素之间的相互关系对损伤数据的作用。
4.根据权利要求1所述的试验方法,其特征在于,所述管道模型铺设方式因素包括护堤高度、护堤宽度、护堤角度以及护堤所用材料颗粒的直径中的一个或多个。
5.根据权利要求1所述的试验方法,其特征在于,所述管道模型参数因素包括管道模型单位长度的质量、管道模型的直径和管道模型的壁厚中的一个或多个。
6.根据权利要求1所述的试验方法,其特征在于,所述损伤数据包括所述管道模型在发生事故处的凹陷面积信息和/或凹陷深度信息。
7.一种拖网板事故对海底管道损伤的试验系统,其特征在于,所述试验系统包括管道模型、拖网板模型、控制机构、动力机构、调节机构、测量机构和处理机构:
所述管道模型和所述拖网板模型均位于试验槽内,所述拖网板模型与所述动力机构相连;
所述动力机构设置在所述试验槽的顶部并与所述控制机构相连,所述动力机构用于在所述控制机构的控制下驱动所述拖网板模型相对于所述管道模型移动;
所述调节机构设置在所述拖网板模型和/或所述管道模型上并与所述控制机构相连,用于调节所述拖网板模型与所述管道模型之间的相对位置,以使所述拖网板模型相对于所述管道模型移动时与所述管道模型发生事故;
所述测量机构与控制机构相连,用于获取所述管道模型发生事故时的损伤数据并将所述损伤数据发送至所述控制机构;
所述控制机构用于根据所述处理机构发送的控制数据发出控制指令至所述动力机构,以及发送所述损伤数据至所述处理机构;
所述处理机构用于接收试验条件设计数据,所述试验条件设计数据包括控制数据和建模数据,所述控制数据包括拖网板模型与管道模型发生事故时的速度因素和轨迹因素,所述建模数据包括拖网板模型参数因素、管道模型参数因素、管道模型铺设方式因素和拖网板模型与管道模型发生事故时的相对位置因素,所述管道模型与所述拖网板模型根据所述建模数据建立;发送所述控制数据至所述控制机构,并接收所述控制机构反馈的损伤数据;根据所述损伤数据和其对应的所述试验条件设计数据中的各因素,确定各因素与管道损伤的关系。
8.一种拖网板事故对海底管道损伤的试验装置,其特征在于,所述试验装置包括:
接收模块,用于接收试验条件设计数据,所述试验条件设计数据包括控制数据和建模数据,所述控制数据包括拖网板模型与管道模型发生事故时的速度因素和轨迹因素,所述建模数据包括拖网板模型参数因素、管道模型参数因素、管道模型铺设方式因素和拖网板模型与管道模型发生事故时的相对位置因素;
建设模块,用于根据建模数据,建立包括拖网板模型和管道模型的试验系统;
控制模块,用于根据所述控制数据,控制所述拖网板模型相对于所述管道模型移动并发生事故,获取管道模型发生事故时的损伤数据;
获取模块,用于调节所述控制数据和所述建模数据中的至少一个因素以重复事故的发生过程,并获取所述管道模型每次发生事故时的损伤数据;
确定模块,用于根据所述损伤数据和其对应的所述试验条件设计数据中的各因素,确定各因素与管道损伤的关系。
9.一种计算机设备,包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序,其特征在于,所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1至6任意一项所述的方法。
10.一种计算机可读存储介质,其特征在于,所述计算机可读存储介质存储有计算机程序,所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至6任意一项所述的方法。
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