范偉寧 陳紅衛(wèi) 郭明凱 張 巖 張 杰 于婷婷

(江蘇科技大學(xué)電子信息學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

海洋平臺姿態(tài)模擬與監(jiān)測系統(tǒng)

范偉寧 陳紅衛(wèi) 郭明凱 張 巖 張 杰 于婷婷

(江蘇科技大學(xué)電子信息學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

受風(fēng)、浪、流的影響，海洋平臺在縱蕩、橫蕩、升沉、橫搖、縱搖和首搖6個自由度產(chǎn)生運(yùn)動，嚴(yán)重時將威脅其安全。為分析與控制海洋平臺，設(shè)計了由監(jiān)控臺、虛擬仿真機(jī)和模擬平臺組成的模擬與監(jiān)測系統(tǒng)。采用LabVIEW、Matlab/Simulink和3DMAX完成系統(tǒng)研發(fā)工作,監(jiān)控臺具有實時顯示參數(shù)、報警和3D模型，查詢歷史記錄等功能,虛擬仿真機(jī)可產(chǎn)生不同虛擬海況,模擬平臺能反映姿態(tài)變化。系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)配置靈活、使用方便等特點。仿真表明，系統(tǒng)滿足功能要求。

海洋平臺 姿態(tài)模擬 虛擬仿真 參數(shù)監(jiān)測 LabVIEW 建模

0 引言

加速海洋油氣資源開發(fā)已是各國未來能源戰(zhàn)略的重中之重。隨著世界各國加強(qiáng)對海洋資源的開發(fā)，各類海洋平臺的需求量大幅上升[1]。而海洋平臺結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積龐大、造價昂貴，工作環(huán)境十分復(fù)雜和惡劣。復(fù)雜海洋環(huán)境的風(fēng)、浪和流嚴(yán)重威脅平臺的安全[2]。姿態(tài)與環(huán)境監(jiān)測是實際海洋平臺應(yīng)用中不可缺少的組成部分。目前，國際市場上同類產(chǎn)品基本被國外幾大公司所占據(jù)。姿態(tài)模擬與平臺虛擬仿真能為海洋平臺的研制與建造，以及海洋平臺定位系統(tǒng)的研究與試驗提供仿真環(huán)境。因此，海洋平臺姿態(tài)模擬與監(jiān)測系統(tǒng)的研制具有重要的意義。

本文在調(diào)研國外產(chǎn)品的基礎(chǔ)上，結(jié)合實際需求，采用LabVIEW、Matlab及3DMAX等軟件，設(shè)計海洋平臺姿態(tài)模擬與監(jiān)測系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

為充分反映實際產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和功能，便于模擬系統(tǒng)的靈活推廣應(yīng)用和實際需求，本系統(tǒng)設(shè)計成相對獨立的3部分，即監(jiān)控臺、虛擬仿真機(jī)和實物模擬機(jī)。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖與信息流向如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

監(jiān)控臺相當(dāng)于實際海洋平臺中使用的監(jiān)測系統(tǒng)，它與虛擬仿真機(jī)及模擬機(jī)之間進(jìn)行信息交換,按工程應(yīng)用需求設(shè)計與實現(xiàn)系統(tǒng)。當(dāng)真實海洋與平臺取代虛擬仿真機(jī)及模擬機(jī)時，配置必要傳感器，監(jiān)控臺就能完成監(jiān)測任務(wù)。虛擬仿真機(jī)包含了虛擬海洋環(huán)境仿真和虛擬平臺運(yùn)動仿真。虛擬海洋環(huán)境仿真是通過人機(jī)交互界面設(shè)置環(huán)境參數(shù)，由風(fēng)、浪、流模型完成各種海況的仿真；虛擬平臺運(yùn)動仿真是在海洋環(huán)境擾動下平臺模型的6自由度的運(yùn)動仿真。實物模擬機(jī)采用6自由度搖擺臺HT-6DOF-500，按比例體現(xiàn)平臺的姿態(tài)變化。

這種結(jié)構(gòu)相對獨立的設(shè)計方法，使得系統(tǒng)應(yīng)用靈活。例如監(jiān)測海洋環(huán)境與平臺姿態(tài)，選用監(jiān)控臺進(jìn)行擴(kuò)展即能滿足要求；再如測試海洋平臺性能，選用虛擬仿真機(jī)即可。

1.2 系統(tǒng)主要功能

系統(tǒng)主要功能說明如下。

(1)實時顯示海洋環(huán)境參數(shù)值與海洋平臺姿態(tài)參數(shù)值以及姿態(tài)趨勢曲線。

(2)采用3D模型與HT-6DOF-500 6自由度搖擺臺模擬海洋平臺姿態(tài)變化。

(3)修改海況參數(shù)值以及海洋平臺工作區(qū)域參數(shù)值。

(4)產(chǎn)生虛擬海況，能仿真海洋平臺的運(yùn)動。

(5)顯示報警信息，查詢歷史數(shù)據(jù)與報警數(shù)據(jù)。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 設(shè)計目標(biāo)

系統(tǒng)設(shè)計目標(biāo)說明如下。

(1)監(jiān)測影響平臺運(yùn)動的海洋環(huán)境因素(風(fēng)、浪、流的參數(shù))以及海洋平臺姿態(tài)，監(jiān)視海洋平臺報警信息，并以多種形式表現(xiàn)海洋平臺姿態(tài)與報警信息。

(2)設(shè)置風(fēng)、浪、流環(huán)境參數(shù)，模擬產(chǎn)生不同的海洋環(huán)境。計算海洋平臺的水動力，計算不同風(fēng)、浪、流環(huán)境因素下海洋平臺的動力響應(yīng)。

(3)在實物HT-6DOF-500 6自由度搖擺臺上實現(xiàn)海洋平臺6自由度的運(yùn)動模擬，再現(xiàn)海洋平臺的姿態(tài)。

2.2 設(shè)計方案與方法

監(jiān)控臺設(shè)計框圖如圖2所示。

圖2 監(jiān)控臺設(shè)計框圖

監(jiān)控臺包含參數(shù)設(shè)置、參數(shù)實時顯示、參數(shù)趨勢顯示、3D動態(tài)模擬顯示、歷史數(shù)據(jù)顯示、信息處理與安全分析、報警信息顯示、通信以及數(shù)據(jù)庫等模塊。

海洋環(huán)境與平臺虛擬仿真機(jī)設(shè)計框圖如圖3所示，包含了參數(shù)設(shè)置、風(fēng)浪流模型、海洋平臺模型以及通信等模塊。

圖3 虛擬仿真機(jī)設(shè)計框圖

本文的海洋平臺選取半潛式鉆井平臺。

2.2.1 監(jiān)測顯示

監(jiān)測顯示包含了參數(shù)實時顯示、參數(shù)趨勢顯示和3D動態(tài)模擬顯示3個模塊，主要采用LabVIEW編程實現(xiàn)。監(jiān)控臺利用以太網(wǎng)TCP/IP協(xié)議建立與虛擬仿真機(jī)及模擬機(jī)的通信，接收虛擬仿真機(jī)的實時仿真數(shù)據(jù)包，提取各參數(shù)數(shù)據(jù)。實時數(shù)據(jù)寫至顯示控件與圖形控件，實現(xiàn)參數(shù)實時顯示與趨勢顯示。此外，在3DMAX中分別建立海平面、半潛式鉆井平臺3D模型，以.wrl文件格式導(dǎo)出3D模型文件，再由LabVIEW的三維圖片顯示控件導(dǎo)入.wrl文件，組合背景圖片，形成所需的組合3D模型。實時數(shù)據(jù)控制組合3D模型按絕對比例運(yùn)動，實現(xiàn)3D動態(tài)模擬顯示。2.2.2 數(shù)據(jù)通信

監(jiān)控臺、虛擬機(jī)以及實物模擬機(jī)之間依靠數(shù)據(jù)通信完成信息的交流。LabVIEW利用TCP/IP 協(xié)議，采用客戶機(jī)(Client)和服務(wù)器(Server)的模式，按照預(yù)先約定的數(shù)據(jù)包格式實現(xiàn)三者之間的數(shù)據(jù)通信。LabVIEW為用戶提供功能TCP 節(jié)點，以實現(xiàn)基于TCP 協(xié)議的局域網(wǎng)通信。TCP 節(jié)點包括Connection 節(jié)點、Transmission 節(jié)點以及Conversion 節(jié)點。雙機(jī)TCP通信流程如圖4所示。

圖4 雙機(jī)TCP通信流程

2.2.3 海洋環(huán)境與平臺模型

海洋環(huán)境和平臺模型相對較復(fù)雜，利用 Matlab/Simulink 強(qiáng)大的建模功能、RTW(real-time workshop)工具箱以及海洋系統(tǒng)模擬器(marine systems simulator，MSS)建立實時海洋環(huán)境與平臺模型[3-6]，再由SIT(simulation interface toolkit)工具包應(yīng)用于LabVIEW程序[7]。

① 環(huán)境載荷[8-9]。 風(fēng)產(chǎn)生力的模型如式(1)所示。

(1)

式中:ρa(bǔ)為空氣質(zhì)量密度;Vrw為風(fēng)速；γrw為相對于平臺的風(fēng)壓角；C為各個方向的風(fēng)阻力系數(shù)；A為前、后投影面積；Loa為兩柱間距離；H為前、后水線上的質(zhì)心高度。

海浪對平臺的影響可考慮一階波浪力和二階波浪力。一階波浪力使平臺產(chǎn)生波頻運(yùn)動力，僅導(dǎo)致平臺周期性的振蕩；二階波浪力使平臺偏離預(yù)定位置產(chǎn)生難以恢復(fù)的漂移，但對平臺的豎直面內(nèi)的運(yùn)動如縱搖、橫搖和升沉無明顯影響。

一階波浪力F(t)如式(2)所示。

(2)

式中：h1(τ),h2(τ1，τ2)分別表示一階脈沖響應(yīng)函數(shù)和二階脈沖響應(yīng)函數(shù)。

二階波浪力的函數(shù)描述如式(3)所示。

(3)

流載荷是最為穩(wěn)定的一種環(huán)境載荷。流的速度隨著水深的增加而減小。在實際應(yīng)用中，流速變化不大，為簡化起見本文認(rèn)為流速為定常。

② 平臺模型。海洋平臺的模型如式(4)所示。

(4)

2.2.4 數(shù)據(jù)庫

數(shù)據(jù)庫用于存放監(jiān)測數(shù)據(jù)和報警信息。通過LabVIEW的Microsoft ADO 控件、LabSQL以及ODBC接口函數(shù)庫驅(qū)動程序?qū)崿F(xiàn)對數(shù)據(jù)庫的訪問。利用LabSQL工具包將實時數(shù)據(jù)與報警信息寫入Access數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)姿態(tài)信息與報警信息的存儲。利用LabSQL工具包讀取Access數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)歷史曲線與報警信息的顯示和查詢功能。

LabSQL訪問數(shù)據(jù)庫的基本步驟[10]如下。

① 通過ADO Create.vi創(chuàng)建一個Connection對象，利用ADO Connection Open.vi建立與數(shù)據(jù)庫的連接，數(shù)據(jù)庫字符串ConnectionString“DSN=myDB”。myDB是在Windows ODBC數(shù)據(jù)源中創(chuàng)建的一個DSN，并與想要連接的數(shù)據(jù)庫進(jìn)行連接。

② 利用ADO Recordset Create.vi創(chuàng)建一個Recordset對象，再利用ADO Recordset Open.vi打開Recordset對象，同時利用SQL查詢命令獲得數(shù)據(jù)庫表中的全部或部分記錄。

③ 通過功能選擇按鈕來選擇控制對數(shù)據(jù)庫的操作(查詢、添加、刪除、修改)。

④ 利用ADO Recordset Close.vi和ADO Connection Close.vi關(guān)閉與數(shù)據(jù)庫之間的連接。

2.2.5 實物模擬平臺運(yùn)動

實物HT-6DOF-500 6自由度搖擺臺采用PLC、MP-C152與MP-C154運(yùn)動控制卡及其對應(yīng)的軟件控制其運(yùn)動，采用6個伺服電動缸驅(qū)動各個自由度，對外提供了6自由度單個動作的動態(tài)連接庫文件(.dll文件)。對提供的.dll文件進(jìn)行分析研究，采用以太網(wǎng)TCP/IP通信協(xié)議，編寫LabVIEW應(yīng)用程序。應(yīng)用程序能從虛擬仿真機(jī)中取得平臺姿態(tài)值，通過初始化、運(yùn)動參數(shù)傳遞等手段調(diào)用.dll文件，實現(xiàn)HT-6DOF-500模擬海洋平臺姿態(tài)變化。

2.2.6 信息處理與安全分析

信息處理的主要內(nèi)容是設(shè)計濾波器。濾波器能過濾高頻波成分，減小一階波浪力的擾動。安全分析主要內(nèi)容是報警與報警分析，包括平臺位置與姿態(tài)、錨泊線的張力等超出規(guī)定范圍的報警與分析，并將報警信息保存于數(shù)據(jù)庫，為后續(xù)處理提供依據(jù)。

3 系統(tǒng)測試

測試的海洋平臺為半潛式平臺，自重51 979.8 t，長度115 m，寬度80 m。

3.1 虛擬仿真機(jī)

采用一臺PC機(jī)實現(xiàn)虛擬仿真機(jī)。利用Wamit軟件計算測試平臺的環(huán)境載荷，得到類似MSS系統(tǒng)中的“semisub.mat”與“semisubABC.mat”格式的數(shù)據(jù)文件。虛擬仿真機(jī)的測試步驟：① 在Matlab/Simulink環(huán)境下對建模完成的虛擬仿真機(jī)進(jìn)行測試，觀察是否符合要求；② 測試Simulink模型由SIT應(yīng)用于LabVIEW后是否能正常工作，包括參數(shù)匹配；③ 建立通信，測試虛擬仿真機(jī)與監(jiān)控臺的通信及數(shù)據(jù)格式是否符合要求。

圖5是虛擬仿真測試的曲線示例。圖5(a)是有義浪高設(shè)為2 m時浪高的曲線，曲線中的離散值即是監(jiān)控臺實時顯示的海洋環(huán)境浪高數(shù)值，采樣周期取為2 s。圖5(c)是平臺定位系統(tǒng)正常工作時6個自由度在環(huán)境干擾情況下的運(yùn)動曲線示例，它是實物模擬平臺運(yùn)動的依據(jù)。圖5(b)是以橫蕩為橫坐標(biāo)，縱蕩為縱坐標(biāo)采用圖5(c)中的數(shù)據(jù)繪出的，反映平臺在800 s內(nèi)平面位置的變化情況。由圖5(b)可以看出定位位置在(0，0)點，但由于海洋環(huán)境干擾，被測平臺運(yùn)動在(0，0)附近的一定范圍內(nèi)。

圖5 仿真測試曲線

3.2 監(jiān)控臺

采用一臺PC機(jī)通過LabVIEW編程[11-12]實現(xiàn)監(jiān)控臺。監(jiān)控臺測試步驟：① 單獨測試LabVIEW程序功能模塊，包括參數(shù)的設(shè)置、海洋平臺3D模型的調(diào)用與運(yùn)動控制以及3D動態(tài)模擬顯示、實時參數(shù)的顯示、參數(shù)趨勢曲線的顯示、報警與分析、數(shù)據(jù)庫存取功能；歷史數(shù)據(jù)的顯示等；② 測試監(jiān)控臺每個功能按鍵的功能；③ 建立通信，測試監(jiān)控控制臺與虛擬仿真機(jī)以及實物模擬平臺之間的數(shù)據(jù)通信和數(shù)據(jù)格式；④ 測試實時仿真時監(jiān)測系統(tǒng)的各種功能。監(jiān)測界面由4個區(qū)組成，左上部分為3D動態(tài)模擬顯示，平臺模型隨6自由度值變化而運(yùn)動，海平面也動態(tài)變化，天空不變；左下部分是功能按鍵，可進(jìn)入對應(yīng)的功能操作界面；右上部分實時顯示參數(shù)，其參數(shù)名也被用作按鈕，點擊可查看對應(yīng)參數(shù)的趨勢曲線；右下部分為指示燈，顯示平臺是否工作在正常范圍內(nèi)。

3.3 實物模擬機(jī)

實物模擬機(jī)的測試步驟：① 利用模擬機(jī)設(shè)置各自由度的控制量，單獨測試6自由度搖擺臺HT-6DOF-500每個自由度的運(yùn)動控制程序，觀察是否按要求進(jìn)行運(yùn)動控制；② 建立通信關(guān)系，測試模擬機(jī)與監(jiān)控臺以及虛擬機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信程序，觀察通信數(shù)據(jù)值以及格式是否符合要求；③ 測試由監(jiān)控臺發(fā)送的數(shù)據(jù)控制實物模擬平臺單自由度運(yùn)動的程序，觀察平臺移動是否符合要求；④ 在前3步都符合測試結(jié)果的前提下，測試由監(jiān)控臺發(fā)送的實時仿真數(shù)據(jù)控制實物模擬平臺6自由度運(yùn)動的程序，觀察實物模擬機(jī)是否正常工作。

測試結(jié)果表明：編寫的LabWIEW程序能夠控制6自由度搖擺臺HT-6DOF-500運(yùn)動，模擬反映海洋平臺的姿態(tài)變化。

4 結(jié)束語

海洋平臺是海上作業(yè)、石油鉆探與生產(chǎn)所需的平臺。海洋平臺姿態(tài)模擬與監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)中應(yīng)用了LabVIEW在系統(tǒng)集成、實時、豐富的人機(jī)界面設(shè)計等方面的優(yōu)點;并結(jié)合Simulink的建模優(yōu)勢以及3DMAX在三維仿真建模具有的強(qiáng)渲染效果等優(yōu)點，充分利用了LabVIEW的接口工具，如串行通信、TCP/IP協(xié)議、SIT、動態(tài)連接庫調(diào)用等功能，解決不同編程語言之間的數(shù)據(jù)接口問題，縮短實時仿真系統(tǒng)的開發(fā)周期、降低開發(fā)成本；顯示中采用了三維圖形，使監(jiān)測系統(tǒng)更加直觀、形象、生動。系統(tǒng)完成了預(yù)先的設(shè)計目標(biāo)，對監(jiān)測類系統(tǒng)的設(shè)計與測試應(yīng)用具有借鑒作用。

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Attitude Simulation and Monitoring System for Offshore Platform

Affected by wind, wave, and water flow, the offshore platform is in motion in six degrees of freedom, i.e., surge, sway, heave, roll, pitch and yaw, these seriously threat to its security. In order to analyze and control the offshore platform, the simulation and monitoring system is designed, the system consists of the monitoring console, virtual simulator, and emulated platform. The job of system development is accomplished by using LabVIEW, Matlab/Simulink and 3DMAX. The monitoring console undertakes functions of real time display of parameters, alarm and 3D model, historical records inquiry, etc.the virtual simulator generates various virtual sea conditions,the emulated platform reflects attitude change. The system features flexible configuration and easy to operate. The simulation shows that the system meets functional requirements.

Offshore platform Attitude simulation Virtual simulation Parameters monitoring LabVIEW Modeling

江蘇省產(chǎn)學(xué)研聯(lián)合創(chuàng)新基金資助項目(編號：BY2013066-08);

江蘇高校高技術(shù)船舶協(xié)同創(chuàng)新/江蘇科技大學(xué)海洋裝備研究院科研基金資助項目(編號：1634871401-06)。

范偉寧(1993-)，男，現(xiàn)為江蘇科技大學(xué)測控技術(shù)與儀器專業(yè)在讀本科生；主要從事海洋、船舶監(jiān)測系統(tǒng)方面的研究

TP23

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201510013

修改稿收到日期：2015-04-02。