黃 輝，杜 楊，段夢蘭，王瑩瑩

(1.中國石油化工股份有限公司 石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083；2.中國石油大學(北京)安全與海洋工程學院，北京 102249)

0 引 言

隨著我國能源需求的不斷增長，陸上及淺水資源開發(fā)已達到成熟期并開始逐步減少，而且目前深水技術發(fā)展迅猛，我國對水下油氣的開發(fā)由淺水走向深水甚至是超深海域。當前深海項目眾多，但海上工程經驗不夠成熟，現(xiàn)場實地培訓難以實現(xiàn)。因此，將虛擬仿真技術與海洋工程相結合，建立一套具有獨立自主知識產權的海洋工程模擬仿真系統(tǒng)勢在必行。

虛擬仿真系統(tǒng)功能強大、優(yōu)勢突出，已經運用到眾多行業(yè)領域中。黃壘等[1]將虛擬仿真技術應用于載人航天器總裝工藝設計。謝榮[2]研究船舶虛擬仿真技術在船舶建造評估中的應用。SMITH等[3]將虛擬仿真技術應用于醫(yī)護人員技能培訓，提升醫(yī)護人員在臨床關鍵環(huán)節(jié)中的技術水平。周琪琪[4]將虛擬現(xiàn)實技術與風電仿真技術相結合，研究基于虛擬現(xiàn)實技術的風電仿真系統(tǒng)。

本文針對海上工程建設典型實例——海底管道終端(Pipeline End Termination，PLET)的安裝，搭建相應的虛擬仿真系統(tǒng)框架，并計算結構物的水動力系數(shù)，完成下放過程的運動響應分析，所得結果對海洋工程虛擬仿真系統(tǒng)的搭建及應用具有重要的參考意義。

1 仿真系統(tǒng)總體框架搭建

虛擬仿真系統(tǒng)是面向超大規(guī)模復雜場景的分布式系統(tǒng)，在一臺服務器上無法完成如此龐大場景的虛擬再現(xiàn)，因此該系統(tǒng)在網絡體系上應采用分布式網絡架構以實現(xiàn)分布式場景繪制。在仿真系統(tǒng)多層架構的基礎上，網絡、計算服務器和圖形工作站等設備之間采用光纖連接，并通過對象鏈接與嵌入的過程控制(OLE for Process Control，OPC)接口技術進行數(shù)據傳輸?；谄鹬貦C、絞車和遙控無人潛水器(Remote Operated Vehicle，ROV)等3個模擬操作臺、2個擴展操作員站和1個教練員站輸入系統(tǒng)的操作指令信號。操作員控制模擬操作臺，通過操作臺內部的可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller，PLC)控制系統(tǒng)操縱具有物理動力學屬性的幾何模型實現(xiàn)人機交互，由動力學解算軟件Vortex進行幾何模型的碰撞監(jiān)測及動力響應計算。系統(tǒng)利用9塊拼接屏顯示器和輔助頭盔進行三維視景實時輸出，仿真系統(tǒng)總體架構如圖1所示，圖1中VP為視景仿真軟件Vega Prime。

圖1 仿真系統(tǒng)整體架構

1.1 硬件開發(fā)平臺設計

系統(tǒng)主要由操作子系統(tǒng)、顯示子系統(tǒng)、通信子系統(tǒng)、音頻子系統(tǒng)、中控子系統(tǒng)和解算子系統(tǒng)組成，各子系統(tǒng)名稱及功能如表1所示。通過高層體系結構(High Level Architecture，HLA)構建聯(lián)邦系統(tǒng)，使6個聯(lián)邦成員，即6個操作子系統(tǒng)能夠在同一個網絡平臺上進行分布式協(xié)同操作。系統(tǒng)硬件平臺如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件平臺

表1 各子系統(tǒng)名稱及功能

1.2 軟件開發(fā)平臺設計

(1)視景仿真軟件VP。視景仿真渲染工具VP是世界上領先的應用于實時視景仿真、聲音仿真和虛擬現(xiàn)實等領域的軟件平臺，VP通過渲染仿真視景數(shù)據庫實現(xiàn)虛擬環(huán)境場景的繪制渲染和交互控制[5]。

(2)動力學仿真軟件Vortex。Vortex可實時計算多體耦合系統(tǒng)動力學響應、碰撞干涉響應等高度真實的非線性動力學問題，其自帶的常用工具箱可產生多個模擬器來實現(xiàn)物體運動的仿真流程，適用于實時操作、交互式操作和三維場景實時繪制渲染的虛擬仿真。Vortex與VP可實現(xiàn)較好的集成，Vortex動力學解算能實時計算三維模型的運動和動力響應函數(shù)，同時驅動基于VP所渲染的環(huán)境場景與三維模型[6]。

(3)仿真建模軟件Creator。三維水下裝備及安裝工機具等幾何模型的建立是開發(fā)虛擬仿真系統(tǒng)的基礎步驟，Creator能有效創(chuàng)建高精度三維模型和數(shù)字地形。結合強大的plug-in體系結構及可擴展的開發(fā)工具包，Creator可為定制特殊及真實的視景內容和創(chuàng)建綜合虛擬環(huán)境提供交互式實時三維建模功能[7]。

(4)分布式仿真軟件HLA。HLA是目前國際通用分布式仿真技術的標準，致力于解決分布式仿真系統(tǒng)的互操作性和重用性。HLA不考慮如何由對象構建聯(lián)邦成員，而是在假設已有成員的情況下構建聯(lián)邦系統(tǒng)[8]，可較好地解決仿真系統(tǒng)的實時協(xié)同交互與擴展重用問題[9]。

2 PLET安裝工藝

2.1 基礎環(huán)境數(shù)據

針對項目課題《南大西洋兩岸重點盆地油氣勘探開發(fā)關鍵技術》進行基礎數(shù)據調研，基于研究背景——巴西Jupiter油田，確定相關環(huán)境參數(shù)及安裝過程所需的工機具參數(shù)，具體參數(shù)如表2所示。

表2 環(huán)境與安裝工機具參數(shù)及要求

2.2 三維裝備建模

根據安裝實例中所需模型，利用專業(yè)建模軟件SolidWorks建立與實際工程裝備對應的三維幾何模型，模型文件格式為.stl。將.stl文件導入Creator軟件，進行模型面片修補及外觀貼圖上色，輸出文件格式為.flt。在完成建模后，利用Vortex Editor建立相應的物理模型，即給三維模型設置相應的碰撞檢測屬性和運動約束關系，使模型的運動更符合實際規(guī)律，增強虛擬系統(tǒng)的物理真實性，具有物理屬性的幾何模型文件以.vxm格式輸出。所建立的虛擬模型如圖3所示。

圖3 三維幾何建模

2.3 安裝工藝流程

PLET安裝主要步驟如下：

(1)采用3點吊裝法起吊PLET；

(2)主起重機與輔助起重機同時起吊，完成PLET反轉作業(yè)；

(3)完成PLET在平臺上的對中定位；

(4)利用焊機焊接PLET與管線；

(5)控制起重機將PLET沿船邊平移吊至安裝船外側停止；

(6)絞車繩連接在三孔板上，形成PLET、主起重機與絞車三者的連接；

(7)下放PLET使其快速通過飛濺區(qū)；

(8)當PLET上端位于海平面以下約15 m時，絞車停止放纜，起重機放纜，實現(xiàn)載荷轉換，操作ROV將起重機纜繩與三孔板分離；

(9)系統(tǒng)進行深水下放作業(yè)；

(10)當PLET下端距海底約30 m時，減慢下放速度，直至停止。操作ROV解除YOKE臂與防塵版的固定螺栓，YOKE臂繞鉸接點自由旋轉，完成余下的平放操作；

(11)絞車緩慢放纜，操作ROV調整PLET姿態(tài)，保證PLET在指定位置安全著陸；

(12)操作ROV完成索具的解鎖與輔助繩的釋放；

(13)絞車收纜，回收吊索與輔助定位工具。

為清晰直觀地展示PLET安裝工藝流程，使用三維動畫渲染和制作軟件3ds MAX制作相關流程動畫，并提取其中的關鍵步驟如圖4所示。

圖4 PLET安裝工藝流程

3 基于水動力解算的物理仿真

在虛擬仿真系統(tǒng)開發(fā)過程中，利用ICEMCFD軟件對水下結構物與流體區(qū)域進行幾何建模和網格劃分，然后通過專業(yè)水動力學計算分析平臺Fluent對水下作業(yè)流場進行數(shù)值模擬，獲取結構物水動力系數(shù)，再將其輸入專業(yè)海洋工程動力學分析軟件OrcaFlex，進行PLET下放過程中船-纜-體多體耦合系統(tǒng)的運動及動力響應數(shù)值計算。所得結果可大幅提高虛擬仿真系統(tǒng)模擬結果的逼真性與精確性，并對仿真系統(tǒng)的人員操作產生重要的指導作用。

3.1 水動力系數(shù)計算

在ICEMCFD中建立流體域模型，其尺寸為PLET外形的10倍，即長方體流場的長、寬、高分別為100.0 m、42.0 m、26.9 m。通過ICEMCFD進行非結構網格劃分，得到四面體非結構網格數(shù)為2 316 868個。流場網格劃分如圖5所示。

圖5 PLET及其流域網格圖

在外部流速分別為0.1 m/s，0.2 m/s，…，1.0 m/s時PLET的受力如圖6所示。采用最小二乘法對數(shù)據進行擬合并無因次化處理后得到PLET在3個方向上的拖曳力因數(shù)分別為CD，x=1.334、CD，y=1.323、CD，z=2.148。

圖6 不同流速下PLET受力圖

利用Fluent動網格技術，模擬結構物在無黏流場中按設定的運動規(guī)律進行非定常運動，監(jiān)測流體對物體的阻力，由于流體無黏，該阻力即為物體運動引起的附加質量力[10]。通過Fluent計算監(jiān)測3個方向上的附加質量力，對監(jiān)測結果進行傅里葉轉換可得PLET在x、y、z方向上的附加質量因數(shù)分別為λ1=10.966、λ2=0.194、λ3=0.183，通過與經驗值比較[11]，計算結果良好，可用于船-纜-體多體耦合系統(tǒng)的運動分析。

3.2 船-纜-體多體耦合系統(tǒng)數(shù)值模擬

基于OrcaFlex對PLET穿越飛濺區(qū)階段進行時域數(shù)值模擬分析，重點分析下放過程中PLET的運動響應。當下放時間為0 s≤t≤150 s時，PLET下放速度為0.5 m/s；當下放時間為150 s

圖7 PLET在x方向上的位移時程

圖8 PLET在y方向上的位移時程

圖9 PLET在z方向上的位移時程

圖10 PLET在x方向上的速度時程

圖11 PLET在y方向上的速度時程

圖12 PLET在z方向上的速度時程

圖13 PLET在x方向上的加速度時程

圖14 PLET在y方向上的加速度時程

圖15 PLET在z方向上的加速度時程

由圖7～圖9可知：在PLET入水階段x、y、z方向上的位移波動較大，主要因為在入水階段海上環(huán)境載荷復雜，安裝作業(yè)工況惡劣，多體系統(tǒng)受風浪流聯(lián)合作用，加劇PLET在3個方向上的波動，從而要求PLET通過飛濺區(qū)時應加快下放速度。圖10～圖15有助于在虛擬仿真操作過程中對結構物的下放速度與運動姿態(tài)進行控制。基于水動力的物理仿真結果，操作員在實際操作時，能更好地控制結構物的下放速度、加速度和位移，從而對虛擬仿真過程起到重要的指導作用。此外，-20～0 s為設置的環(huán)境系統(tǒng)初始構建過程，即環(huán)境參數(shù)由系統(tǒng)初始值增加至設定值的過程。

3.3 虛擬仿真整體流程

基于安裝工藝流程，由操作子系統(tǒng)發(fā)布PLET下放安裝的各項指令，操作子系統(tǒng)包括1套教練員站和5套操作員站(起重機、絞車、ROV操作員站和2個擴展操作員站)。操作人員根據編制的工藝腳本，控制仿真操作臺進行基于HLA的多人協(xié)同分布式仿真操作，生成操作場景指令，由OPC接口協(xié)議傳輸至解算子系統(tǒng)。解算子系統(tǒng)根據操作指令及VP中設置的海上作業(yè)環(huán)境參數(shù)，進行仿真場景的實時動力學計算并生成相應三維視景。該仿真系統(tǒng)基于VP軟件平臺對模擬場景進行實時繪制及渲染，并由顯示子系統(tǒng)輸出視景信號，再現(xiàn)大規(guī)模復雜場景的海上作業(yè)環(huán)境。

4 結 論

(1)設計分布式多人協(xié)同虛擬仿真方案，采用HLA構建聯(lián)邦系統(tǒng)，使6個聯(lián)邦成員在同一個網絡平臺上進行交互操作，實現(xiàn)虛擬仿真硬件系統(tǒng)的搭建。

(2)利用三維建模軟件Creator、動力學實時解算軟件Vortex、三維視景仿真軟件VP模塊組合的優(yōu)越性，搭建虛擬仿真的軟件平臺系統(tǒng)。

(3)為了使虛擬仿真結果具有實時性、準確性與可靠性，更好地指導仿真操作員完成海上工程建設、投產及生產維修操作，采用基于ICEMCFD的數(shù)值方法，模擬三維流場獲取水下結構物準確的水動力系數(shù)，再通過OrcaFlex開展船-纜-體多體耦合系統(tǒng)下放模擬，獲得結構物安裝過程的運動響應結果。

(4)基于PLET下放安裝典型海上工程建設實例，詳細闡述該虛擬仿真系統(tǒng)的整體操作流程，研究結果對其他水下裝備安裝維修過程的仿真具有重要指導作用。