一种海上重大作业仿真系统

1.本发明涉及海洋石油工程技术领域，具体为一种海上重大作业仿真系统。


背景技术：

2.随着海洋资源开采逐步从近浅海区域走向远深海区域，海洋环境条件变得越来越恶劣，海洋平台及其人员的安全是平台施工安装和作业的第一考虑因素。
3.现有的平台施工在进行之前，需要事先是利用计算机仿真技术对海上作业方案进行预演评估，通过对仿真过程中海洋装备状态信息分析研究，来确保工作人员的安全性，但是这种仿真技术在实际使用时，由于海洋平台外部突发因素较多，因此无法确保系统框架能够同步仿真模型完成预演评估，降低了风险点分析预判的准确性，为此提出一种新型系统以解决上述存在的问题。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种海上重大作业仿真系统，以解决上述背景技术中提出的问题。
5.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种海上重大作业仿真系统，包括半潜式平台大合龙方案预演、半潜式平台拖航方案预演、半潜式平台系泊回接方案预演、半潜式平台scr安装方案预演、人员培训、仿真预演与评估、风险预判和数据通讯框架等系统功能：
6.所述潜式平台大合龙方案预演、半潜式平台拖航方案预演、半潜式平台系泊回接方案预演和半潜式平台scr安装方案预演的内部分别安装有一个软硬件模块，软硬件模块包括：
7.数值作业模型：包含半潜式平台六自由度数值仿真数学模型，基于集中质量法与morsion方程构建的系泊缆拉力仿真计算数学模型,基于集中质量法与morsion方程构建的钢悬链线立管拉力仿真计算数学模型；
8.rov模拟器：包括rov水动力模型、六自由度运动数学模型、推力控制数学模型，实时接收操控指令和环境参数并解算rov的推力分配与运动姿态，真实的反映rov在常规与应急工况下的运动特性，与实际rov布局与功能一致的操控台、多功能机械手操控手柄、信号采集与转换设备，构建逼真硬件模拟操作环境，具有操纵控制、报警和显示等功能；
9.船舶动力定位仿真操作台：包括测量系统、控制系统、推进器系统、动力系统与仿真操作台五部分组成，其中由计算机组成的控制系统是整套系统的核心部分，船舶的位置和艏向通过船舶模型、位置参考系统和电罗经的测量以及作用在船舶上的力经过状态观测器估计获得，仿真操作台包含joystick控制柄、定深定向功能面板、报警面板、传感器控制面板；
10.沉浸式投影系统：包括360度球形图像生成系统、180度半球图像生成系统；通过图像边缘融合、亮度矫正实时的对多路图像信号进行拼接，三维几何模型库、缆绳软体实时软
选模块、实时三维图像渲染模块，实时、动态地渲染生成作业三维场景图像；
11.海洋环境仿真模型：包括海浪、海风、海流等数学模型，根据训练科目信息，实时提供各作业工况下的风、浪、流等海洋环境信息；
12.综合管理与评估软件：包括常规科目设计、系统运行管理，为教练员提供科目设计、训练控制等功能；
13.拖轮操控仿真控制台：包括360度全回转推进器手柄、舵向控制手柄、虚拟操控触控屏、plc信息采集与信号转化模块；
14.通用吊机座椅：包括音频通讯设备、虚拟操控触摸屏、吊机控制手柄、物理面板按钮、plc信息采集与信号转化模块；
15.平台绞车操控仿真软件：接收船舶半物理仿真操控台中的手柄操控信号；显示绞车的运行状态信息。
16.更进一步地，人员培训中的具体步骤如下：
17.a1、依照培训目标使用综合管理与评估软件生成仿真科目；
18.a2、沉浸式投影系统为作业人员提供模拟海上施工的图像；
19.a3、使用rov模拟器、通用吊机座椅、船舶动力定位仿真操作台、通用拖轮操控仿真控制台作为人机交互接口；
20.a4、培训过程中使用数值作业模型提供真实的物理特效。
21.更进一步地，仿真预演与评估的具体步骤如下：
22.a综合管理与评估软件配置方案预演科目并发出系统运行控制指令；
23.b作业人员操作通用吊机座椅中的物理手柄与面板按钮，转换后的操控指令；
24.c海洋环境仿真模型发布的风浪流信息进入数值仿真作业模型、船舶动力定位仿真操作台；
25.d实时解算吊机吊绳收放和作业过程中的作业船舶六自由度、半潜式平台六自由度运动参数；
26.e可视化仿真系统接收作业船舶运动参数、风浪流信息，实时渲染海上作业场景。
27.更进一步地，软件模块功能如下：
28.b1、假定作业工况并使用综合管理与评估软件生成仿真科目；
29.b2、运行仿真科目，量化分析仿真过程中数值作业模型的计算结果与沉浸式投影系统渲染图像是否存在干涉碰撞、缆绳拉力超于阈值等风险点。
30.更进一步地，软件模块的特征如下：
31.c1、是一种基于以太网协议交换数据，去中心化节点形式架构；
32.c2、通过使用发布/订阅模式，提供强一致性的仿真逻辑时间同步接口；
33.c3、采用网络连接监测工作线程使用ping-pong机制定时监测与其他节点之间的网络连接。
34.更进一步地，软件模块系统中包含的仿真节点个数至少为2个，所有的仿真节点均处于对等地位。
35.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
36.该海上重大作业仿真系统，相比较现有技术，通过采用实时刚柔混合多体动力学建立数字作业仿真模型，使用半物理仿真操控台提供真实的人机交互操作，再用强时间一
致性分布式通讯框架同步仿真模型与物理操作台的设置，以此保证时间相关事件的逻辑一致性的设置，实现了提高半潜式平台安装作业的仿真精度，增强干涉碰撞、管线形态与拉力预警风险点预判的可信度。
附图说明
37.图1为海上重大作业仿真系统组成示意图。
具体实施方式
38.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
39.需要说明的是，在本发明的描述中，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，并不是指示或暗示所指的装置或元件所必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
40.此外，应当理解，为了便于描述，附图中所示出的各个部件的尺寸并不按照实际的比例关系绘制，例如某些层的厚度或宽度可以相对于其他层有所夸大。
41.应注意的是，相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义或说明，则在随后的附图的说明中将不需要再对其进行进一步的具体讨论和描述。
42.如图1所示，本发明提供一种技术方案：一种海上重大作业仿真系统，包括半潜式平台大合龙方案预演、半潜式平台拖航方案预演、半潜式平台系泊回接方案预演、半潜式平台scr安装方案预演、人员培训、仿真预演与评估、风险预判和数据通讯框架等系统功能：
43.需要说明的是，其中潜基于以太网协议构建发布/订阅形式的数据通讯框架，其具体实现可以采用ros2、hla、dds、rtps等中间件；数据通讯框架需要提供强时间同步接口；
44.需要进一步说明的是，设计方案预演仿真模块，包括但不限于半潜式平台大合龙、半潜式平台拖航、半潜式平台海上系泊回接、半潜式平台海上scr安装等方案预演模块；
45.还需要说明的是，设计仿真系统通讯协议，描述物体自身特征的属性信息定义为对象类；物体自身产生的活动或动作定义为交流类。数据通讯协议使用对象属性表，其中必须包括但不限于的字段：属性英文名、属性字节长度、属性类型、属性有效值范围、属性描述等；
46.此外需要注意的是，仿真系统通讯框架采用服务段/客户端架构形式，在每台参与仿真的计算机上运行数据采集客户端，仿真程序通过http协议与数据采集客户端进行数据交换、仿真逻辑时间同步；数据采集客户端使用中间件将数据、时间同步请求上报至服务端；
47.需要说明的是，其中服务端在收到交换数据后，基于通讯协议的发布订阅规则，将数据传送到相应的数据采集客户端；数据采集客户端通过http传送数据到仿真应用程序。
48.需要强调是，服务端统一调度所有时间推进请求，使用帧同步技术同步所有仿真
客户端的逻辑时间；
49.需要说明的是，其中使用pdms针对半潜平台进行三维设计及建模；并根据仿真模块将pdms模型不同部件按需导出：半潜平台大合龙分为上部组块、下部船体两部分导出；拖航将半潜平台整体导出；半潜平台海上系泊回接安装将系泊缆、半潜平台导出；半潜平台scr回接安装导出scr、半潜平台；
50.需要说明的是，其中采用理论推导与数值计算手段建立仿真数值模型：分别建立基于时域理论的半潜式平台实时运动学模型、系泊系统动力学模型、scr系统动力学模型、拖轮拖航动力学模型；
51.需要说明的是，其中拟仿真施工方案所涉及的作业设备，包括但不限于：水下机器人及机械臂、拖轮及甲板绞车、压载系统、吊机、锚机等；
52.需要说明的是，其中使用实时渲染引擎开发三维视景仿真子系统，并通过数据通讯框架接收仿真数值模型解算结果，驱动三维模型渲染；
53.需要说明的是，其中作业人员通过操控作业设备仿真软件，与仿真数值模型进行人机交互。
54.需要注意的是，在本技术提供的实施例中，半潜式平台大合龙的流程如下所示：
55.流程一、综合管理与评估软件配置作业工况，初始化船体、吊机、锚机、压载等仿真设备/系统状态，并通过数据通讯框架将科目信息发送至三维视景仿真与仿真数值模型；
56.流程二、仿真子系统完成状态初始化后，综合管理与评估软件控制仿真系统运行；
57.流程三、作业人员操作压载仿真软件，调配船体压载水，满足船体进坞吃水要求；
58.流程四、作业人员操作绞车仿真软件，实时计算绞车拉力，并使用数据通讯框架传递拉力数据至仿真数值模型；
59.流程五、仿真数据模型通过数据通讯框架接收绞车拉力，计算船体六自由度运动结果，并使用数据通讯框架传递六自由度数据到三维视景仿真子系统；
60.流程六、三维视景仿真子系统通过数据通信框架接收作业工况初始信息、船体等六自由度运动结果，变换三维模型位姿，检测船体与船坞滑道的最小间距；
61.流程七、作业人员操作吊机仿真软件，下落上部组块，组块位姿数据通过数据通信框架传递至三维视景仿真与仿真数值模型；
62.流程八、三维视景仿真子系统使用数据通信框架接收上部组块位姿、船体六自由度信息，变换三维模型位姿，实时计算组块导向与船体锥形十字结构中心点偏移距离，并输出渲染画面与辅助信息；
63.流程九、作业人员观测三维视景输出的画面与辅助信息，重复g-i步骤，直至上部组块与船体接触，作业人员观测下部船体吃水情况，对船体压载进行调配使得吃水满足施工要求，并将力矩、船体重心等信息使用数据通信框架传递至仿真数值模型、三维视景仿真子系统；
64.流程十、仿真数模使用数据通信框架接收力矩、船体重心等信息，计算船体六自由度运动结果，并使用数据通信框架传递至吊机仿真软件；
65.流程十一、吊机仿真软件使用数据通信框架接收到船体六自由度信息，计算上部组块载荷转移结果与上部组块位姿，并使用数据通信框架传递载荷到仿真数值模型，传递上部组块位姿到三维视景仿真子系统；
66.流程十二、仿真数值模型使用数据通信框架接收上部组块的载荷转移，计算船体六自由度运动结果；
67.流程十三、三维视景仿真子系统通过数据通信框架接收上部组块位姿、船体六自由运动，变换三维仿真模型位姿，实时计算三维模型最短间距，并输出渲染画面与辅助信息。
68.还需要进一步强调的是，在本技术提供的实施例中，半潜式平台海上系泊回接流程如下：
69.a)、综合管理与评估软件配置作业工况，初始化半潜平台、作业船舶、锚机、压载等仿真设备/系统状态，并通过数据通讯框架将科目信息发送至三维视景仿真与仿真数值模型；
70.b)、作业人员操作吊机仿真软件，收放吊机作业绳及控制吊臂位姿，将作业绳端点与吊臂位姿数据使用数据通信框架传递至三维视景仿真子系统；
71.c)、三维视景仿真子系统使用数据通信框架接收作业绳端点与吊臂位姿数据，变换三维仿真模型位姿，输出渲染画面；
72.d)、作业人员观测信号链端点位姿，重复b、c步骤，将信号链传递至作业船尾部；
73.e)、作业软件操作平台锚机仿真软件，收放信号链，并计算信号链拉力，使用数据通信框架传递信号链端点位姿和信号链拉力至数值仿真模型与三维视景仿真子系统；
74.f)、作业人员操作作业船绞车仿真软件，计算信号链引绳端点位姿与信号链引绳拉力，使用数据通信框架船体至数值仿真模型与三维视景仿真子系统；
75.g)、数值仿真模型使用数据通信框架接收信号链拉力与信号链引绳拉力，计算作业船六自由度结果，使用数据通信框架传递作业船六自由度信息至三维视景仿真子系统；
76.h)、三维视景仿真子系统使用数据通信框架接收信号链端点位姿、信号链引绳端点位姿、作业船六自由度信息，变换仿真三维模型位姿，输出渲染画面；
77.i)、作业人员观测三维视景渲染画面，重复d-h步骤，直至信号链完全回收至作业船甲板；
78.j)、作业人员操作作业船动力定位系统，设定目标点位置，并计算位移过程中的船舶六自由度运动结果，使用数据通信框架传递船体六自由度信息至三维视景仿真子系统；
79.k)、三维视景仿真子系统使用数据通信框架接收作业船六自由度信息，变换仿真三维模型位姿，输出渲染画面；
80.l)、作业人员观测三维视景渲染画面，重复e-h步骤，直至信号链完全下放。
81.此外还需要强调的是，在本技术提供的实施例中，半潜式平台海上scr回接安装流程如下：
82.a)、综合管理与评估软件配置作业工况，初始化半潜平台、作业船舶、ar绞车、系泊缆等仿真设备/系统状态，并通过数据通讯框架将科目信息发送至三维视景仿真与仿真数值模型；
83.b)、作业人员操作作业船动力定位仿真子系统，设定目标点位置，并计算位移过程中的船舶六自由度运动结果，使用数据通信框架传递船体六自由度信息至三维视景仿真子系统；
84.c)、作业人员操作ar绞车仿真软件提升scr，计算scr拉力，使用数据通信框架将
scr拉力传递至三维视景仿真子系统与作业船动力定位仿真子系统；
85.d)、三维视景仿真子系统使用数据通信框架接收scr拉力与作业船六自由运动信息，变换三维模型位姿，输出渲染画面与辅助信息；
86.e)、作业观测三维视景渲染画面，保持scr拉力在预期范围内，重复b-d步骤，直到作业船到达半潜平台附近作业点；
87.f)、作业人员操作rov仿真模拟器抓取信号缆并连接穿越缆，将rov六自动运动信息、信号缆端点位置使用数据通信框架传递至三维视景仿真子系统；
88.g)、作业人员操作作业船甲板绞车仿真软件回收信号链，计算信号链回收长度并使用数据通信框架将长度传递至三维视景仿真子系统；
89.h)、三维视景仿真子系统使用数据通信框架接收rov六自由度运动信息、信号缆端点位置、信号链回收长度，变换三维仿真模型位姿，并输出渲染画面与辅助信息；
90.i)、作业人员观测渲染画面，重复g、h步骤，直至信号链回收至预定长度；
91.j)、作业人员操作作业船动力定位仿真子系统保持船位；
92.k)、作业人员操作ar绞车仿真软件绞出ar缆，将scr载荷转移至穿越缆；
93.l)、作业人员观测渲染画面，操作rov仿真模拟器解除a&r缆；
94.m)、作业人员操作作业船动力定位仿真子系统，设置下一作业目标定并进行移船；
95.n)、作业人员操作作业船吊机仿真软件回收吊钩钢缆，将scr载荷转移至作业船；
96.o)、作业人员操作rov仿真模拟器解除穿越缆；
97.p)、作业人员操作半潜平台主绞车仿真软件提升绞缆，直至scr载荷转移至平台；
98.q)、主绞车提升到预定位置后连接左右辅助绞车，回收scr至插槽。
99.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。