虛擬模擬技術(shù)在海洋平臺浮托中的應(yīng)用

李立濤 李新超 徐京闊 秦立成

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300461)

0 引言

虛擬模擬(VR Simulations)又稱虛擬現(xiàn)實(shí)(Virtual Reality)，虛擬仿真等。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是一種可以創(chuàng)建和體驗(yàn)虛擬世界的計算機(jī)仿真系統(tǒng)，它利用計算機(jī)生成一種模擬環(huán)境是一種多源信息融合的交互式的三維動態(tài)視景和實(shí)體行為的系統(tǒng)仿真使用戶沉浸到該環(huán)境中。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)具有3I的特征，分別是沉浸感(Immersion)、交互性(Interaction)和想象性(Imagination)，即，沉浸性(存在感)：是指利用計算機(jī)產(chǎn)生的三維立體圖像，讓人置身于一種虛擬環(huán)境中，就像在真實(shí)的客觀世界中一樣，能給人一種身臨其境的感覺；交互性(互動感)：在計算機(jī)生成的這種虛擬環(huán)境中，人們可以利用一些傳感設(shè)備進(jìn)行交互，感覺就像是在真實(shí)客觀世界中一樣；想象性：虛擬環(huán)境可使用戶沉浸其中并且獲取新的知識，提高感性和理性認(rèn)識，從而使用戶深化概念和萌發(fā)新的聯(lián)想，因此虛擬現(xiàn)實(shí)可啟發(fā)人的創(chuàng)造性思維。

1 浮托虛擬模擬技術(shù)

1.1 虛擬模擬模型

虛擬模擬模型包括數(shù)值模型(Mathematical Models)和視景數(shù)據(jù)庫(Visual Scene Database)。數(shù)值模型包括浮托安裝船及上部組塊流體動力模型(見圖1)，浮式系統(tǒng)下部結(jié)構(gòu)流體動力模型，就位拖輪和三用拖輪流體動力模型，錨系、交叉纜和縱向纜模型，DP推進(jìn)器及舵模型，LMU，DSU，護(hù)舷系統(tǒng)模型，水深、風(fēng)、浪、涌、流、潮環(huán)境模型等。3D視景數(shù)據(jù)庫用于視景仿真浮托安裝的虛擬場景，包括浮托安裝船及甲板上設(shè)備，就位拖輪及拖纜，三用拖輪，上部組塊，下部結(jié)構(gòu)，DSF，LMU，DSU，錨系，浮筒，定位系統(tǒng)等。

1.2 虛擬模擬設(shè)施

虛擬模擬設(shè)施包括240°～360°全功能模擬器裝備拖輪操作系統(tǒng)設(shè)備、DP操作系統(tǒng)設(shè)備、作業(yè)控制中心監(jiān)控設(shè)備，用于模擬就位拖輪、DP控制室、作業(yè)控制中心等，如DP控制室和作業(yè)控制中心模擬實(shí)際的有限視窗或無任何視窗，CCTV監(jiān)控，虛擬GPS定位系統(tǒng)等。若全功能模擬器數(shù)量有限，不能模擬全部的就位拖輪，系泊系統(tǒng)和絞車系統(tǒng)，其中訓(xùn)練科目中次要的系統(tǒng)可用虛擬模擬工作站的數(shù)值模型來模擬，由虛擬模擬系統(tǒng)IOS操作員負(fù)責(zé)操作。根據(jù)作業(yè)指揮系統(tǒng)，給參與虛擬培訓(xùn)的主要作業(yè)人員均配備VHF對講機(jī)，滿足指揮系統(tǒng)不同作業(yè)頻道需求。虛擬訓(xùn)練過程中需配備專用的任務(wù)報告會議室，便于總結(jié)經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)并制定或修改后續(xù)訓(xùn)練科目。

圖2為典型浮托安裝虛擬模擬設(shè)施設(shè)置，其中全功能模擬器FBM1-3用于模擬三艘就位拖輪，F(xiàn)BM4用于模擬浮托安裝作業(yè)控制中心，F(xiàn)MB9用作任務(wù)報告會議室以及IOS虛擬模擬工作站。第4艘就位拖輪和AHT錨系鏈接拖輪可由數(shù)值拖輪中虛擬模擬，另外IOS虛擬模擬工作站還可用來模擬錨機(jī)和絞車操作系統(tǒng)[1]。

1.3 浮托安裝關(guān)鍵人員

參加培訓(xùn)的主要關(guān)鍵人員應(yīng)包括業(yè)主代表、項(xiàng)目經(jīng)理、安裝經(jīng)理、安裝工程師、海事?lián)４?、浮托安裝總監(jiān)、就位總監(jiān)、就位拖輪船長、DP操作員、定位工程師、錨機(jī)總監(jiān)、絞車總監(jiān)等。

虛擬模擬培訓(xùn)中心參與人員應(yīng)包括項(xiàng)目經(jīng)理、訓(xùn)練培訓(xùn)總監(jiān)、建模工程師、模擬軟件工程師、虛擬模擬系統(tǒng)IOS操作員、精神分析師、培訓(xùn)記錄員等。

1.4 浮托安裝虛擬模擬程序

1.4.1 準(zhǔn)備階段

浮托安裝虛擬模擬準(zhǔn)備階段應(yīng)主要包含下述各方面：

1)收集數(shù)據(jù)。

2)建立數(shù)值模型，包括浮托安裝駁船及上部組塊流體動力模型，浮式系統(tǒng)下部結(jié)構(gòu)流體動力模型，就位拖輪和三用拖輪流體動力模型；錨系，交叉纜和縱向纜模型；DP推進(jìn)器及舵模型；LMU,DSU，護(hù)舷系統(tǒng)模型；水深，風(fēng)，浪，涌，流，潮環(huán)境模型等。

3)建立3D視景數(shù)據(jù)庫，用于仿真浮托安裝的虛擬場景，包括浮托駁船及甲板上設(shè)備、就位拖輪及拖纜、三用拖輪、上部組塊，下部結(jié)構(gòu)，DSF,LMU,DSU，錨系，浮筒，定位系統(tǒng)以及周邊水面設(shè)施等。應(yīng)提供位置坐標(biāo)、幾何尺寸、顏色、照片等細(xì)節(jié)材料，以便建立較為逼真的虛擬場景。

4)準(zhǔn)備模擬訓(xùn)練課程表，浮托安裝承包商根據(jù)作業(yè)程序與培訓(xùn)中心人員共同準(zhǔn)備浮托安裝虛擬模擬培訓(xùn)計劃，用于實(shí)際培訓(xùn)。

5)準(zhǔn)備評估檢查表和問卷表，用于評估訓(xùn)練情況，指導(dǎo)和修改后續(xù)培訓(xùn)。

6)模擬中心人員內(nèi)部調(diào)試模型和數(shù)據(jù)庫，并與安裝承包商進(jìn)行外部驗(yàn)證模型和數(shù)據(jù)庫，保證數(shù)值模型和視景數(shù)據(jù)庫的準(zhǔn)確性。

7)訓(xùn)練模擬中心人員調(diào)試模擬試驗(yàn)設(shè)備，檢查新數(shù)據(jù)庫、新模型、新模擬設(shè)備、新程序軟件等設(shè)備的可行性。

1.4.2 執(zhí)行階段

浮托安裝虛擬模擬執(zhí)行階段應(yīng)主要包含下述各方面：

1)全體關(guān)鍵人員開啟動會，介紹模擬訓(xùn)練課程計劃及目的，熟悉培訓(xùn)設(shè)施和培訓(xùn)形式；

2)正式培訓(xùn)，應(yīng)包括每堂虛擬訓(xùn)練科目、課后問卷表、課后任務(wù)報告和課后總結(jié)；訓(xùn)練時應(yīng)盡量保持真實(shí)性以及必要的意外性；

3)依據(jù)當(dāng)日培訓(xùn)情況修改和完善后續(xù)培訓(xùn)課程；

4)正式培訓(xùn)完成后進(jìn)行總結(jié)討論，形成初步結(jié)論及推薦意見；

5)編寫正式虛擬模擬培訓(xùn)報告和精神分析報告；

6)依據(jù)培訓(xùn)結(jié)果和推薦意見完善浮托安裝作業(yè)程序，依據(jù)精神分析報告調(diào)整施工人員職責(zé)。

2 浮托模擬關(guān)鍵任務(wù)

荔灣3-1項(xiàng)目，惠州25-8項(xiàng)目，文昌9-2/9-3項(xiàng)目設(shè)定了典型仿真科目：就位訓(xùn)練、系纜、進(jìn)船、退船、應(yīng)急響應(yīng)等(需在不同科目中設(shè)定相應(yīng)的環(huán)境條件)；并進(jìn)行作業(yè)方案預(yù)演及主要作業(yè)人員的培訓(xùn)，讓施工團(tuán)隊(duì)熟悉完善作業(yè)流程。

2.1 浮托就位訓(xùn)練

海洋平臺運(yùn)輸駁船抵達(dá)施工現(xiàn)場后，定位人員需在主作業(yè)船，主拖輪，運(yùn)輸駁船，拋錨拖輪，輔助拖輪安裝調(diào)試定位設(shè)備。就位訓(xùn)練時運(yùn)輸駁船首尾各連接兩條拖輪，用于控制運(yùn)輸駁船。該訓(xùn)練包括：

1)保持運(yùn)輸駁船船位在50 m范圍內(nèi)；

2)運(yùn)輸駁船前進(jìn)，左右移動，多方位旋轉(zhuǎn)等；

3)輔助拖輪拖纜失效；

4)運(yùn)輸駁船進(jìn)入待命工況，上線準(zhǔn)備浮托作業(yè)；

5)上述訓(xùn)練在低能見度(200 m)情況下操作。

2.2 拋錨和錨系連接訓(xùn)練

根據(jù)現(xiàn)場天氣預(yù)報滿足72 h作業(yè)時進(jìn)行拋錨和錨系連接作業(yè)。該訓(xùn)練包括：

1)拋錨拖輪拋錨；

2)兩個拖輪配合連接錨系;

3)上述訓(xùn)練在低能見度情況(200 m)下操作。

2.3 進(jìn)船訓(xùn)練

根據(jù)天氣預(yù)報情況決定是否進(jìn)船進(jìn)行浮托，該訓(xùn)練包括：

1)移動運(yùn)輸駁船靠近導(dǎo)管架；

2)連接交叉纜和縱向纜；

3)進(jìn)入導(dǎo)管架槽口。

2.4 退船訓(xùn)練

浮托作業(yè)完成后，進(jìn)行退船作業(yè)，該訓(xùn)練包括：

1)從導(dǎo)管架槽口退出；

2)退至待命位置，并進(jìn)行穩(wěn)船作業(yè)。

2.5 應(yīng)急響應(yīng)

在浮托過程中，會出現(xiàn)斷纜，拖輪失效等緊急情況發(fā)生，評估應(yīng)急反應(yīng)程序。該訓(xùn)練包括：

1)各工況下就位拖輪失效；

2)各工況下系泊纜繩斷裂。

3 結(jié)語

虛擬模擬技術(shù)的不斷成熟，陸續(xù)應(yīng)用于荔灣3-1項(xiàng)目，惠州25-8項(xiàng)目，文昌9-2/9-3項(xiàng)目海洋平臺浮托項(xiàng)目。虛擬模擬目的是研究和驗(yàn)證浮托安裝關(guān)鍵作業(yè)程序，根據(jù)浮托安裝設(shè)計制定模擬培訓(xùn)計劃，盡可能逼真地虛擬模擬安裝作業(yè)環(huán)境，對參與浮托安裝關(guān)鍵人員進(jìn)行培訓(xùn)，使關(guān)鍵人員熟悉安裝程序，進(jìn)行團(tuán)隊(duì)建設(shè)；全面檢查浮托安裝程序，確認(rèn)工程設(shè)計方案的可行性，根據(jù)虛擬模擬的情況對安裝作業(yè)程序以及作業(yè)限制條件進(jìn)行修改；評估應(yīng)急反應(yīng)程序，研究人機(jī)互動的影響，減少作業(yè)風(fēng)險，節(jié)省海事保險費(fèi)，對安裝作業(yè)關(guān)鍵人員進(jìn)行精神分析，為浮托設(shè)計提供可靠的參考依據(jù)。