虚拟仿真技术在PLET安装上的应用

黄 辉，杜 杨，段梦兰，王莹莹

(1.中国石油化工股份有限公司 石油勘探开发研究院，北京 100083；2.中国石油大学(北京)安全与海洋工程学院，北京 102249)

0 引 言

随着我国能源需求的不断增长，陆上及浅水资源开发已达到成熟期并开始逐步减少，而且目前深水技术发展迅猛，我国对水下油气的开发由浅水走向深水甚至是超深海域。当前深海项目众多，但海上工程经验不够成熟，现场实地培训难以实现。因此，将虚拟仿真技术与海洋工程相结合，建立一套具有独立自主知识产权的海洋工程模拟仿真系统势在必行。

虚拟仿真系统功能强大、优势突出，已经运用到众多行业领域中。黄垒等[1]将虚拟仿真技术应用于载人航天器总装工艺设计。谢荣[2]研究船舶虚拟仿真技术在船舶建造评估中的应用。SMITH等[3]将虚拟仿真技术应用于医护人员技能培训，提升医护人员在临床关键环节中的技术水平。周琪琪[4]将虚拟现实技术与风电仿真技术相结合，研究基于虚拟现实技术的风电仿真系统。

本文针对海上工程建设典型实例——海底管道终端(Pipeline End Termination，PLET)的安装，搭建相应的虚拟仿真系统框架，并计算结构物的水动力系数，完成下放过程的运动响应分析，所得结果对海洋工程虚拟仿真系统的搭建及应用具有重要的参考意义。

1 仿真系统总体框架搭建

虚拟仿真系统是面向超大规模复杂场景的分布式系统，在一台服务器上无法完成如此庞大场景的虚拟再现，因此该系统在网络体系上应采用分布式网络架构以实现分布式场景绘制。在仿真系统多层架构的基础上，网络、计算服务器和图形工作站等设备之间采用光纤连接，并通过对象链接与嵌入的过程控制(OLE for Process Control，OPC)接口技术进行数据传输。基于起重机、绞车和遥控无人潜水器(Remote Operated Vehicle，ROV)等3个模拟操作台、2个扩展操作员站和1个教练员站输入系统的操作指令信号。操作员控制模拟操作台，通过操作台内部的可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller，PLC)控制系统操纵具有物理动力学属性的几何模型实现人机交互，由动力学解算软件Vortex进行几何模型的碰撞监测及动力响应计算。系统利用9块拼接屏显示器和辅助头盔进行三维视景实时输出，仿真系统总体架构如图1所示，图1中VP为视景仿真软件Vega Prime。

图1 仿真系统整体架构

1.1 硬件开发平台设计

系统主要由操作子系统、显示子系统、通信子系统、音频子系统、中控子系统和解算子系统组成，各子系统名称及功能如表1所示。通过高层体系结构(High Level Architecture，HLA)构建联邦系统，使6个联邦成员，即6个操作子系统能够在同一个网络平台上进行分布式协同操作。系统硬件平台如图2所示。

图2 系统硬件平台

表1 各子系统名称及功能

1.2 软件开发平台设计

(1)视景仿真软件VP。视景仿真渲染工具VP是世界上领先的应用于实时视景仿真、声音仿真和虚拟现实等领域的软件平台，VP通过渲染仿真视景数据库实现虚拟环境场景的绘制渲染和交互控制[5]。

(2)动力学仿真软件Vortex。Vortex可实时计算多体耦合系统动力学响应、碰撞干涉响应等高度真实的非线性动力学问题，其自带的常用工具箱可产生多个模拟器来实现物体运动的仿真流程，适用于实时操作、交互式操作和三维场景实时绘制渲染的虚拟仿真。Vortex与VP可实现较好的集成，Vortex动力学解算能实时计算三维模型的运动和动力响应函数，同时驱动基于VP所渲染的环境场景与三维模型[6]。

(3)仿真建模软件Creator。三维水下装备及安装工机具等几何模型的建立是开发虚拟仿真系统的基础步骤，Creator能有效创建高精度三维模型和数字地形。结合强大的plug-in体系结构及可扩展的开发工具包，Creator可为定制特殊及真实的视景内容和创建综合虚拟环境提供交互式实时三维建模功能[7]。

(4)分布式仿真软件HLA。HLA是目前国际通用分布式仿真技术的标准，致力于解决分布式仿真系统的互操作性和重用性。HLA不考虑如何由对象构建联邦成员，而是在假设已有成员的情况下构建联邦系统[8]，可较好地解决仿真系统的实时协同交互与扩展重用问题[9]。

2 PLET安装工艺

2.1 基础环境数据

针对项目课题《南大西洋两岸重点盆地油气勘探开发关键技术》进行基础数据调研，基于研究背景——巴西Jupiter油田，确定相关环境参数及安装过程所需的工机具参数，具体参数如表2所示。

表2 环境与安装工机具参数及要求

2.2 三维装备建模

根据安装实例中所需模型，利用专业建模软件SolidWorks建立与实际工程装备对应的三维几何模型，模型文件格式为.stl。将.stl文件导入Creator软件，进行模型面片修补及外观贴图上色，输出文件格式为.flt。在完成建模后，利用Vortex Editor建立相应的物理模型，即给三维模型设置相应的碰撞检测属性和运动约束关系，使模型的运动更符合实际规律，增强虚拟系统的物理真实性，具有物理属性的几何模型文件以.vxm格式输出。所建立的虚拟模型如图3所示。

图3 三维几何建模

2.3 安装工艺流程

PLET安装主要步骤如下：

(1)采用3点吊装法起吊PLET；

(2)主起重机与辅助起重机同时起吊，完成PLET反转作业；

(3)完成PLET在平台上的对中定位；

(4)利用焊机焊接PLET与管线；

(5)控制起重机将PLET沿船边平移吊至安装船外侧停止；

(6)绞车绳连接在三孔板上，形成PLET、主起重机与绞车三者的连接；

(7)下放PLET使其快速通过飞溅区；

(8)当PLET上端位于海平面以下约15 m时，绞车停止放缆，起重机放缆，实现载荷转换，操作ROV将起重机缆绳与三孔板分离；

(9)系统进行深水下放作业；

(10)当PLET下端距海底约30 m时，减慢下放速度，直至停止。操作ROV解除YOKE臂与防尘版的固定螺栓，YOKE臂绕铰接点自由旋转，完成余下的平放操作；

(11)绞车缓慢放缆，操作ROV调整PLET姿态，保证PLET在指定位置安全着陆；

(12)操作ROV完成索具的解锁与辅助绳的释放；

(13)绞车收缆，回收吊索与辅助定位工具。

为清晰直观地展示PLET安装工艺流程，使用三维动画渲染和制作软件3ds MAX制作相关流程动画，并提取其中的关键步骤如图4所示。

图4 PLET安装工艺流程

3 基于水动力解算的物理仿真

在虚拟仿真系统开发过程中，利用ICEMCFD软件对水下结构物与流体区域进行几何建模和网格划分，然后通过专业水动力学计算分析平台Fluent对水下作业流场进行数值模拟，获取结构物水动力系数，再将其输入专业海洋工程动力学分析软件OrcaFlex，进行PLET下放过程中船-缆-体多体耦合系统的运动及动力响应数值计算。所得结果可大幅提高虚拟仿真系统模拟结果的逼真性与精确性，并对仿真系统的人员操作产生重要的指导作用。

3.1 水动力系数计算

在ICEMCFD中建立流体域模型，其尺寸为PLET外形的10倍，即长方体流场的长、宽、高分别为100.0 m、42.0 m、26.9 m。通过ICEMCFD进行非结构网格划分，得到四面体非结构网格数为2 316 868个。流场网格划分如图5所示。

图5 PLET及其流域网格图

在外部流速分别为0.1 m/s，0.2 m/s，…，1.0 m/s时PLET的受力如图6所示。采用最小二乘法对数据进行拟合并无因次化处理后得到PLET在3个方向上的拖曳力因数分别为CD，x=1.334、CD，y=1.323、CD，z=2.148。

图6 不同流速下PLET受力图

利用Fluent动网格技术，模拟结构物在无黏流场中按设定的运动规律进行非定常运动，监测流体对物体的阻力，由于流体无黏，该阻力即为物体运动引起的附加质量力[10]。通过Fluent计算监测3个方向上的附加质量力，对监测结果进行傅里叶转换可得PLET在x、y、z方向上的附加质量因数分别为λ1=10.966、λ2=0.194、λ3=0.183，通过与经验值比较[11]，计算结果良好，可用于船-缆-体多体耦合系统的运动分析。

3.2 船-缆-体多体耦合系统数值模拟

基于OrcaFlex对PLET穿越飞溅区阶段进行时域数值模拟分析，重点分析下放过程中PLET的运动响应。当下放时间为0 s≤t≤150 s时，PLET下放速度为0.5 m/s；当下放时间为150 s

图7 PLET在x方向上的位移时程

图8 PLET在y方向上的位移时程

图9 PLET在z方向上的位移时程

图10 PLET在x方向上的速度时程

图11 PLET在y方向上的速度时程

图12 PLET在z方向上的速度时程

图13 PLET在x方向上的加速度时程

图14 PLET在y方向上的加速度时程

图15 PLET在z方向上的加速度时程

由图7～图9可知：在PLET入水阶段x、y、z方向上的位移波动较大，主要因为在入水阶段海上环境载荷复杂，安装作业工况恶劣，多体系统受风浪流联合作用，加剧PLET在3个方向上的波动，从而要求PLET通过飞溅区时应加快下放速度。图10～图15有助于在虚拟仿真操作过程中对结构物的下放速度与运动姿态进行控制。基于水动力的物理仿真结果，操作员在实际操作时，能更好地控制结构物的下放速度、加速度和位移，从而对虚拟仿真过程起到重要的指导作用。此外，-20～0 s为设置的环境系统初始构建过程，即环境参数由系统初始值增加至设定值的过程。

3.3 虚拟仿真整体流程

基于安装工艺流程，由操作子系统发布PLET下放安装的各项指令，操作子系统包括1套教练员站和5套操作员站(起重机、绞车、ROV操作员站和2个扩展操作员站)。操作人员根据编制的工艺脚本，控制仿真操作台进行基于HLA的多人协同分布式仿真操作，生成操作场景指令，由OPC接口协议传输至解算子系统。解算子系统根据操作指令及VP中设置的海上作业环境参数，进行仿真场景的实时动力学计算并生成相应三维视景。该仿真系统基于VP软件平台对模拟场景进行实时绘制及渲染，并由显示子系统输出视景信号，再现大规模复杂场景的海上作业环境。

4 结 论

(1)设计分布式多人协同虚拟仿真方案，采用HLA构建联邦系统，使6个联邦成员在同一个网络平台上进行交互操作，实现虚拟仿真硬件系统的搭建。

(2)利用三维建模软件Creator、动力学实时解算软件Vortex、三维视景仿真软件VP模块组合的优越性，搭建虚拟仿真的软件平台系统。

(3)为了使虚拟仿真结果具有实时性、准确性与可靠性，更好地指导仿真操作员完成海上工程建设、投产及生产维修操作，采用基于ICEMCFD的数值方法，模拟三维流场获取水下结构物准确的水动力系数，再通过OrcaFlex开展船-缆-体多体耦合系统下放模拟，获得结构物安装过程的运动响应结果。

(4)基于PLET下放安装典型海上工程建设实例，详细阐述该虚拟仿真系统的整体操作流程，研究结果对其他水下装备安装维修过程的仿真具有重要指导作用。