CN113741213A - 一种深水半潜平台系泊回接安装作业仿真平台 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种深水半潜平台系泊回接安装作业仿真平台，包括综合管理与评估系统、ROV模拟器、船舶动力定位模拟器、可视化仿真系统、沉浸式投影系统、船舶半物理仿真操控台、通用吊机座椅、绞车仿真系统、系泊动力学仿真模型及海洋环境仿真模型。本发明可以用于作业人员的技能培训，提高海上作业人员的操作水平和应急反应能力，降低作业人员的技能培训成本，且通过模拟的作用还能进行风险分析，提高作业的安全性，并降低海上作业的时长和成本。
Description
技术领域
本发明属于海洋虚拟仿真技术领域，尤其涉及一种深水半潜平台系泊回接安装作业仿真平台。
背景技术
随着深水油气开发日益加快，海洋工程作业由浅海逐步走向深海，深水水下作业的复杂程度空前提升，特别是海上油气田施工作业具有环境复杂、作业状态难以预判、风险巨大以及人员培训困难的特点。
目前针对系泊回接方案暂无有效的手段进行全面的风险点分析，这给海上施工的安全性带来了巨大的挑战。而系泊回接作业大多基于工作人员的经验，而开展实际训练的成本高昂且无法保障装备安全性。
因此，现在海上系泊回接方案并不能进行风险分析，且作业人员的技能培训成本高，作业的安全性低，海上作业的时间长、成本高。
发明内容
本发明要解决的技术问题是如何提供一种能进行风险分析、降低作业人员的技能培训成本、提高作业的安全性，并降低海上作业时长及成本的深水半潜平台系泊回接安装作业仿真平台。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种深水半潜平台系泊回接安装作业仿真平台，其特征在于：包括综合管理与评估系统，用于配置训练科目并发出运行控制指令；ROV模拟器，用于接收操控指令及环境参数，并解算ROV的推力分配及运动姿态；船舶动力定位模拟器，用于检测船舶的位置及作用在船舶上的力，还用于艏向的测量；可视化仿真系统，用于对作业船舶、半潜平台及系泊缆进行碰撞干涉检查，并动态地渲染生成作业三维场景图像；沉浸式投影系统，用于接收所述可视化仿真系统的数字图像信号，并通过图像边缘融合及亮度矫正对多路图像信号进行拼接显示；船舶半物理仿真操控台，用于模拟所述作业船舶的驾驶；通用吊机座椅，用于模拟作业吊机的操控；绞车仿真系统，用于接收所述船舶半物理仿真操控台中的操控信号，并解算绞绳的运动数据，以显示绞车的运行状态信息；系泊动力学仿真模型，用于通过集中质量法及Morsion方程快速求解系泊缆的拉力及位姿信息；海洋环境仿真模型，用于模拟各作业工况下的海洋环境。
更进一步地，所述综合管理与评估系统包括作业科目设计单元以及仿真运行管理单元。
更进一步地，所述ROV模拟器包括ROV水动力模型、六自由度运动模型、推力控制数学模型、多功能机械手操控手柄及ROV信号采集与转换单元。
更进一步地，所述船舶动力定位模拟器包括动力系统、测量系统、控制系统及推进器系统。
更进一步地，所述可视化仿真系统包括实时三维场景渲染单元、碰撞干涉检查单元及作业场景模拟库。
更进一步地，所述沉浸式投影系统包括360度投影系统、180度投影系统及图像拼接融合单元。
更进一步地，所述船舶半物理仿真操控台包括操控面板、全回转手柄、舵向控制手柄及船舶信号采集与转换单元。
更进一步地，所述通用吊机座椅包括虚拟操控触摸屏、物理面板按钮、吊机信息采集与转换单元、吊机控制手柄及音频通讯设备。
更进一步地，所述绞车仿真系统包括绞车缆绳运动模型及信号转化模块。
更进一步地，所述海洋环境仿真模型包括波浪数学模型、海风数学模型及海流数学模型。
与现有技术相比，本发明中的深水半潜平台系泊回接安装作业仿真平台通过综合管理与评估系统、ROV模拟器、船舶动力定位模拟器、可视化仿真系统、沉浸式投影系统、船舶半物理仿真操控台、通用吊机座椅、绞车仿真系统、系泊动力学仿真模型及海洋环境仿真模型的设置，从而可以准确的模拟作业船舶、半潜平台、系泊缆的实时运动与位姿状态，真实的反应了海上系泊回接的作业过程，使其可以用于作业人员的技能培训，提高海上作业人员的操作水平和应急反应能力，降低作业人员的技能培训成本，且通过模拟的作用还能进行风险分析，提高作业的安全性，并降低海上作业的时长和成本。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种深水半潜平台系泊回接安装作业仿真平台的结构示意图。
图2是本发明实施例提供的一种深水半潜平台系泊回接安装作业仿真平台中综合管理与评估系统的结构示意图。
图3是本发明实施例提供的一种深水半潜平台系泊回接安装作业仿真平台中ROV模拟器的结构示意图。
图4是本发明实施例提供的一种深水半潜平台系泊回接安装作业仿真平台中船舶动力定位模拟器的结构示意图。
图5是本发明实施例提供的一种深水半潜平台系泊回接安装作业仿真平台中可视化仿真系统的结构示意图。
图6是本发明实施例提供的一种深水半潜平台系泊回接安装作业仿真平台中沉浸式投影系统的结构示意图。
图7是本发明实施例提供的一种深水半潜平台系泊回接安装作业仿真平台中船舶半物理仿真操控台的结构示意图。
图8是本发明实施例提供的一种深水半潜平台系泊回接安装作业仿真平台中通用吊机座椅的结构示意图。
图9是本发明实施例提供的一种深水半潜平台系泊回接安装作业仿真平台中绞车仿真系统的结构示意图。
图10是本发明实施例提供的一种深水半潜平台系泊回接安装作业仿真平台中海洋环境仿真模型的结构示意图。
图11是本发明实施例提供的一种深水半潜平台系泊回接安装作业仿真平台的运行流程图。
其中，1、综合管理与评估系统；11、作业科目设计单元；12、仿真运行管理单元；2、ROV模拟器；21、ROV水动力模型；22、六自由度运动模型；23、推力控制数学模型；3、船舶动力定位模拟器；31、动力系统；32、测量系统；33、控制系统；34、推进器系统；4、可视化仿真系统；41、三维场景渲染单元；42、碰撞干涉检查单元；43、作业场景模拟库；5、沉浸式投影系统；51、360度投影系统；52、180度投影系统；53、图像拼接融合单元；6、船舶半物理仿真操控台；61、操控面板；62、全回转手柄；63、船舶信号采集与转换单元；7、通用吊机座椅；71、吊机信息采集与转换单元；72、吊机控制手柄；73、音频通讯设备；8、绞车仿真系统；81、绞车缆绳运动模型；82、信号转化模块；9、系泊动力学仿真模型；10、海洋环境仿真模型；101、波浪数学模型；102、海风数学模型；103、海流数学模型；11、RTI运行支撑环境。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好的理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
本发明实施例提供了一种深水半潜平台系泊回接安装作业仿真平台，结合附图1至附图11所示，包括综合管理与评估系统1、ROV模拟器2、船舶动力定位模拟器3、可视化仿真模型4、沉浸式投影系统5、船舶半物理仿真操控台6、通用吊机座椅7、绞车仿真系统8、系泊动力学仿真模型9及海洋环境仿真模型10。
具体地，综合管理与评估系统1包括作业科目设计单元11以及仿真运行管理单元12，用于配置训练科目并发出运行控制指令，还用于管理联邦人员。
其中，训练科目包括科目设计、应急科目设计、系统运行管理，可进行深水水下井口/跨接管安装、采油树下放与安装、水下管汇连接、海底管线检测与维修等典型科目设计。运行控制指令包括训练开始、暂停、继续、结束和重演等。
具体地，所述ROV模拟器2包括ROV水动力模型21、六自由度运动模型22、推力控制数学模型23、多功能机械手操控手柄及ROV信号采集与转换单元，用于实时接收操控指令及环境参数，并解算ROV的推力分配及运动姿态，以真实的反映ROV在常规与应急工况下的运动特性，为ROV作业人员提供逼真的ROV驾控体验。
其中，所述ROV模拟器2与实际ROV布局及功能一致的操作台、多功能机械手操作手柄及ROV信号采集与转换单元等构成逼真的模拟操作环境，具备操作控制、报警及显示等功能，以为作业人员构建逼真的人机交互操作环境，并实时接收进退、横移、升沉、转艏以及定向、定高程、定深、半自动、自动航向保持等操作操控指令。
具体地，所述船舶动力定位模拟器3包括动力系统31、测量系统32、控制系统33及推进器系统34，用于检测船舶的位置及作用在船舶上的力，还用于艏向通过船舶模型、位置参考系统及电罗经的测量。
其中，所述船舶动力定位模拟器3由计算机组成的控制系统33作为整套系统的核心部分。
控制系统33给出的推进器指令是基于当前估计状态与期望状态的偏差计算得到的，最终由推进器系统34为船舶提供抵抗外界环境力所需的推力和转矩。
对于测量系统32测量获得的信号，由于其测量值中含有因测量噪声(由传感器类型和测量方法决定)和船舶纵横摇所引入的干扰，因此，需要经过信号预处理来剔除相应的错误信号值并进行纵横摇补偿。
船舶状态观测器除给出船舶状态的估计值(如位置、航向、速度、流向、流速等)外，还兼具滤除海浪高频干扰的作用。
动力系统31综合利用传感器(电罗经、风传感器和垂直运动参考系统)、位置参考系统以及船舶模型的相关信息进行运动控制，其采用PD控制进行位置和艏向的反馈控制，为了补偿静态环境干扰，引入适当的积分作用，对风作用力采用前馈控制方法。
对于控制器系统给出的合力/力矩指令则通过推力分配以转速、方向角、舵角以及螺距等控制设定量映射到各个推进器单元。
具体地，所述可视化仿真模型4包括实时三维场景渲染单元41、碰撞干涉检查单元42及作业场景模拟库42，用于对作业船舶、半潜平台及系泊缆进行实时碰撞干涉检查，并实时且动态地渲染生成作业三维场景图像
具体地，所述沉浸式投影系统5包括360度投影系统51、180度投影系统52及图像拼接融合单元53，用于接收所述可视化仿真模型4的数字图像信号，并通过图像边缘融合及亮度矫正对多路图像信号进行拼接显示。
具体地，所述船舶半物理仿真操控台6包括操控面板61、全回转手柄62、舵向控制手柄及船舶信号采集与转换单元63，用于模拟所述作业船舶的驾驶。
具体地，所述通用吊机座椅7包括虚拟操控触摸屏、物理面板按钮、吊机信息采集与转换单元71、吊机控制手柄72及音频通讯设备73，用于模拟作业吊机的操控。
具体地，所述绞车仿真系统8包括绞车缆绳运动模型81及信号转化模块82，用于接收所述船舶半物理仿真操控台6中的操控信号，并解算绞绳的运动数据，以显示绞车的运行状态信息。
具体地，所述系泊动力学仿真模型9用于通过集中质量法及Morsion方程快速求解系泊缆的拉力及位姿信息。
具体地，所述海洋环境仿真模型10包括波浪数学模型101、海风数学模型102及海流数学模型103，用于模拟各作业工况下的海洋环境。当然，根据实际需求，还可以设置其它用于模拟海洋环境的数学模型。
其中，波浪数学模型101用于模拟各作业工况下的波浪，海风数学模型102用于模拟各作业工况下的海风，海流数学模型103用于模拟各作业工况下的海流，以实时提供各作业工况下的风向/风速、波高/波浪周期、流向/流速等海洋环境信息，真实反映不同海况、不同水深条件下的海洋环境特性。
具体地，该深水半潜平台系泊回接安装作业仿真平台采用HLA高层体系结构，基于RTI运行支撑环境11实现全系统同步协调运行，确保多联邦成员仿真的时空一致性，同时各联邦成员模型解算速率不小于30Hz，确保人机交互仿真的实时性。
具体地，上述ROV模拟器2、船舶动力定位模拟器3、可视化仿真模型4、沉浸式投影系统5、船舶半物理仿真操控台6、通用吊机座椅7、绞车仿真系统8、系泊动力学仿真模型9及海洋环境仿真模型10均通过RTI接口与RTI运行支撑环境11连接。
在本实施例中，深水半潜平台系泊回接安装作业仿真平台运行流程如下：首先由综合管理与评估系统1设置要进行的训练科目，通过网络通讯将科目的初始化内容发送至其它仿真联邦成员中；仿真联邦成员初始化自身系统/模拟器的状态，并向综合管理与评估系统1返回初始化完成指令；收到初始化完成标志后发出训练开始指令；仿真联邦成员向RTI运行支撑环境11配置仿真推进步长；然后海洋环境仿真模型10发布风浪流的环境信息，
吊机作业人员开始操纵通用吊机座椅7，吊机运动指令转换后进入系泊动力学仿真模型9及船舶动力定位模拟器3，分别进行船舶动力学计算和运动位姿结算，随后将解算结果发送给可视化仿真模型4进行图像生成与场景渲染，再通过沉浸式投影系统5为培训人员呈现立体的三维作业场景。
通过作业人员操作船舶动力定位模拟器3及船舶半物理仿真操控台6控制作业船舶的运动方向，将作业船舶的运动位姿结算结果发送至系泊动力学仿真模型9，进行系泊缆姿态解算，随后将缆绳节点坐标信息发送给可视化仿真模型4进行缆绳图像生成与渲染，再通过沉浸式投影系统5将缆绳的三维姿态变化实时呈现给培训人员。
通过作业人员操作绞车仿真系统8，绞车指令转换后进入系泊动力学仿真模型9，进行系泊缆姿态解算，随后将缆绳节点坐标信息发送给可视化仿真模型4进行缆绳图像生成与渲染，再通过沉浸式投影系统5将缆绳的三维姿态变化实时呈现给培训人员。
通过作业人员操作ROV模拟器2，ROV手动操控/自动控制指令转换后分别进行ROV作业工具动力学计算和运动姿态解算，随后将解算结果发送给可视化仿真模型4进行图像生成与场景渲染，再通过沉浸式投影系统5将缆绳的三维姿态变化实时呈现给培训人员。
与现有技术相比，本发明中的深水半潜平台系泊回接安装作业仿真平台通过综合管理与评估系统1、ROV模拟器2、船舶动力定位模拟器3、可视化仿真模型4、沉浸式投影系统5、船舶半物理仿真操控台6、通用吊机座椅7、绞车仿真系统8、系泊动力学仿真模型9及海洋环境仿真模型10的设置，从而可以准确的模拟作业船舶、半潜平台、系泊缆的实时运动与位姿状态，真实的反应了海上系泊回接的作业过程，使其可以用于作业人员的技能培训，提高海上作业人员的操作水平和应急反应能力，降低作业人员的技能培训成本，且通过模拟的作用还能进行风险分析，提高作业的安全性，并降低海上作业的时长和成本。
以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。
Claims (10)
1.一种深水半潜平台系泊回接安装作业仿真平台，其特征在于：包括
综合管理与评估系统，用于配置训练科目并发出运行控制指令；
ROV模拟器，用于接收操控指令及环境参数，并解算ROV的推力分配及运动姿态；
船舶动力定位模拟器，用于检测船舶的位置及作用在船舶上的力，还用于艏向测量；
可视化仿真系统，用于对作业船舶、半潜平台及系泊缆进行碰撞干涉检查，并动态地渲染生成作业三维场景图像；
沉浸式投影系统，用于接收所述可视化仿真系统的数字图像信号，并通过图像边缘融合及亮度矫正对多路图像信号进行拼接显示；
船舶半物理仿真操控台，用于模拟所述作业船舶的驾驶；
通用吊机座椅，用于模拟作业吊机的操控；
绞车仿真系统，用于接收所述船舶半物理仿真操控台中的操控信号，并解算绞绳的运动数据，以显示绞车的运行状态信息；
系泊动力学仿真模型，用于通过集中质量法及Morsion方程快速求解系泊缆的拉力及位姿信息；
海洋环境仿真模型，用于模拟各作业工况下的海洋环境。
2.根据权利要求1所述的深水半潜平台系泊回接安装作业仿真平台，其特征在于：所述综合管理与评估系统包括作业科目设计单元以及仿真运行管理单元。
3.根据权利要求1所述的深水半潜平台系泊回接安装作业仿真平台，其特征在于：所述ROV模拟器包括ROV水动力模型、六自由度运动模型、推力控制数学模型、多功能机械手操控手柄及ROV信号采集与转换单元。
4.根据权利要求1所述的深水半潜平台系泊回接安装作业仿真平台，其特征在于：所述船舶动力定位模拟器包括动力系统、测量系统、控制系统及推进器系统。
5.根据权利要求1所述的深水半潜平台系泊回接安装作业仿真平台，其特征在于：所述可视化仿真系统包括实时三维场景渲染单元、碰撞干涉检查单元及作业场景模拟库。
6.根据权利要求1所述的深水半潜平台系泊回接安装作业仿真平台，其特征在于：所述沉浸式投影系统包括360度投影系统、180度投影系统及图像拼接融合单元。
7.根据权利要求1所述的深水半潜平台系泊回接安装作业仿真平台，其特征在于：所述船舶半物理仿真操控台包括操控面板、全回转手柄、舵向控制手柄及船舶信号采集与转换单元。
8.根据权利要求1所述的深水半潜平台系泊回接安装作业仿真平台，其特征在于：所述通用吊机座椅包括虚拟操控触摸屏、物理面板按钮、吊机信息采集与转换单元、吊机控制手柄及音频通讯设备。
9.根据权利要求1所述的深水半潜平台系泊回接安装作业仿真平台，其特征在于：所述绞车仿真系统包括绞车缆绳运动模型及信号转化模块。
10.根据权利要求1所述的深水半潜平台系泊回接安装作业仿真平台，其特征在于：所述海洋环境仿真模型包括波浪数学模型、海风数学模型及海流数学模型。
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