海洋平臺姿態模擬與監測系統

范偉寧 陳紅衛 郭明凱 張 巖 張 杰 于婷婷

(江蘇科技大學電子信息學院，江蘇 鎮江 212003)

海洋平臺姿態模擬與監測系統

范偉寧 陳紅衛 郭明凱 張 巖 張 杰 于婷婷

(江蘇科技大學電子信息學院，江蘇 鎮江 212003)

受風、浪、流的影響，海洋平臺在縱蕩、橫蕩、升沉、橫搖、縱搖和首搖6個自由度產生運動，嚴重時將威脅其安全。為分析與控制海洋平臺，設計了由監控臺、虛擬仿真機和模擬平臺組成的模擬與監測系統。采用LabVIEW、Matlab/Simulink和3DMAX完成系統研發工作,監控臺具有實時顯示參數、報警和3D模型，查詢歷史記錄等功能,虛擬仿真機可產生不同虛擬海況,模擬平臺能反映姿態變化。系統具有結構配置靈活、使用方便等特點。仿真表明，系統滿足功能要求。

海洋平臺 姿態模擬 虛擬仿真 參數監測 LabVIEW 建模

0 引言

加速海洋油氣資源開發已是各國未來能源戰略的重中之重。隨著世界各國加強對海洋資源的開發，各類海洋平臺的需求量大幅上升[1]。而海洋平臺結構復雜、體積龐大、造價昂貴，工作環境十分復雜和惡劣。復雜海洋環境的風、浪和流嚴重威脅平臺的安全[2]。姿態與環境監測是實際海洋平臺應用中不可缺少的組成部分。目前，國際市場上同類產品基本被國外幾大公司所占據。姿態模擬與平臺虛擬仿真能為海洋平臺的研制與建造，以及海洋平臺定位系統的研究與試驗提供仿真環境。因此，海洋平臺姿態模擬與監測系統的研制具有重要的意義。

本文在調研國外產品的基礎上，結合實際需求，采用LabVIEW、Matlab及3DMAX等軟件，設計海洋平臺姿態模擬與監測系統。

1 系統結構與功能

1.1 系統結構

為充分反映實際產品的結構和功能，便于模擬系統的靈活推廣應用和實際需求，本系統設計成相對獨立的3部分，即監控臺、虛擬仿真機和實物模擬機。其系統結構框圖與信息流向如圖1所示。

圖1 系統結構框圖

監控臺相當于實際海洋平臺中使用的監測系統，它與虛擬仿真機及模擬機之間進行信息交換,按工程應用需求設計與實現系統。當真實海洋與平臺取代虛擬仿真機及模擬機時，配置必要傳感器，監控臺就能完成監測任務。虛擬仿真機包含了虛擬海洋環境仿真和虛擬平臺運動仿真。虛擬海洋環境仿真是通過人機交互界面設置環境參數，由風、浪、流模型完成各種海況的仿真；虛擬平臺運動仿真是在海洋環境擾動下平臺模型的6自由度的運動仿真。實物模擬機采用6自由度搖擺臺HT-6DOF-500，按比例體現平臺的姿態變化。

這種結構相對獨立的設計方法，使得系統應用靈活。例如監測海洋環境與平臺姿態，選用監控臺進行擴展即能滿足要求；再如測試海洋平臺性能，選用虛擬仿真機即可。

1.2 系統主要功能

系統主要功能說明如下。

(1)實時顯示海洋環境參數值與海洋平臺姿態參數值以及姿態趨勢曲線。

(2)采用3D模型與HT-6DOF-500 6自由度搖擺臺模擬海洋平臺姿態變化。

(3)修改海況參數值以及海洋平臺工作區域參數值。

(4)產生虛擬海況，能仿真海洋平臺的運動。

(5)顯示報警信息，查詢歷史數據與報警數據。

2 系統設計

2.1 設計目標

系統設計目標說明如下。

(1)監測影響平臺運動的海洋環境因素(風、浪、流的參數)以及海洋平臺姿態，監視海洋平臺報警信息，并以多種形式表現海洋平臺姿態與報警信息。

(2)設置風、浪、流環境參數，模擬產生不同的海洋環境。計算海洋平臺的水動力，計算不同風、浪、流環境因素下海洋平臺的動力響應。

(3)在實物HT-6DOF-500 6自由度搖擺臺上實現海洋平臺6自由度的運動模擬，再現海洋平臺的姿態。

2.2 設計方案與方法

監控臺設計框圖如圖2所示。

圖2 監控臺設計框圖

監控臺包含參數設置、參數實時顯示、參數趨勢顯示、3D動態模擬顯示、歷史數據顯示、信息處理與安全分析、報警信息顯示、通信以及數據庫等模塊。

海洋環境與平臺虛擬仿真機設計框圖如圖3所示，包含了參數設置、風浪流模型、海洋平臺模型以及通信等模塊。

圖3 虛擬仿真機設計框圖

本文的海洋平臺選取半潛式鉆井平臺。

2.2.1 監測顯示

監測顯示包含了參數實時顯示、參數趨勢顯示和3D動態模擬顯示3個模塊，主要采用LabVIEW編程實現。監控臺利用以太網TCP/IP協議建立與虛擬仿真機及模擬機的通信，接收虛擬仿真機的實時仿真數據包，提取各參數數據。實時數據寫至顯示控件與圖形控件，實現參數實時顯示與趨勢顯示。此外，在3DMAX中分別建立海平面、半潛式鉆井平臺3D模型，以.wrl文件格式導出3D模型文件，再由LabVIEW的三維圖片顯示控件導入.wrl文件，組合背景圖片，形成所需的組合3D模型。實時數據控制組合3D模型按絕對比例運動，實現3D動態模擬顯示。2.2.2 數據通信

監控臺、虛擬機以及實物模擬機之間依靠數據通信完成信息的交流。LabVIEW利用TCP/IP 協議，采用客戶機(Client)和服務器(Server)的模式，按照預先約定的數據包格式實現三者之間的數據通信。LabVIEW為用戶提供功能TCP 節點，以實現基于TCP 協議的局域網通信。TCP 節點包括Connection 節點、Transmission 節點以及Conversion 節點。雙機TCP通信流程如圖4所示。

圖4 雙機TCP通信流程

2.2.3 海洋環境與平臺模型

海洋環境和平臺模型相對較復雜，利用 Matlab/Simulink 強大的建模功能、RTW(real-time workshop)工具箱以及海洋系統模擬器(marine systems simulator，MSS)建立實時海洋環境與平臺模型[3-6]，再由SIT(simulation interface toolkit)工具包應用于LabVIEW程序[7]。

① 環境載荷[8-9]。 風產生力的模型如式(1)所示。

(1)

式中:ρa為空氣質量密度;Vrw為風速；γrw為相對于平臺的風壓角；C為各個方向的風阻力系數；A為前、后投影面積；Loa為兩柱間距離；H為前、后水線上的質心高度。

海浪對平臺的影響可考慮一階波浪力和二階波浪力。一階波浪力使平臺產生波頻運動力，僅導致平臺周期性的振蕩；二階波浪力使平臺偏離預定位置產生難以恢復的漂移，但對平臺的豎直面內的運動如縱搖、橫搖和升沉無明顯影響。

一階波浪力F(t)如式(2)所示。

(2)

式中：h1(τ),h2(τ1，τ2)分別表示一階脈沖響應函數和二階脈沖響應函數。

二階波浪力的函數描述如式(3)所示。

(3)

流載荷是最為穩定的一種環境載荷。流的速度隨著水深的增加而減小。在實際應用中，流速變化不大，為簡化起見本文認為流速為定常。

② 平臺模型。海洋平臺的模型如式(4)所示。

(4)

2.2.4 數據庫

數據庫用于存放監測數據和報警信息。通過LabVIEW的Microsoft ADO 控件、LabSQL以及ODBC接口函數庫驅動程序實現對數據庫的訪問。利用LabSQL工具包將實時數據與報警信息寫入Access數據庫，實現姿態信息與報警信息的存儲。利用LabSQL工具包讀取Access數據庫中的數據，實現歷史曲線與報警信息的顯示和查詢功能。

LabSQL訪問數據庫的基本步驟[10]如下。

① 通過ADO Create.vi創建一個Connection對象，利用ADO Connection Open.vi建立與數據庫的連接，數據庫字符串ConnectionString“DSN=myDB”。myDB是在Windows ODBC數據源中創建的一個DSN，并與想要連接的數據庫進行連接。

② 利用ADO Recordset Create.vi創建一個Recordset對象，再利用ADO Recordset Open.vi打開Recordset對象，同時利用SQL查詢命令獲得數據庫表中的全部或部分記錄。

③ 通過功能選擇按鈕來選擇控制對數據庫的操作(查詢、添加、刪除、修改)。

④ 利用ADO Recordset Close.vi和ADO Connection Close.vi關閉與數據庫之間的連接。

2.2.5 實物模擬平臺運動

實物HT-6DOF-500 6自由度搖擺臺采用PLC、MP-C152與MP-C154運動控制卡及其對應的軟件控制其運動，采用6個伺服電動缸驅動各個自由度，對外提供了6自由度單個動作的動態連接庫文件(.dll文件)。對提供的.dll文件進行分析研究，采用以太網TCP/IP通信協議，編寫LabVIEW應用程序。應用程序能從虛擬仿真機中取得平臺姿態值，通過初始化、運動參數傳遞等手段調用.dll文件，實現HT-6DOF-500模擬海洋平臺姿態變化。

2.2.6 信息處理與安全分析

信息處理的主要內容是設計濾波器。濾波器能過濾高頻波成分，減小一階波浪力的擾動。安全分析主要內容是報警與報警分析，包括平臺位置與姿態、錨泊線的張力等超出規定范圍的報警與分析，并將報警信息保存于數據庫，為后續處理提供依據。

3 系統測試

測試的海洋平臺為半潛式平臺，自重51 979.8 t，長度115 m，寬度80 m。

3.1 虛擬仿真機

采用一臺PC機實現虛擬仿真機。利用Wamit軟件計算測試平臺的環境載荷，得到類似MSS系統中的“semisub.mat”與“semisubABC.mat”格式的數據文件。虛擬仿真機的測試步驟：① 在Matlab/Simulink環境下對建模完成的虛擬仿真機進行測試，觀察是否符合要求；② 測試Simulink模型由SIT應用于LabVIEW后是否能正常工作，包括參數匹配；③ 建立通信，測試虛擬仿真機與監控臺的通信及數據格式是否符合要求。

圖5是虛擬仿真測試的曲線示例。圖5(a)是有義浪高設為2 m時浪高的曲線，曲線中的離散值即是監控臺實時顯示的海洋環境浪高數值，采樣周期取為2 s。圖5(c)是平臺定位系統正常工作時6個自由度在環境干擾情況下的運動曲線示例，它是實物模擬平臺運動的依據。圖5(b)是以橫蕩為橫坐標，縱蕩為縱坐標采用圖5(c)中的數據繪出的，反映平臺在800 s內平面位置的變化情況。由圖5(b)可以看出定位位置在(0，0)點，但由于海洋環境干擾，被測平臺運動在(0，0)附近的一定范圍內。

圖5 仿真測試曲線

3.2 監控臺

采用一臺PC機通過LabVIEW編程[11-12]實現監控臺。監控臺測試步驟：① 單獨測試LabVIEW程序功能模塊，包括參數的設置、海洋平臺3D模型的調用與運動控制以及3D動態模擬顯示、實時參數的顯示、參數趨勢曲線的顯示、報警與分析、數據庫存取功能；歷史數據的顯示等；② 測試監控臺每個功能按鍵的功能；③ 建立通信，測試監控控制臺與虛擬仿真機以及實物模擬平臺之間的數據通信和數據格式；④ 測試實時仿真時監測系統的各種功能。監測界面由4個區組成，左上部分為3D動態模擬顯示，平臺模型隨6自由度值變化而運動，海平面也動態變化，天空不變；左下部分是功能按鍵，可進入對應的功能操作界面；右上部分實時顯示參數，其參數名也被用作按鈕，點擊可查看對應參數的趨勢曲線；右下部分為指示燈，顯示平臺是否工作在正常范圍內。

3.3 實物模擬機

實物模擬機的測試步驟：① 利用模擬機設置各自由度的控制量，單獨測試6自由度搖擺臺HT-6DOF-500每個自由度的運動控制程序，觀察是否按要求進行運動控制；② 建立通信關系，測試模擬機與監控臺以及虛擬機之間的數據通信程序，觀察通信數據值以及格式是否符合要求；③ 測試由監控臺發送的數據控制實物模擬平臺單自由度運動的程序，觀察平臺移動是否符合要求；④ 在前3步都符合測試結果的前提下，測試由監控臺發送的實時仿真數據控制實物模擬平臺6自由度運動的程序，觀察實物模擬機是否正常工作。

測試結果表明：編寫的LabWIEW程序能夠控制6自由度搖擺臺HT-6DOF-500運動，模擬反映海洋平臺的姿態變化。

4 結束語

海洋平臺是海上作業、石油鉆探與生產所需的平臺。海洋平臺姿態模擬與監測系統設計與實現中應用了LabVIEW在系統集成、實時、豐富的人機界面設計等方面的優點;并結合Simulink的建模優勢以及3DMAX在三維仿真建模具有的強渲染效果等優點，充分利用了LabVIEW的接口工具，如串行通信、TCP/IP協議、SIT、動態連接庫調用等功能，解決不同編程語言之間的數據接口問題，縮短實時仿真系統的開發周期、降低開發成本；顯示中采用了三維圖形，使監測系統更加直觀、形象、生動。系統完成了預先的設計目標，對監測類系統的設計與測試應用具有借鑒作用。

[1] 劉海霞.深海半潛式鉆井平臺的發展[J].船舶, 2007(3): 6-10.

[2] 姚曉晨.深水半潛式平臺系泊自動定位半物理仿真研究[D].哈爾濱:哈爾濱工程大學,2012.

[3] Fossen Thor I. Handbook of marine craft hydrodynamics and motion control[M].New York:John Wiley & Sons Ltd.,2011.

[4] 史潔玉,孔玲軍.MATLAB R2012a超級學習手冊[M].北京:人民郵電出版社,2013.

[5] Fossen Thor I. Description of MSS Vessel Models: Conguration Guidelines for Hydrodynamic Codes[EB/OL].http://www.marinecontrol.org,2008

[6] Perez T, Smogelin T, Fossen T I,et al. An overview of the marine systems simulator (MSS): a simulink toolbox for marine control systems[J].Modeling, Identification and Control, 2006, 27(4): 259-275.

[7] 高輝,劉金錦,李艷,等.應用SIT和RTW實現Labview與Matlab/Simulink的混合編程[J].儀器儀表學報,2009,30(10):166-168.

[8] 李文魁,張博,田蔚風,等. 一種波浪中的船舶動力定位運動建模方法研究[J].儀器儀表學報,2007, 28(6):1051-1054.

[9] 史琪琪,楊建民,肖龍飛.深水錨泊定位半潛式鉆井平臺性能數值與試驗研究[J].海洋工程,2011, 29(4):29-42.

[10]尹技虎,王峰.基于LabSQL的Labview數據庫訪問技術[J].儀表技術,2011(4) 55-56.

[11]李江全.虛擬儀器設計測控應用典型實例[M].北京:電子工業出版社,2010.

[12]張宇,黃偉志,郝巖.基于LabVIEW的多功能數據采集系統的設計與實現[J].自動化儀表,2013,34(8):23-26.

Attitude Simulation and Monitoring System for Offshore Platform

Affected by wind, wave, and water flow, the offshore platform is in motion in six degrees of freedom, i.e., surge, sway, heave, roll, pitch and yaw, these seriously threat to its security. In order to analyze and control the offshore platform, the simulation and monitoring system is designed, the system consists of the monitoring console, virtual simulator, and emulated platform. The job of system development is accomplished by using LabVIEW, Matlab/Simulink and 3DMAX. The monitoring console undertakes functions of real time display of parameters, alarm and 3D model, historical records inquiry, etc.the virtual simulator generates various virtual sea conditions,the emulated platform reflects attitude change. The system features flexible configuration and easy to operate. The simulation shows that the system meets functional requirements.

Offshore platform Attitude simulation Virtual simulation Parameters monitoring LabVIEW Modeling

江蘇省產學研聯合創新基金資助項目(編號：BY2013066-08);

江蘇高校高技術船舶協同創新/江蘇科技大學海洋裝備研究院科研基金資助項目(編號：1634871401-06)。

范偉寧(1993-)，男，現為江蘇科技大學測控技術與儀器專業在讀本科生；主要從事海洋、船舶監測系統方面的研究

TP23

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201510013

修改稿收到日期：2015-04-02。