虛擬模擬技術在海洋平臺浮托中的應用

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)又稱虛擬現實(Virtual Reality)，虛擬仿真等。虛擬現實技術是一種可以創建和體驗虛擬世界的計算機仿真系統，它利用計算機生成一種模擬環境是一種多源信息融合的交互式的三維動態視景和實體行為的系統仿真使用戶沉浸到該環境中。虛擬現實技術具有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)：是指利用計算機產生的三維立體圖像，讓人置身于一種虛擬環境中，就像在真實的客觀世界中一樣，能給人一種身臨其境的感覺；交互性(互動感)：在計算機生成的這種虛擬環境中，人們可以利用一些傳感設備進行交互，感覺就像是在真實客觀世界中一樣；想象性：虛擬環境可使用戶沉浸其中并且獲取新的知識，提高感性和理性認識，從而使用戶深化概念和萌發新的聯想，因此虛擬現實可啟發人的創造性思維。

1 浮托虛擬模擬技術

1.1 虛擬模擬模型

虛擬模擬模型包括數值模型(Mathematical Models)和視景數據庫(Visual Scene Database)。數值模型包括浮托安裝船及上部組塊流體動力模型(見圖1)，浮式系統下部結構流體動力模型，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推進器及舵模型，LMU，DSU，護舷系統模型，水深、風、浪、涌、流、潮環境模型等。3D視景數據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備，就位拖輪及拖纜，三用拖輪，上部組塊，下部結構，DSF，LMU，DSU，錨系，浮筒，定位系統等。

1.2 虛擬模擬設施

虛擬模擬設施包括240°～360°全功能模擬器裝備拖輪操作系統設備、DP操作系統設備、作業控制中心監控設備，用于模擬就位拖輪、DP控制室、作業控制中心等，如DP控制室和作業控制中心模擬實際的有限視窗或無任何視窗，CCTV監控，虛擬GPS定位系統等。若全功能模擬器數量有限，不能模擬全部的就位拖輪，系泊系統和絞車系統，其中訓練科目中次要的系統可用虛擬模擬工作站的數值模型來模擬，由虛擬模擬系統IOS操作員負責操作。根據作業指揮系統，給參與虛擬培訓的主要作業人員均配備VHF對講機，滿足指揮系統不同作業頻道需求。虛擬訓練過程中需配備專用的任務報告會議室，便于總結經驗教訓并制定或修改后續訓練科目。

圖2為典型浮托安裝虛擬模擬設施設置，其中全功能模擬器FBM1-3用于模擬三艘就位拖輪，FBM4用于模擬浮托安裝作業控制中心，FMB9用作任務報告會議室以及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和絞車操作系統[1]。

1.3 浮托安裝關鍵人員

參加培訓的主要關鍵人員應包括業主代表、項目經理、安裝經理、安裝工程師、海事擔保代表、浮托安裝總監、就位總監、就位拖輪船長、DP操作員、定位工程師、錨機總監、絞車總監等。

虛擬模擬培訓中心參與人員應包括項目經理、訓練培訓總監、建模工程師、模擬軟件工程師、虛擬模擬系統IOS操作員、精神分析師、培訓記錄員等。

1.4 浮托安裝虛擬模擬程序

1.4.1 準備階段

浮托安裝虛擬模擬準備階段應主要包含下述各方面：

1)收集數據。

2)建立數值模型，包括浮托安裝駁船及上部組塊流體動力模型，浮式系統下部結構流體動力模型，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推進器及舵模型；LMU,DSU，護舷系統模型；水深，風，浪，涌，流，潮環境模型等。

3)建立3D視景數據庫，用于仿真浮托安裝的虛擬場景，包括浮托駁船及甲板上設備、就位拖輪及拖纜、三用拖輪、上部組塊，下部結構，DSF,LMU,DSU，錨系，浮筒，定位系統以及周邊水面設施等。應提供位置坐標、幾何尺寸、顏色、照片等細節材料，以便建立較為逼真的虛擬場景。

4)準備模擬訓練課程表，浮托安裝承包商根據作業程序與培訓中心人員共同準備浮托安裝虛擬模擬培訓計劃，用于實際培訓。

5)準備評估檢查表和問卷表，用于評估訓練情況，指導和修改后續培訓。

6)模擬中心人員內部調試模型和數據庫，并與安裝承包商進行外部驗證模型和數據庫，保證數值模型和視景數據庫的準確性。

7)訓練模擬中心人員調試模擬試驗設備，檢查新數據庫、新模型、新模擬設備、新程序軟件等設備的可行性。

1.4.2 執行階段

浮托安裝虛擬模擬執行階段應主要包含下述各方面：

1)全體關鍵人員開啟動會，介紹模擬訓練課程計劃及目的，熟悉培訓設施和培訓形式；

2)正式培訓，應包括每堂虛擬訓練科目、課后問卷表、課后任務報告和課后總結；訓練時應盡量保持真實性以及必要的意外性；

3)依據當日培訓情況修改和完善后續培訓課程；

4)正式培訓完成后進行總結討論，形成初步結論及推薦意見；

5)編寫正式虛擬模擬培訓報告和精神分析報告；

6)依據培訓結果和推薦意見完善浮托安裝作業程序，依據精神分析報告調整施工人員職責。

2 浮托模擬關鍵任務

荔灣3-1項目，惠州25-8項目，文昌9-2/9-3項目設定了典型仿真科目：就位訓練、系纜、進船、退船、應急響應等(需在不同科目中設定相應的環境條件)；并進行作業方案預演及主要作業人員的培訓，讓施工團隊熟悉完善作業流程。

2.1 浮托就位訓練

海洋平臺運輸駁船抵達施工現場后，定位人員需在主作業船，主拖輪，運輸駁船，拋錨拖輪，輔助拖輪安裝調試定位設備。就位訓練時運輸駁船首尾各連接兩條拖輪，用于控制運輸駁船。該訓練包括：

1)保持運輸駁船船位在50 m范圍內；

2)運輸駁船前進，左右移動，多方位旋轉等；

3)輔助拖輪拖纜失效；

4)運輸駁船進入待命工況，上線準備浮托作業；

5)上述訓練在低能見度(200 m)情況下操作。

2.2 拋錨和錨系連接訓練

根據現場天氣預報滿足72 h作業時進行拋錨和錨系連接作業。該訓練包括：

1)拋錨拖輪拋錨；

2)兩個拖輪配合連接錨系;

3)上述訓練在低能見度情況(200 m)下操作。

2.3 進船訓練

根據天氣預報情況決定是否進船進行浮托，該訓練包括：

1)移動運輸駁船靠近導管架；

2)連接交叉纜和縱向纜；

3)進入導管架槽口。

2.4 退船訓練

浮托作業完成后，進行退船作業，該訓練包括：

1)從導管架槽口退出；

2)退至待命位置，并進行穩船作業。

2.5 應急響應

在浮托過程中，會出現斷纜，拖輪失效等緊急情況發生，評估應急反應程序。該訓練包括：

1)各工況下就位拖輪失效；

2)各工況下系泊纜繩斷裂。

3 結語

虛擬模擬技術的不斷成熟，陸續應用于荔灣3-1項目，惠州25-8項目，文昌9-2/9-3項目海洋平臺浮托項目。虛擬模擬目的是研究和驗證浮托安裝關鍵作業程序，根據浮托安裝設計制定模擬培訓計劃，盡可能逼真地虛擬模擬安裝作業環境，對參與浮托安裝關鍵人員進行培訓，使關鍵人員熟悉安裝程序，進行團隊建設；全面檢查浮托安裝程序，確認工程設計方案的可行性，根據虛擬模擬的情況對安裝作業程序以及作業限制條件進行修改；評估應急反應程序，研究人機互動的影響，減少作業風險，節省海事保險費，對安裝作業關鍵人員進行精神分析，為浮托設計提供可靠的參考依據。