水下管匯安裝虛擬仿真訓(xùn)練系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

張建兵，陳從磊，連遠(yuǎn)鋒，嚴(yán)澤梟

（1.中國石油大學(xué)（北京）信息科學(xué)與工程學(xué)院；2.中國石油大學(xué)（北京）石油數(shù)據(jù)挖掘北京市重點實驗室，北京 102249；3.中國石油化工股份有限公司石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083）

0 引言

隨著我國油氣資源的開發(fā)逐步走向深水油氣田，水下生產(chǎn)系統(tǒng)得到了廣泛應(yīng)用，已成為海洋油氣開發(fā)與生產(chǎn)的關(guān)鍵裝備。水下管匯是一種基于重力的大型水下設(shè)備，是水下油、氣生產(chǎn)的匯集與分配中心［1-2］。作為水下生產(chǎn)系統(tǒng)中重要的組成部分，其造價高、體積大，內(nèi)部管線高度密集。在安裝作業(yè)過程中，安裝母船以及整個管匯作業(yè)系統(tǒng)會受到海上風(fēng)、浪與水流的聯(lián)合作用，安裝難度與風(fēng)險均較大，如果出現(xiàn)差錯，損失將無比慘重［3-5］，因此對油田作業(yè)員工進(jìn)行深海水下作業(yè)項目的培訓(xùn)十分必要。

為提高油田作業(yè)員工對深海水下作業(yè)項目的操作水平，文獻(xiàn)［6］根據(jù)中國陵水、流花氣田水下管匯的實際設(shè)計情況，提出管匯質(zhì)量計算的理論方法，實現(xiàn)了利用各部件三維模型快速搭建水下管匯、估算水下管匯質(zhì)量的目標(biāo)；文獻(xiàn)［7］結(jié)合水下管匯主要設(shè)備構(gòu)件的組成與布置對國產(chǎn)化水下管匯設(shè)計方案進(jìn)行了優(yōu)化；文獻(xiàn)［8］開發(fā)了一個基于Unity 3D 平臺的水下管匯模塊化設(shè)計仿真系統(tǒng)，完成了水下管匯設(shè)計模塊的拆分，為水下管匯國產(chǎn)化、智能化設(shè)計提供了技術(shù)支持；文獻(xiàn)［9］基于三維建模、3D 渲染、工程船舶系統(tǒng)的數(shù)學(xué)建模等基礎(chǔ)工作實現(xiàn)了大型工程船舶虛擬仿真訓(xùn)練系統(tǒng)的開發(fā)；文獻(xiàn)［10］研發(fā)了水電站運維仿真培訓(xùn)系統(tǒng)，實現(xiàn)了水電站三維場景漫游、機組各部件模擬拆裝、典型操作模擬、誤操作仿真培訓(xùn)等功能；文獻(xiàn)［11］基于三維虛擬仿真技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)開發(fā)了井下虛擬仿真培訓(xùn)系統(tǒng)；文獻(xiàn)［12］基于Unity3D 平臺實現(xiàn)了海上鉆修井平臺鉆柱自動化處理虛擬仿真系統(tǒng)；文獻(xiàn)［13］利用物理操作系統(tǒng)、虛擬船、工具機、水下生產(chǎn)系統(tǒng)與海洋環(huán)境構(gòu)建了一個基于虛擬現(xiàn)實的深水水下應(yīng)急維修仿真系統(tǒng)。然而以上虛擬仿真訓(xùn)練系統(tǒng)構(gòu)建技術(shù)并不適用于深海工程仿真模擬系統(tǒng)的構(gòu)建，原因是：①缺少模擬復(fù)雜海洋環(huán)境中海水動態(tài)變化的水力模型；②缺少吊裝過程中較為關(guān)鍵的繩索模型仿真；③仿真系統(tǒng)在模擬水下重要設(shè)備的細(xì)節(jié)和行為方面仍有欠缺，需要進(jìn)一步提高系統(tǒng)的物理精度和真實感。

針對上述問題，本文將實時動力學(xué)物理仿真引擎Vortex［14-15］與視景仿真Vega Prime［16-17］平臺進(jìn)行有機結(jié)合，對深水海洋環(huán)境和吊裝繩索進(jìn)行實時動力學(xué)仿真，對水下管匯安裝過程進(jìn)行仿真操作模擬，構(gòu)建了一個符合深水水下安裝培訓(xùn)需求的虛擬仿真軟件系統(tǒng)。通過對作業(yè)環(huán)境、管匯、繩索、吊鉤、導(dǎo)向樁、無人遙控潛水器（Remotely Operated Vehicle，ROV）進(jìn)行物理屬性與幾何屬性建模，該系統(tǒng)可對管匯吊起、管匯下放、ROV 抓取管匯、ROV 推動管匯對中4 個操作項目進(jìn)行模擬。此外，本研究通過分步評分與專家規(guī)則評分相結(jié)合的方式實現(xiàn)了仿真操作自動評分，經(jīng)過實踐檢驗，評價結(jié)果較為合理。該系統(tǒng)可有效對操作人員進(jìn)行訓(xùn)練，減少實際安裝過程中的失誤，對保證吊裝過程穩(wěn)定性起到積極作用。

1 系統(tǒng)設(shè)計

整個系統(tǒng)基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)構(gòu)建，硬件部分包含多臺仿真服務(wù)器以及3 個操控臺，分別為ROV 操控臺、吊機操控臺以及絞車操控臺。海洋環(huán)境、安裝船舶、管匯、ROV 機器人均采用虛擬仿真技術(shù)構(gòu)建。系統(tǒng)采用操控層、作業(yè)服務(wù)層和數(shù)據(jù)層3 層架構(gòu)，其中作業(yè)服務(wù)層是整個系統(tǒng)的核心，包括海洋環(huán)境仿真組件、操控臺通訊組件、對各個模型進(jìn)行操控的組件以及碰撞檢測服務(wù)組件；操控層包括ROV、手機、平板等各終端操作平臺；數(shù)據(jù)層用于記錄仿真操作過程數(shù)據(jù)并進(jìn)行操作評分。整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 實時動力學(xué)仿真環(huán)境構(gòu)建

實時動力學(xué)仿真環(huán)境是一種將幾何模型與物理仿真模型相結(jié)合構(gòu)建的仿真環(huán)境，具有仿真解算真實性和實時性的特點［18-20］。該仿真環(huán)境采用的物理仿真引擎Vortex具有專業(yè)的多體動力學(xué)解算能力，能較為精確地對流體場內(nèi)的剛體模型進(jìn)行動力學(xué)解算。視景仿真部分采用Vega Prime 平臺作為支撐，該平臺底層圖形庫為OpenGL，其提供了Lynx Prime 圖形用戶界面工具，通過ACF（Application Configuration File）文件對視景仿真環(huán)境進(jìn)行配置。Vega Prime 還提供了面向海洋仿真的Marine 模塊，可以繪制逼真的海面風(fēng)浪效果。

水下管匯安裝虛擬仿真訓(xùn)練系統(tǒng)的實時動力學(xué)仿真環(huán)境結(jié)構(gòu)如圖2所示。

Fig.2 Real time dynamic simulation environment structure圖2 實時動力學(xué)仿真環(huán)境結(jié)構(gòu)

通過MultiGen Creator［17］完成系統(tǒng)中管匯、船、ROV、吊機等模型的幾何模型構(gòu)建；通過Vortex Editor 完成管匯、船、ROV、吊機等模型的物理模型構(gòu)建。Vega Prime 與Vortex 均通過配置文件對模型進(jìn)行初始化，其中場景繪制模塊負(fù)責(zé)場景生成與模型加載顯示；場景調(diào)度模塊負(fù)責(zé)場景切換；視點控制模塊負(fù)責(zé)從多個方位與角度顯示場景；模型運動模塊負(fù)責(zé)模型的移動，包括前進(jìn)、后退、左移、右移、左旋、右旋等；水下動力學(xué)解算模塊負(fù)責(zé)水下物體的受力分析，改變物體的狀態(tài)；碰撞檢測模塊負(fù)責(zé)物體之間的碰撞分析，根據(jù)物體質(zhì)量、運動速度、表面屬性、相關(guān)約束等狀態(tài)進(jìn)行實時動力學(xué)解算得到其仿真運動狀態(tài)。

2.2 繩索模型的動力學(xué)仿真

滑輪繩索被廣泛應(yīng)用于工程機械、航空航天等領(lǐng)域，作為典型的剛?cè)狁詈隙囿w系統(tǒng)，其動力學(xué)建模與仿真存在以下難點［21］：①繩索在各個滑輪之間流動；②繩索的抗彎模量很小，主要通過軸向變形和增加動能來承受橫向載荷；③滑輪與繩索的接觸段是動態(tài)變化的。吊機需要繩索與滑輪配合實現(xiàn)起吊。本文中柔性繩索的模擬采用Vortex開發(fā)庫中的Cable 模塊，其實現(xiàn)原理為在空間內(nèi)建立若干個剛性繩索段，然后采用具有一定自由度的約束機制將各繩索段首尾連接形成具有一定柔性的繩索類對象（VxCable）。采用集中質(zhì)量法對纜繩進(jìn)行模擬，將連續(xù)的纜繩用N+1個點平均分為N 段，將其離散成N 個線性單元。

采用插件的方式模擬繩索，定義了CableDisplayNode_VP 類，具體代碼為：

繩索顯示采用圓柱體型、線型和多面體型3 種形態(tài)，其動力學(xué)仿真效果如圖3所示。

Fig.3 Dynamic simulation of rope圖3 繩索動力學(xué)仿真

圖4、圖5、圖6（彩圖掃OSID 碼可見，下同）分別為采用上述方式構(gòu)建繩索仿真模型后，系統(tǒng)啟動吊裝、吊起管匯以及運移管匯等時繩索的狀態(tài)。可以看出，繩索的仿真狀態(tài)與實際相符，效果逼真，驗證了本文繩索仿真方法的有效性。

Fig.5 Rope status when lifting the manifold圖5 吊起管匯時繩索狀態(tài)

Fig.6 Rope status during migration of the manifold圖6 運移管匯時繩索狀態(tài)

2.3 系統(tǒng)視景仿真

系統(tǒng)視景仿真包括三維海洋場景仿真、水下系統(tǒng)設(shè)備、場景切換以及場景漫游設(shè)計等。三維海洋場景仿真包括對海面波浪的模擬、海平面以上大氣環(huán)境視景以及海底地形的場景呈現(xiàn)。通過二次開發(fā)Vega Prime 大氣光照模型，對環(huán)境光和漫反射進(jìn)行調(diào)節(jié)可渲染出海洋水體的光學(xué)效果。結(jié)合Vega Prime Marine 模塊可實現(xiàn)生動真實的海面波浪效果，還可使海面波浪隨工況條件的變化而發(fā)生變化。海平面場景模擬如圖7 所示，海底場景模擬如圖8所示。

Fig.7 Sea level scene simulation圖7 海平面場景模擬

Fig.8 Underwater scene simulation圖8 海底場景模擬

2.4 管匯吊起運動仿真

管匯吊起具體過程為操控吊機下放吊鉤，勾起管匯上的繩索，然后拉起管匯。整個過程涉及吊臂、繩索、吊鉤和管匯4 個模型，采用剛體模型的動力學(xué)仿真。采用VxPart類作為剛體的基本動力學(xué)模塊，該對象關(guān)聯(lián)了對應(yīng)于剛體動力學(xué)模型的VxCollisionGeometry 類對象和對應(yīng)于剛體幾何外形的VxNode 類對象。系統(tǒng)每一部分的物理模型根據(jù)物體特性得到相應(yīng)的運動規(guī)律，同時空間中的剛體還可根據(jù)物理模型的幾何外形創(chuàng)建碰撞檢測幾何體外形，作為該物體在空間中受到碰撞時的檢測形態(tài)。在管匯吊起過程中，當(dāng)?shù)蹉^與管匯繩索接觸時將觸發(fā)吊起動作。基于幾何模型與物理仿真模型的結(jié)合，本文實現(xiàn)了真實感強的水下管匯安裝過程仿真，管匯吊裝與入水的實現(xiàn)效果如圖9 所示。物體在碰撞時會根據(jù)其質(zhì)量、運動、速度、表面屬性、相關(guān)約束等狀態(tài)進(jìn)行實時動力學(xué)解算得到其仿真運動狀態(tài)。整個運動狀態(tài)時空數(shù)據(jù)會被發(fā)送到后臺數(shù)據(jù)存儲平臺中，作為后續(xù)評價打分的依據(jù)。

Fig.9 Implementation effect of manifold lifting and water inlet圖9 管匯吊裝與入水的實現(xiàn)效果

2.5 仿真訓(xùn)練評分

仿真考評是評價操作員培訓(xùn)效果以及確定操作員是否勝任實際工作的重要手段［22-24］。采取科學(xué)合理的評估方法正確反饋訓(xùn)練真實情況有助于快速提升操作人員的技能水平。水下管匯安裝虛擬仿真訓(xùn)練系統(tǒng)采取分步評分為主、專家規(guī)則評分為輔的方式打分。其將訓(xùn)練系統(tǒng)分解為若干科目，然后將科目分解為若干基礎(chǔ)步驟，形成樹狀的基礎(chǔ)步驟集合。具體如圖10所示。

Fig.10 Tree diagram of subjects and basic steps圖10 科目與基礎(chǔ)步驟樹狀圖

每個科目和基礎(chǔ)步驟均可設(shè)置相應(yīng)的權(quán)重，例如科目1“吊起管匯”的5個基礎(chǔ)步驟權(quán)重設(shè)置界面如圖11所示。

Fig.11 Weight setting interface of the basic steps of subject 1圖11 科目1基礎(chǔ)步驟權(quán)重設(shè)置界面

每個基礎(chǔ)步驟還需結(jié)合專家評分規(guī)則庫進(jìn)行評分。專家知識規(guī)則庫示例見圖12。目前針對水下管匯安裝虛擬仿真訓(xùn)練系統(tǒng)可供參考的規(guī)則和經(jīng)驗較少，因此將知識規(guī)則庫設(shè)計為較為靈活的狀態(tài)，以便動態(tài)修改。本文采用基于Java 語言開發(fā)的開源規(guī)則引擎drools［24］，其可將復(fù)雜且多變的業(yè)務(wù)規(guī)則從硬編碼中解放出來，以規(guī)則腳本的形式存放在文件或數(shù)據(jù)庫中，通過規(guī)則庫高效解決業(yè)務(wù)規(guī)則變動問題。

Fig.12 Example of expert knowledge rule base圖12 專家知識規(guī)則庫示例

3 系統(tǒng)應(yīng)用效果

水下管匯安裝虛擬仿真訓(xùn)練系統(tǒng)的實物操縱臺如圖13 所示，包括吊機操作臺、絞車操作臺、ROV 操作臺3 個部分。

Fig.13 Physical control console圖13 實物操控臺

本系統(tǒng)同時設(shè)計了4 種模式，分別為：①自動演示模式。該模式為水下管匯操作的自動演示模式，系統(tǒng)嚴(yán)格按照操作規(guī)程進(jìn)行完整的作業(yè)演示，使受訓(xùn)者熟悉正確操作流程；②科目訓(xùn)練模式。該模式依據(jù)向?qū)崾具M(jìn)行安全操作訓(xùn)練，在每個操作步驟開始前都通過簡潔的文字提示如何操作，受訓(xùn)者利用輸入設(shè)備對部件進(jìn)行操作，完成相應(yīng)步驟；③自主操作模式。該模式下受訓(xùn)者可以對所有部件進(jìn)行各種操作（包括正確的和錯誤的），并在虛擬環(huán)境中展示出來；④考核模式。該模式下系統(tǒng)對用戶操作過程進(jìn)行詳細(xì)記錄，考核結(jié)束后進(jìn)行智能評分。

實物操控臺、Vortext 物理引擎以及虛擬場景技術(shù)的結(jié)合使仿真系統(tǒng)既保持了實物操控真實感強的特點，又降低了訓(xùn)練操作成本。為確保水下管匯安裝虛擬仿真訓(xùn)練系統(tǒng)各項功能正常運行，本文進(jìn)行了纜繩、管匯抓取、管匯入水、管匯碰撞檢測、水下機器人運動以及操作評分等方面的測試，測試結(jié)果均為通過，可見該系統(tǒng)能有效滿足深水水下安裝培訓(xùn)需求。同時在系統(tǒng)上針對6 種工況進(jìn)行了測試，結(jié)果見表1。系統(tǒng)在工況1 和工況6 下的運行效果比較如圖14所示。

Table 1 System test condition表1 系統(tǒng)測試工況

Fig.14 Comparison of operating effects of the system under condition 1 and condition 6圖14 系統(tǒng)在工況1和工況6下的運行效果比較

4 結(jié)語

針對水下管匯在深水中安裝風(fēng)險大、復(fù)雜度高等問題，本文提出將Vortex 與Vega Prime 虛擬現(xiàn)實平臺相結(jié)合，構(gòu)建一個符合深水水下安裝培訓(xùn)需求的水下管匯虛擬仿真軟件系統(tǒng)。該系統(tǒng)可全面模擬管匯吊起、管匯下放、ROV 抓取管匯、ROV 推動管匯對中等安裝過程，方便有效地培訓(xùn)工作人員掌握各種操作技能，減少實際操作中的風(fēng)險。雖然虛擬仿真能在一定程度上模擬實際工況，但難免會存在一定差異。未來將致力于優(yōu)化硬件設(shè)備、降低成本，并將人工智能技術(shù)應(yīng)用于虛擬仿真系統(tǒng)中，使其能夠根據(jù)操作人員表現(xiàn)自適應(yīng)調(diào)整培訓(xùn)項目與進(jìn)度，進(jìn)一步提高培訓(xùn)效果與效率。