半潛船滾裝重大件壓載水調(diào)節(jié)可視化研究

白青壯，楊國(guó)豪，徐軼群

(集美大學(xué)輪機(jī)工程學(xué)院，福建 廈門 361021)

0 引言

隨著全球性能源緊張，石油天然氣勘探開發(fā)行業(yè)急劇發(fā)展，用于勘探和開發(fā)石油天然氣的體積龐大和沉重的大件設(shè)備運(yùn)輸量也迅速增加[1]．半潛船因其船舶結(jié)構(gòu)特性和特殊用途，近年來多用來運(yùn)輸海洋大型結(jié)構(gòu)物．半潛船不僅結(jié)構(gòu)復(fù)雜、建造難度大，而且使用起來兇險(xiǎn)異常．在裝卸過程中，半潛船主要是通過排壓壓載水來滿足船舶的裝卸要求．對(duì)于半潛船壓載水系統(tǒng)仿真方面，文獻(xiàn)[2]用VB實(shí)現(xiàn)了半潛船航海模擬器的壓載水系統(tǒng)仿真;文獻(xiàn) [3]利用MINIS通用仿真平臺(tái)與Intouch工控組態(tài)軟件，開發(fā)了船舶壓載水系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真與監(jiān)控程序．現(xiàn)有文獻(xiàn)基本上都是以二維形式來進(jìn)行船舶壓載水系統(tǒng)的仿真，本文對(duì)半潛船壓載水系統(tǒng)進(jìn)行了三維視景仿真．

1 半潛船滾裝作業(yè)簡(jiǎn)述

基于貨物自身特點(diǎn)的不同，半潛船裝載方式大體可分為滾裝、潛裝、吊裝以及上述方式的配合利用．其中，滾裝作業(yè)安全系數(shù)較高，綜合效率較大，是目前發(fā)展?jié)摿ψ畲蟮难b載方式，尤其是對(duì)于不具浮性的海洋結(jié)構(gòu)物，基本上都是采用半潛船滾動(dòng)裝載．滾裝作業(yè)主要有橫向滾裝和縱向滾裝兩種方式．相對(duì)縱向滾裝來說，橫向裝載作業(yè)受外界(如風(fēng)、流)影響較小，潛船只需要常規(guī)?？?，操作方便且效率較高．半潛船滾動(dòng)裝卸作業(yè)過程如圖1所示，其基本流程為:重大件先固定到滑靴上或滾動(dòng)車組上，然后再通過連接岸基與半潛船的滑道滑移或滾動(dòng)到半潛船上．滾裝作業(yè)過程中貨物需勻速緩慢裝卸，同時(shí)實(shí)時(shí)計(jì)算半潛船的浮態(tài)及穩(wěn)性，并及時(shí)對(duì)各壓載水艙的壓載水進(jìn)行調(diào)節(jié)，使半潛船裝載甲板上的滑道保持水平，且與岸基上滑道的高度差控制在一定的范圍內(nèi)．

圖1 半潛船滾裝作業(yè)過程受力分析Fig.1 The sketch map of Ro/Ro process of semi-submersible heavy lift vessel

2 可視化仿真系統(tǒng)的仿真流程

本系統(tǒng)中的半潛船、重大件以及龍門吊、地形等模型的建立與烘焙在3 ds Max中進(jìn)行，將模型導(dǎo)入到MultiGen Creator中進(jìn)行模型簡(jiǎn)化，然后利用Vega Prime的LynX Prime界面對(duì)場(chǎng)景進(jìn)行基本布置，最后結(jié)合Visual C++2003開發(fā)平臺(tái)對(duì)軟件進(jìn)行編寫調(diào)試，實(shí)現(xiàn)可視化系統(tǒng)的仿真，其流程圖如圖2所示．

圖2 仿真系統(tǒng)流程圖Fig.2 Flowchart of the visual simulation system

3 可視化仿真系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

3.1 半潛船及重大件的幾何建模

基于實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)運(yùn)算的快速性和展示的真實(shí)性，建模軟件需要綜合考慮模型質(zhì)量與數(shù)據(jù)量[4]，選用3 ds Max和MultiGen Creator相結(jié)合的方法來解決模型質(zhì)量和數(shù)據(jù)量沖突的問題．3 ds Max具有建模逼真、易操作等優(yōu)點(diǎn)，但模型本身數(shù)據(jù)量大．而實(shí)時(shí)仿真建模軟件MultiGen Creator因其獨(dú)特的OpenFlight數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)可以優(yōu)化模型數(shù)據(jù)庫，與后續(xù)的實(shí)時(shí)仿真軟件Vega Prime無縫結(jié)合，故在該可視化系統(tǒng)中3 ds Max僅作為基本建模工具，在Creator中進(jìn)行模型簡(jiǎn)化工作．3 ds Max與Creator中模型如圖3—圖6所示．

圖3 Max中半潛船模型Fig.3 Semi-submersible heavy lift vessel model in Max

圖4 Creator中半潛船模型Fig.4 Semi-submersible heavy lift vessel model in Creator

圖5 Max中重大件模型Fig.5 Heavy Lifts model in Max

圖6 Creator中重大件模型Fig.6 Heavy Lifts model in Creator

3.2 模型優(yōu)化技術(shù)

在具體的視景仿真中，由于所建三維模型數(shù)據(jù)量大，所以必須對(duì)其中模型進(jìn)行簡(jiǎn)化與適當(dāng)優(yōu)化，否則會(huì)導(dǎo)致后期仿真系統(tǒng)渲染、驅(qū)動(dòng)較慢．本文所做的模型簡(jiǎn)化工作主要針對(duì)3 ds Max建模過程，具體表現(xiàn)有:對(duì)模型中的非主要部分采用整體建模以減少模型面數(shù)，如半潛船的首部上層建筑;在保證精度與可觀性的基礎(chǔ)上，盡量減少模型中圓柱體、長(zhǎng)方體等規(guī)則體的端面與軸向的分段數(shù)，如重大件的浮體部分;刪除模型中多余的點(diǎn)和面，尤其是模型中看不到的面，如重大件和壓載水艙中重疊的面等．

3.3 視點(diǎn)控制技術(shù)

在視景仿真應(yīng)用軟件中，相機(jī)是用于觀察動(dòng)態(tài)場(chǎng)景的主要途徑之一[5]．在該視景仿真中，設(shè)置了多架虛擬相機(jī)，其中分別定位在半潛船的左右舷外一定距離且靠近船頭部與尾部的位置、船舶側(cè)上方，它們能夠動(dòng)態(tài)地顯示半潛船各壓載艙水液位在某一時(shí)刻所處的位置及全部視圖場(chǎng)景．此外，為了能夠觀察到重大件貨物在整個(gè)裝載過程的位置變化，需在貨物上綁定一架相機(jī)．場(chǎng)景中的所有相機(jī)可以通過鍵盤或鼠標(biāo)很容易地進(jìn)行轉(zhuǎn)換，即視點(diǎn)轉(zhuǎn)換．

3.4 可視化系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)技術(shù)

視景仿真包括虛擬環(huán)境的制作和仿真的驅(qū)動(dòng)，即建模與后臺(tái)程序支持．虛擬環(huán)境的制作主要為場(chǎng)景模型的建立與布局，虛擬出一個(gè)完整逼真的現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景;仿真驅(qū)動(dòng)則是已建立的虛擬場(chǎng)景能夠按照后臺(tái)程序要求或響應(yīng)交互操作再現(xiàn)虛擬場(chǎng)景[6]．該可視化仿真系統(tǒng)中采用的視景驅(qū)動(dòng)平臺(tái)為Vega Prime 2.0.1，為保證系統(tǒng)渲染的快速性及針對(duì)性，對(duì)船廠建模進(jìn)行了簡(jiǎn)化．圖7為本系統(tǒng)程序驅(qū)動(dòng)流程圖．

圖7 仿真系統(tǒng)程序驅(qū)動(dòng)流程圖Fig.7 Process-driven flowchart of the visual simulation system

4 可視化仿真系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

半潛船滾動(dòng)裝卸過程中，需要實(shí)時(shí)排壓壓載水以保證船舶橫傾角趨于零、裝載甲板與岸基齊平．對(duì)于壓載水調(diào)節(jié)的優(yōu)化模型，本文參考了文獻(xiàn) [7]中的數(shù)學(xué)模型，即

以壓載水艙的水調(diào)節(jié)量絕對(duì)值之和為目標(biāo)函數(shù)，以船舶靜力學(xué)原理和實(shí)際約束要求為約束條件．

公式 (1)中，Opt為優(yōu)化目標(biāo)函數(shù);Dm為第m艙室壓載水的調(diào)節(jié)量;P、W、U分別為半潛船裝載甲板的貨物重力分量、半潛船空船重力、其他固定貨物的重力，(XP，YP)、(XW，YW)、(XU，YU)為其相應(yīng)的重心縱坐標(biāo)和橫坐標(biāo);Tm、Xm、Ym為第m壓載水艙的壓載水量、壓載水的重心的縱坐標(biāo)、橫坐標(biāo);F、XF、YF分別為浮力、浮力作用點(diǎn)的縱坐標(biāo)和橫坐標(biāo)．

通過約束最優(yōu)化的方法求解出公式 (1)的解，得出第m艙室壓載水的調(diào)節(jié)量Dm．

仿真系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的具體過程為:當(dāng)重大件貨物沿特定路線勻速行進(jìn)時(shí)，在t時(shí)刻重大件貨物位于半潛船載貨甲板某處，此時(shí)半潛船m艙室的壓載水量為Tm，液位為hm．Δt時(shí)間后，貨物在裝載甲板移動(dòng)Δs距離，此時(shí)重大件貨物在半潛船裝載甲板的貨物重力分量為P，船舶的其他參數(shù)為已知．由數(shù)學(xué)模型 (1)可求出Δt時(shí)間內(nèi)各艙室壓載水的調(diào)節(jié)量Dm，此時(shí)刻半潛船的壓載水量為Tm－Dm，進(jìn)而可求出艙室壓載水液位．如此，隨著貨物向載貨甲板的緩慢駛?cè)?，船舶壓載水實(shí)時(shí)進(jìn)行調(diào)節(jié)以滿足船舶的浮態(tài)與穩(wěn)性要求，當(dāng)貨物到達(dá)指定位置時(shí)，停止調(diào)載，仿真結(jié)束．

按照上文所述的仿真方法，在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)的半潛船滾裝重大件作業(yè)壓載水調(diào)整可視化仿真系統(tǒng)的截圖如圖8，圖9所示．

圖8 水面以下視圖場(chǎng)景Fig.8 View scene under the water

圖9 水面以上視圖場(chǎng)景Fig.9 View scene over the water

5 總結(jié)

為了半潛船重大件滾動(dòng)裝卸安全高效的需要，本文基于三維仿真軟件平臺(tái)Vega Prime，對(duì)滾裝作業(yè)過程中的壓載水調(diào)節(jié)進(jìn)行了全過程動(dòng)態(tài)可視化仿真．可用于重大件貨物的實(shí)際裝載過程的三維模擬演示，使裝載作業(yè)過程更為直觀，為進(jìn)一步研究重大件貨物的裝載作業(yè)打下基礎(chǔ)．

[1]魯佳．重大件運(yùn)輸船的機(jī)遇 [J]．中國(guó)水運(yùn)，2006(10):23．

[2]張顯庫，金一丞，尹 勇．半潛船航海模擬器的壓載水系統(tǒng)仿真 [J]．中國(guó)航海，2008，31(3):230-235．

[3]肖民，姚壽廣，路詩奎，等．船舶壓載水系統(tǒng)仿真建模與控制的研究與實(shí)現(xiàn) [J]．系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，17(12):3036-3039．

[4]肖瓊．3DS MAX和MultiGen Creator結(jié)合建模探討[J]．系統(tǒng)仿真技術(shù)及應(yīng)用，2005(8):125-128．

[5]廉靜靜．基于OpenGVS半潛船操作模擬器視景系統(tǒng)的研究 [J]．計(jì)算機(jī)應(yīng)用與軟件，2011，28(5):67-70．

[6]張海龍．基于Vega Prime/Creator的船舶重大件裝卸仿真 [J]．中國(guó)水運(yùn)，2012，12(6):61-63．

[7]廉靜靜．航海模擬器中半潛船滾裝作業(yè)研究 [J]．中國(guó)航海，2011，34(1):5-8．