海洋結(jié)構(gòu)物牽引裝船和模擬系統(tǒng)功能需求研究

趙乃東

(海洋石油工程股份有限公司安裝公司，天津 300452)

0 引言

海洋結(jié)構(gòu)物的牽引裝船，是指通過牽引工具(比如:拉力千斤頂，拖拉絞車等)及配套系統(tǒng)，把海洋結(jié)構(gòu)物從建造場地，沿著滑道，向駁船上轉(zhuǎn)移的工作。牽引裝船，是海洋石油平臺(tái)施工的一項(xiàng)重要的工作。建立一套牽引裝船模擬仿真軟件系統(tǒng)，可以驗(yàn)證裝船方案的安全可行性，可以在電腦上進(jìn)行牽引裝船工作的實(shí)操工作的演習(xí)，同時(shí)也可用于對(duì)技術(shù)和操作人員進(jìn)行培訓(xùn)。模擬仿真軟件系統(tǒng)內(nèi)核，最大程度地模擬牽引裝船的實(shí)際工作，支持多人在多臺(tái)電腦上聯(lián)機(jī)，互相配合，一起完成結(jié)構(gòu)物裝船工作的演練。本文以2臺(tái)75 t拖拉絞車系統(tǒng)為例，對(duì)各個(gè)系統(tǒng)的構(gòu)成與數(shù)據(jù)相互傳送的關(guān)系進(jìn)行分析，提出模擬系統(tǒng)功能需求。

1 結(jié)構(gòu)物裝船工作流程

清理駁船甲板:按照設(shè)計(jì)圖紙，對(duì)駁船上滑道擺放區(qū)域和焊接固定區(qū)域進(jìn)行清理。

滑道處理:接長陸地滑道至碼頭前沿，擺放駁船上滑道，并焊接固定。

設(shè)備、工具和器械安置:在駁船上焊接主拖拉點(diǎn)，并焊接固定，在陸地上擺放2臺(tái)75 t拖拉絞車及配套系統(tǒng)，在碼頭前擺放4臺(tái)10 t系泊絞車及配套系統(tǒng)。在滑道上設(shè)置止拖點(diǎn)，避免拖拉超過設(shè)計(jì)位置。

駁船就位:在拖輪的協(xié)助下，駁船在陸地滑道前就位，使駁船滑道與陸地滑道基本對(duì)齊。拴緊靠駁用尼龍纜至碼頭帶纜樁。

設(shè)置拖拉系統(tǒng):用拖拉卡環(huán)把主拖拉點(diǎn)和800 t滑輪組連接在一起。從拖拉絞車的滾筒上拽出鋼絲繩，在滑輪組間來回穿引，完成后，用錨卡子扣死。利用小卷揚(yáng)機(jī)把滑輪組牽向?qū)Ч芗芑ド系耐侠c(diǎn)，用卡環(huán)連接，完成拖拉系統(tǒng)的連接。

設(shè)置系泊系統(tǒng):從系泊絞車的滾筒上拽出纜繩，掛到駁船左右舷的帶纜樁上。

設(shè)置監(jiān)測系統(tǒng):在駁船四個(gè)角，左右對(duì)稱選定四個(gè)點(diǎn)，安置四個(gè)標(biāo)尺，在陸地滑道外側(cè)設(shè)置觀測點(diǎn)，為防止視覺障礙干擾，設(shè)置兩個(gè)，用于觀測駁船橫傾和縱傾狀態(tài)。在碼頭邊，安裝驗(yàn)潮標(biāo)尺，隨時(shí)測量水面高度，驗(yàn)證潮汐。在結(jié)構(gòu)物下的滑靴上，畫好刻度線，用來跟蹤結(jié)構(gòu)位置。

設(shè)置調(diào)載系統(tǒng):駁船自帶調(diào)載系統(tǒng)，額外需要布置的是一名調(diào)載工程師和電腦及調(diào)載計(jì)算軟件，以根據(jù)潮汐，進(jìn)行即時(shí)的調(diào)載計(jì)算，修正原設(shè)計(jì)的調(diào)載計(jì)算。

安裝輔助千斤頂:在組塊滑靴后側(cè)，各安裝1臺(tái)200 t千斤頂，用于克服牽引啟動(dòng)摩擦力。

牽引裝船:駁船調(diào)載，使駁船上滑道與陸地滑道高度大致齊平。調(diào)整系泊纜，使陸地滑道與駁船上滑道對(duì)齊，系泊絞車剎死。收緊拖拉絞車，根據(jù)計(jì)算，拖拉絞車帶50%的牽引力。助推千斤頂加力，結(jié)構(gòu)物啟動(dòng)。持續(xù)牽引至碼頭前。持續(xù)調(diào)載，保持駁船上滑道和陸地滑道齊平。根據(jù)調(diào)載計(jì)算報(bào)告，結(jié)合實(shí)際潮汐和觀測到的船舶狀態(tài)，進(jìn)行調(diào)載與牽引相結(jié)合的操作，完成導(dǎo)管架重心，由陸地向駁船上轉(zhuǎn)移，直至結(jié)構(gòu)物牽引到位。結(jié)構(gòu)牽引裝船工作完成。

2 模擬系統(tǒng)名詞定義

模擬系統(tǒng):整個(gè)軟件系統(tǒng)，稱為模擬系統(tǒng)，全系統(tǒng)完全通過鍵盤輸入、視覺觀看和頭腦分析構(gòu)成，沒有語音交流。模擬系統(tǒng)交互關(guān)系圖見圖1。

系統(tǒng):模擬系統(tǒng)的各個(gè)分支系統(tǒng)，包括系泊系統(tǒng)、拖拉系統(tǒng)、監(jiān)測系統(tǒng)、調(diào)載系統(tǒng)、指揮系統(tǒng)和通信系統(tǒng)。

模型:各種船舶、設(shè)備、器械和工具的3D數(shù)據(jù)模型。

平臺(tái):啟動(dòng)軟件后，某系統(tǒng)在電腦上的工作窗口。

輸入框:平臺(tái)上的數(shù)據(jù)的輸入框，通過鍵盤輸入，通過輸出按鈕送出，人為更新。數(shù)據(jù)輸出時(shí)，有語音提示。

接收框:平臺(tái)上的數(shù)據(jù)接收框，顯示接收到的數(shù)據(jù)，即時(shí)更新。當(dāng)數(shù)據(jù)更新時(shí)，有語音提示。

功能按鈕:可以進(jìn)行某一功能的操作，比如啟動(dòng)按鈕、停止按鈕和提升拉力按鈕等。

數(shù)據(jù)輸出按鈕:進(jìn)行數(shù)據(jù)輸出的按鈕。

信息按鈕:進(jìn)行信息交換的按鈕，關(guān)聯(lián)的兩個(gè)平臺(tái)上，同時(shí)響應(yīng)，并伴有語音提示。

對(duì)話廣播框:用于作業(yè)復(fù)雜情況和緊急時(shí)的溝通，每個(gè)操作平臺(tái)都配備此項(xiàng)，后面不再贅述。通過對(duì)話廣播框，可以自由打字，自由觀看，類似于群聊天室的功能。除對(duì)話廣播框以外，各個(gè)平臺(tái)只能與指揮系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和信息交換。

3 模擬系統(tǒng)功能需求

3．1 數(shù)據(jù)庫

建立數(shù)據(jù)庫，主要包括:海陸數(shù)據(jù)，風(fēng)、流、浪、潮汐、運(yùn)輸駁船、運(yùn)輸拖輪、導(dǎo)管架、系泊絞車系統(tǒng)設(shè)備、拖拉系統(tǒng)設(shè)備、滑道、監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)備、駁船調(diào)載系統(tǒng)等的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)模型。

3．2 滑道布置

主拖拉點(diǎn)、陸地滑道和駁船上滑道的布置，通過獨(dú)立的3D動(dòng)畫效果來實(shí)現(xiàn)。

3．3 輔助千斤頂布置

輔助千斤頂?shù)牟贾?，通過獨(dú)立的3D動(dòng)畫效果來實(shí)現(xiàn)。

3．4 通信系統(tǒng)

通信系統(tǒng)，在實(shí)際作業(yè)中表現(xiàn)為:人員通過對(duì)講機(jī)對(duì)話，互相交換信息。在模擬系統(tǒng)中，通信系統(tǒng)是模擬系統(tǒng)中的虛擬系統(tǒng)，不必真實(shí)模擬出來，它反映的是數(shù)據(jù)輸出和信息響應(yīng)。

圖1 模擬系統(tǒng)交互關(guān)系圖

3．5 系泊系統(tǒng)

四臺(tái)系泊絞車及系泊纜的布置，通過獨(dú)立的3D動(dòng)畫效果來實(shí)現(xiàn)。分配給系泊系統(tǒng)四個(gè)相同的平臺(tái)，也就是四臺(tái)電腦由四名人員各自負(fù)責(zé)。平臺(tái)上顯示與系泊絞車連接的系泊纜的動(dòng)態(tài)拉力數(shù)據(jù)、提升拉力按鈕、降低拉力按鈕和安全拉力數(shù)據(jù)警示標(biāo)識(shí)、數(shù)據(jù)輸入框、數(shù)據(jù)輸出按鈕和數(shù)據(jù)接收框。軟件設(shè)置拉力數(shù)據(jù)超過警示標(biāo)識(shí)數(shù)據(jù)為紅色。當(dāng)某一系泊纜的拉力數(shù)據(jù)顯示為紅色，人員填寫數(shù)據(jù)輸入框，并按下數(shù)據(jù)輸出按鈕，把數(shù)據(jù)發(fā)送給指揮系統(tǒng)，等待指揮系統(tǒng)把目標(biāo)數(shù)據(jù)返回到數(shù)據(jù)接收框，進(jìn)行降低拉力操作。在數(shù)據(jù)輸入和輸出時(shí)，平臺(tái)有語音提示。

3．6 拖拉系統(tǒng)

拖拉絞車、滾筒、動(dòng)力站、拖拉索具的布置，通過獨(dú)立的3D動(dòng)畫效果來實(shí)現(xiàn)。分配給拖拉系統(tǒng)兩個(gè)相同的平臺(tái)，由兩名人員分別負(fù)責(zé)。操作平臺(tái)上顯示拖拉力動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)、絞車啟動(dòng)按鈕、絞車停止按鈕和信息按鈕。當(dāng)指揮系統(tǒng)命令啟動(dòng)或者停止時(shí)，信息按鈕響應(yīng)，人員進(jìn)行啟動(dòng)或者停止操作。信息按鈕響應(yīng)時(shí)，伴有語音提示。

3．7 監(jiān)測系統(tǒng)

驗(yàn)潮標(biāo)尺、水平儀和滑靴刻度線的布置，通過獨(dú)立的3D動(dòng)畫效果來實(shí)現(xiàn)。分配給監(jiān)測系統(tǒng)三個(gè)不同的平臺(tái)，由三名人員分別負(fù)責(zé)。驗(yàn)潮標(biāo)尺平臺(tái)上顯示潮水高度數(shù)據(jù)輸入框，數(shù)據(jù)輸出按鈕和信息按鈕。當(dāng)指揮系統(tǒng)命令驗(yàn)潮時(shí)，信息按鈕響應(yīng)，填寫潮水高度數(shù)據(jù)，并按數(shù)據(jù)輸出按鈕，傳給指揮系統(tǒng)。因無法量取實(shí)際的水深，應(yīng)預(yù)先按照潮汐表，繪制潮水高度曲線圖，按照曲線圖的數(shù)據(jù)填寫數(shù)據(jù)。水平儀平臺(tái)上顯示駁船上四個(gè)目標(biāo)點(diǎn)的高度數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)無法采集，模擬系統(tǒng)中，從指揮系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫中調(diào)用，來源于船舶狀態(tài)。如果數(shù)據(jù)超過允許狀態(tài)數(shù)值，通過對(duì)話廣播框，發(fā)送給其他平臺(tái)?；タ潭染€平臺(tái)上顯示結(jié)構(gòu)物與駁船縱向相對(duì)位置的數(shù)據(jù)輸入框、數(shù)據(jù)輸出按鈕和信息按鈕，當(dāng)結(jié)構(gòu)物牽引到某一設(shè)計(jì)位置，按信息按鈕，填寫數(shù)據(jù)輸入框，并發(fā)送給指揮系統(tǒng)。作業(yè)的實(shí)際數(shù)據(jù)無法采集，模擬系統(tǒng)中，從指揮系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫中調(diào)用，來源于結(jié)構(gòu)物狀態(tài)。

3．8 調(diào)載系統(tǒng)

調(diào)載計(jì)算機(jī)、調(diào)載泵和艙位儀表的布置，通過獨(dú)立的3D動(dòng)畫效果來實(shí)現(xiàn)。分配給調(diào)載系統(tǒng)兩個(gè)不同平臺(tái)，由兩名人員分別負(fù)責(zé)。調(diào)載計(jì)算機(jī)平臺(tái)內(nèi)置計(jì)算軟件，滑靴刻度線數(shù)據(jù)接收框、目標(biāo)艙位數(shù)據(jù)輸入框和數(shù)據(jù)輸出按鈕。根據(jù)由指揮系統(tǒng)轉(zhuǎn)傳過來的滑靴刻度線數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，確認(rèn)目標(biāo)艙位數(shù)據(jù)。通過目標(biāo)艙位數(shù)據(jù)框和數(shù)據(jù)輸出按鈕發(fā)送給指揮系統(tǒng)，再通過指揮系統(tǒng)轉(zhuǎn)傳給調(diào)載泵和艙位儀表平臺(tái)。

調(diào)載泵和艙位儀表平臺(tái)上顯示各艙的即時(shí)艙位信息、調(diào)載泵的目標(biāo)艙位數(shù)據(jù)的幾個(gè)接收框、幾個(gè)注水操作按鈕、幾個(gè)排水按鈕、幾個(gè)停止按鈕和信息按鈕。在得到新的目標(biāo)艙位數(shù)據(jù)后，進(jìn)行注水或者排水操作，完成調(diào)載作業(yè)后，按停止操作按鈕和信息按鈕，把調(diào)載完成的信息反饋給指揮系統(tǒng)。

3．9 指揮系統(tǒng)

在實(shí)際作業(yè)中，指揮系統(tǒng)就是牽引裝船作業(yè)的總負(fù)責(zé)人。作為滑移裝船功能需求模擬系統(tǒng)的中樞系統(tǒng)，對(duì)系泊系統(tǒng)、拖拉系統(tǒng)、監(jiān)測系統(tǒng)和調(diào)載系統(tǒng)，進(jìn)行一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的數(shù)據(jù)交換和信息交換。因?yàn)橹笓]系統(tǒng)有些龐雜，針對(duì)四個(gè)系統(tǒng)，設(shè)置四個(gè)平臺(tái)，即系泊系統(tǒng)指揮平臺(tái)、拖拉系統(tǒng)指揮平臺(tái)、監(jiān)測系統(tǒng)指揮平臺(tái)和調(diào)載系統(tǒng)指揮平臺(tái)，由四名人員分別負(fù)責(zé)。為了保證作業(yè)的安全有效，這四名人員可以在平常狀態(tài)下，通過對(duì)話框進(jìn)行溝通和討論，并設(shè)置密碼，其他平臺(tái)人員不可見。另外，分配給指揮系統(tǒng)一個(gè)數(shù)據(jù)庫，供模擬系統(tǒng)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)和調(diào)取。

指揮系統(tǒng)具有三大功能:

1)儲(chǔ)存著模擬系統(tǒng)所有的數(shù)據(jù)，包括環(huán)境數(shù)據(jù)、船舶、設(shè)備、機(jī)械和工具等的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù);

2)可以和各個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，對(duì)各個(gè)系統(tǒng)的平臺(tái)進(jìn)行信息發(fā)送和響應(yīng);

3)因?yàn)楦髌脚_(tái)不能直接進(jìn)行聯(lián)系，指揮系統(tǒng)具有轉(zhuǎn)傳數(shù)據(jù)的功能。

4 結(jié)語

公司正在研究該模擬系統(tǒng)軟件，不可能在一次設(shè)計(jì)中得到成功。相信軟件在多次的調(diào)試后，盡可能地與實(shí)際相結(jié)合，并逐步豐富和完善內(nèi)容，最終會(huì)取得完美的效果。