海洋平臺(tái)姿態(tài)模擬與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

范偉寧 陳紅衛(wèi) 郭明凱 張 巖 張 杰 于婷婷

(江蘇科技大學(xué)電子信息學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

海洋平臺(tái)姿態(tài)模擬與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

范偉寧 陳紅衛(wèi) 郭明凱 張 巖 張 杰 于婷婷

(江蘇科技大學(xué)電子信息學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

受風(fēng)、浪、流的影響，海洋平臺(tái)在縱蕩、橫蕩、升沉、橫搖、縱搖和首搖6個(gè)自由度產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)將威脅其安全。為分析與控制海洋平臺(tái)，設(shè)計(jì)了由監(jiān)控臺(tái)、虛擬仿真機(jī)和模擬平臺(tái)組成的模擬與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。采用LabVIEW、Matlab/Simulink和3DMAX完成系統(tǒng)研發(fā)工作,監(jiān)控臺(tái)具有實(shí)時(shí)顯示參數(shù)、報(bào)警和3D模型，查詢歷史記錄等功能,虛擬仿真機(jī)可產(chǎn)生不同虛擬海況,模擬平臺(tái)能反映姿態(tài)變化。系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)配置靈活、使用方便等特點(diǎn)。仿真表明，系統(tǒng)滿足功能要求。

海洋平臺(tái) 姿態(tài)模擬 虛擬仿真 參數(shù)監(jiān)測(cè) LabVIEW 建模

0 引言

加速海洋油氣資源開(kāi)發(fā)已是各國(guó)未來(lái)能源戰(zhàn)略的重中之重。隨著世界各國(guó)加強(qiáng)對(duì)海洋資源的開(kāi)發(fā)，各類海洋平臺(tái)的需求量大幅上升[1]。而海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積龐大、造價(jià)昂貴，工作環(huán)境十分復(fù)雜和惡劣。復(fù)雜海洋環(huán)境的風(fēng)、浪和流嚴(yán)重威脅平臺(tái)的安全[2]。姿態(tài)與環(huán)境監(jiān)測(cè)是實(shí)際海洋平臺(tái)應(yīng)用中不可缺少的組成部分。目前，國(guó)際市場(chǎng)上同類產(chǎn)品基本被國(guó)外幾大公司所占據(jù)。姿態(tài)模擬與平臺(tái)虛擬仿真能為海洋平臺(tái)的研制與建造，以及海洋平臺(tái)定位系統(tǒng)的研究與試驗(yàn)提供仿真環(huán)境。因此，海洋平臺(tái)姿態(tài)模擬與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研制具有重要的意義。

本文在調(diào)研國(guó)外產(chǎn)品的基礎(chǔ)上，結(jié)合實(shí)際需求，采用LabVIEW、Matlab及3DMAX等軟件，設(shè)計(jì)海洋平臺(tái)姿態(tài)模擬與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

為充分反映實(shí)際產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和功能，便于模擬系統(tǒng)的靈活推廣應(yīng)用和實(shí)際需求，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)成相對(duì)獨(dú)立的3部分，即監(jiān)控臺(tái)、虛擬仿真機(jī)和實(shí)物模擬機(jī)。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖與信息流向如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

監(jiān)控臺(tái)相當(dāng)于實(shí)際海洋平臺(tái)中使用的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，它與虛擬仿真機(jī)及模擬機(jī)之間進(jìn)行信息交換,按工程應(yīng)用需求設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)。當(dāng)真實(shí)海洋與平臺(tái)取代虛擬仿真機(jī)及模擬機(jī)時(shí)，配置必要傳感器，監(jiān)控臺(tái)就能完成監(jiān)測(cè)任務(wù)。虛擬仿真機(jī)包含了虛擬海洋環(huán)境仿真和虛擬平臺(tái)運(yùn)動(dòng)仿真。虛擬海洋環(huán)境仿真是通過(guò)人機(jī)交互界面設(shè)置環(huán)境參數(shù)，由風(fēng)、浪、流模型完成各種海況的仿真；虛擬平臺(tái)運(yùn)動(dòng)仿真是在海洋環(huán)境擾動(dòng)下平臺(tái)模型的6自由度的運(yùn)動(dòng)仿真。實(shí)物模擬機(jī)采用6自由度搖擺臺(tái)HT-6DOF-500，按比例體現(xiàn)平臺(tái)的姿態(tài)變化。

這種結(jié)構(gòu)相對(duì)獨(dú)立的設(shè)計(jì)方法，使得系統(tǒng)應(yīng)用靈活。例如監(jiān)測(cè)海洋環(huán)境與平臺(tái)姿態(tài)，選用監(jiān)控臺(tái)進(jìn)行擴(kuò)展即能滿足要求；再如測(cè)試海洋平臺(tái)性能，選用虛擬仿真機(jī)即可。

1.2 系統(tǒng)主要功能

系統(tǒng)主要功能說(shuō)明如下。

(1)實(shí)時(shí)顯示海洋環(huán)境參數(shù)值與海洋平臺(tái)姿態(tài)參數(shù)值以及姿態(tài)趨勢(shì)曲線。

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

(3)修改海況參數(shù)值以及海洋平臺(tái)工作區(qū)域參數(shù)值。

(4)產(chǎn)生虛擬海況，能仿真海洋平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)。

(5)顯示報(bào)警信息，查詢歷史數(shù)據(jù)與報(bào)警數(shù)據(jù)。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)目標(biāo)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)說(shuō)明如下。

(1)監(jiān)測(cè)影響平臺(tái)運(yùn)動(dòng)的海洋環(huán)境因素(風(fēng)、浪、流的參數(shù))以及海洋平臺(tái)姿態(tài)，監(jiān)視海洋平臺(tái)報(bào)警信息，并以多種形式表現(xiàn)海洋平臺(tái)姿態(tài)與報(bào)警信息。

(2)設(shè)置風(fēng)、浪、流環(huán)境參數(shù)，模擬產(chǎn)生不同的海洋環(huán)境。計(jì)算海洋平臺(tái)的水動(dòng)力，計(jì)算不同風(fēng)、浪、流環(huán)境因素下海洋平臺(tái)的動(dòng)力響應(yīng)。

(3)在實(shí)物HT-6DOF-500 6自由度搖擺臺(tái)上實(shí)現(xiàn)海洋平臺(tái)6自由度的運(yùn)動(dòng)模擬，再現(xiàn)海洋平臺(tái)的姿態(tài)。

2.2 設(shè)計(jì)方案與方法

監(jiān)控臺(tái)設(shè)計(jì)框圖如圖2所示。

圖2 監(jiān)控臺(tái)設(shè)計(jì)框圖

監(jiān)控臺(tái)包含參數(shù)設(shè)置、參數(shù)實(shí)時(shí)顯示、參數(shù)趨勢(shì)顯示、3D動(dòng)態(tài)模擬顯示、歷史數(shù)據(jù)顯示、信息處理與安全分析、報(bào)警信息顯示、通信以及數(shù)據(jù)庫(kù)等模塊。

海洋環(huán)境與平臺(tái)虛擬仿真機(jī)設(shè)計(jì)框圖如圖3所示，包含了參數(shù)設(shè)置、風(fēng)浪流模型、海洋平臺(tái)模型以及通信等模塊。

圖3 虛擬仿真機(jī)設(shè)計(jì)框圖

本文的海洋平臺(tái)選取半潛式鉆井平臺(tái)。

2.2.1 監(jiān)測(cè)顯示

監(jiān)測(cè)顯示包含了參數(shù)實(shí)時(shí)顯示、參數(shù)趨勢(shì)顯示和3D動(dòng)態(tài)模擬顯示3個(gè)模塊，主要采用LabVIEW編程實(shí)現(xiàn)。監(jiān)控臺(tái)利用以太網(wǎng)TCP/IP協(xié)議建立與虛擬仿真機(jī)及模擬機(jī)的通信，接收虛擬仿真機(jī)的實(shí)時(shí)仿真數(shù)據(jù)包，提取各參數(shù)數(shù)據(jù)。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)寫至顯示控件與圖形控件，實(shí)現(xiàn)參數(shù)實(shí)時(shí)顯示與趨勢(shì)顯示。此外，在3DMAX中分別建立海平面、半潛式鉆井平臺(tái)3D模型，以.wrl文件格式導(dǎo)出3D模型文件，再由LabVIEW的三維圖片顯示控件導(dǎo)入.wrl文件，組合背景圖片，形成所需的組合3D模型。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)控制組合3D模型按絕對(duì)比例運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)3D動(dòng)態(tài)模擬顯示。2.2.2 數(shù)據(jù)通信

監(jiān)控臺(tái)、虛擬機(jī)以及實(shí)物模擬機(jī)之間依靠數(shù)據(jù)通信完成信息的交流。LabVIEW利用TCP/IP 協(xié)議，采用客戶機(jī)(Client)和服務(wù)器(Server)的模式，按照預(yù)先約定的數(shù)據(jù)包格式實(shí)現(xiàn)三者之間的數(shù)據(jù)通信。LabVIEW為用戶提供功能TCP 節(jié)點(diǎn)，以實(shí)現(xiàn)基于TCP 協(xié)議的局域網(wǎng)通信。TCP 節(jié)點(diǎn)包括Connection 節(jié)點(diǎn)、Transmission 節(jié)點(diǎn)以及Conversion 節(jié)點(diǎn)。雙機(jī)TCP通信流程如圖4所示。

圖4 雙機(jī)TCP通信流程

2.2.3 海洋環(huán)境與平臺(tái)模型

海洋環(huán)境和平臺(tái)模型相對(duì)較復(fù)雜，利用 Matlab/Simulink 強(qiáng)大的建模功能、RTW(real-time workshop)工具箱以及海洋系統(tǒng)模擬器(marine systems simulator，MSS)建立實(shí)時(shí)海洋環(huán)境與平臺(tái)模型[3-6]，再由SIT(simulation interface toolkit)工具包應(yīng)用于LabVIEW程序[7]。

① 環(huán)境載荷[8-9]。 風(fēng)產(chǎn)生力的模型如式(1)所示。

(1)

式中:ρa(bǔ)為空氣質(zhì)量密度;Vrw為風(fēng)速；γrw為相對(duì)于平臺(tái)的風(fēng)壓角；C為各個(gè)方向的風(fēng)阻力系數(shù)；A為前、后投影面積；Loa為兩柱間距離；H為前、后水線上的質(zhì)心高度。

海浪對(duì)平臺(tái)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(tái)產(chǎn)生波頻運(yùn)動(dòng)力，僅導(dǎo)致平臺(tái)周期性的振蕩；二階波浪力使平臺(tái)偏離預(yù)定位置產(chǎn)生難以恢復(fù)的漂移，但對(duì)平臺(tái)的豎直面內(nèi)的運(yùn)動(dòng)如縱搖、橫搖和升沉無(wú)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(yīng)函數(shù)和二階脈沖響應(yīng)函數(shù)。

二階波浪力的函數(shù)描述如式(3)所示。

(3)

流載荷是最為穩(wěn)定的一種環(huán)境載荷。流的速度隨著水深的增加而減小。在實(shí)際應(yīng)用中，流速變化不大，為簡(jiǎn)化起見(jiàn)本文認(rèn)為流速為定常。

② 平臺(tái)模型。海洋平臺(tái)的模型如式(4)所示。

(4)

2.2.4 數(shù)據(jù)庫(kù)

數(shù)據(jù)庫(kù)用于存放監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和報(bào)警信息。通過(guò)LabVIEW的Microsoft ADO 控件、LabSQL以及ODBC接口函數(shù)庫(kù)驅(qū)動(dòng)程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的訪問(wèn)。利用LabSQL工具包將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與報(bào)警信息寫入Access數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)姿態(tài)信息與報(bào)警信息的存儲(chǔ)。利用LabSQL工具包讀取Access數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)歷史曲線與報(bào)警信息的顯示和查詢功能。

LabSQL訪問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)的基本步驟[10]如下。

① 通過(guò)ADO Create.vi創(chuàng)建一個(gè)Connection對(duì)象，利用ADO Connection Open.vi建立與數(shù)據(jù)庫(kù)的連接，數(shù)據(jù)庫(kù)字符串ConnectionString“DSN=myDB”。myDB是在Windows ODBC數(shù)據(jù)源中創(chuàng)建的一個(gè)DSN，并與想要連接的數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行連接。

② 利用ADO Recordset Create.vi創(chuàng)建一個(gè)Recordset對(duì)象，再利用ADO Recordset Open.vi打開(kāi)Recordset對(duì)象，同時(shí)利用SQL查詢命令獲得數(shù)據(jù)庫(kù)表中的全部或部分記錄。

③ 通過(guò)功能選擇按鈕來(lái)選擇控制對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的操作(查詢、添加、刪除、修改)。

④ 利用ADO Recordset Close.vi和ADO Connection Close.vi關(guān)閉與數(shù)據(jù)庫(kù)之間的連接。

2.2.5 實(shí)物模擬平臺(tái)運(yùn)動(dòng)

實(shí)物HT-6DOF-500 6自由度搖擺臺(tái)采用PLC、MP-C152與MP-C154運(yùn)動(dòng)控制卡及其對(duì)應(yīng)的軟件控制其運(yùn)動(dòng)，采用6個(gè)伺服電動(dòng)缸驅(qū)動(dòng)各個(gè)自由度，對(duì)外提供了6自由度單個(gè)動(dòng)作的動(dòng)態(tài)連接庫(kù)文件(.dll文件)。對(duì)提供的.dll文件進(jìn)行分析研究，采用以太網(wǎng)TCP/IP通信協(xié)議，編寫LabVIEW應(yīng)用程序。應(yīng)用程序能從虛擬仿真機(jī)中取得平臺(tái)姿態(tài)值，通過(guò)初始化、運(yùn)動(dòng)參數(shù)傳遞等手段調(diào)用.dll文件，實(shí)現(xiàn)HT-6DOF-500模擬海洋平臺(tái)姿態(tài)變化。

2.2.6 信息處理與安全分析

信息處理的主要內(nèi)容是設(shè)計(jì)濾波器。濾波器能過(guò)濾高頻波成分，減小一階波浪力的擾動(dòng)。安全分析主要內(nèi)容是報(bào)警與報(bào)警分析，包括平臺(tái)位置與姿態(tài)、錨泊線的張力等超出規(guī)定范圍的報(bào)警與分析，并將報(bào)警信息保存于數(shù)據(jù)庫(kù)，為后續(xù)處理提供依據(jù)。

3 系統(tǒng)測(cè)試

測(cè)試的海洋平臺(tái)為半潛式平臺(tái)，自重51 979.8 t，長(zhǎng)度115 m，寬度80 m。

3.1 虛擬仿真機(jī)

采用一臺(tái)PC機(jī)實(shí)現(xiàn)虛擬仿真機(jī)。利用Wamit軟件計(jì)算測(cè)試平臺(tái)的環(huán)境載荷，得到類似MSS系統(tǒng)中的“semisub.mat”與“semisubABC.mat”格式的數(shù)據(jù)文件。虛擬仿真機(jī)的測(cè)試步驟：① 在Matlab/Simulink環(huán)境下對(duì)建模完成的虛擬仿真機(jī)進(jìn)行測(cè)試，觀察是否符合要求；② 測(cè)試Simulink模型由SIT應(yīng)用于LabVIEW后是否能正常工作，包括參數(shù)匹配；③ 建立通信，測(cè)試虛擬仿真機(jī)與監(jiān)控臺(tái)的通信及數(shù)據(jù)格式是否符合要求。

圖5是虛擬仿真測(cè)試的曲線示例。圖5(a)是有義浪高設(shè)為2 m時(shí)浪高的曲線，曲線中的離散值即是監(jiān)控臺(tái)實(shí)時(shí)顯示的海洋環(huán)境浪高數(shù)值，采樣周期取為2 s。圖5(c)是平臺(tái)定位系統(tǒng)正常工作時(shí)6個(gè)自由度在環(huán)境干擾情況下的運(yùn)動(dòng)曲線示例，它是實(shí)物模擬平臺(tái)運(yùn)動(dòng)的依據(jù)。圖5(b)是以橫蕩為橫坐標(biāo)，縱蕩為縱坐標(biāo)采用圖5(c)中的數(shù)據(jù)繪出的，反映平臺(tái)在800 s內(nèi)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(diǎn)，但由于海洋環(huán)境干擾，被測(cè)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)在(0，0)附近的一定范圍內(nèi)。

圖5 仿真測(cè)試曲線

3.2 監(jiān)控臺(tái)

采用一臺(tái)PC機(jī)通過(guò)LabVIEW編程[11-12]實(shí)現(xiàn)監(jiān)控臺(tái)。監(jiān)控臺(tái)測(cè)試步驟：① 單獨(dú)測(cè)試LabVIEW程序功能模塊，包括參數(shù)的設(shè)置、海洋平臺(tái)3D模型的調(diào)用與運(yùn)動(dòng)控制以及3D動(dòng)態(tài)模擬顯示、實(shí)時(shí)參數(shù)的顯示、參數(shù)趨勢(shì)曲線的顯示、報(bào)警與分析、數(shù)據(jù)庫(kù)存取功能；歷史數(shù)據(jù)的顯示等；② 測(cè)試監(jiān)控臺(tái)每個(gè)功能按鍵的功能；③ 建立通信，測(cè)試監(jiān)控控制臺(tái)與虛擬仿真機(jī)以及實(shí)物模擬平臺(tái)之間的數(shù)據(jù)通信和數(shù)據(jù)格式；④ 測(cè)試實(shí)時(shí)仿真時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的各種功能。監(jiān)測(cè)界面由4個(gè)區(qū)組成，左上部分為3D動(dòng)態(tài)模擬顯示，平臺(tái)模型隨6自由度值變化而運(yùn)動(dòng)，海平面也動(dòng)態(tài)變化，天空不變；左下部分是功能按鍵，可進(jìn)入對(duì)應(yīng)的功能操作界面；右上部分實(shí)時(shí)顯示參數(shù)，其參數(shù)名也被用作按鈕，點(diǎn)擊可查看對(duì)應(yīng)參數(shù)的趨勢(shì)曲線；右下部分為指示燈，顯示平臺(tái)是否工作在正常范圍內(nèi)。

3.3 實(shí)物模擬機(jī)

實(shí)物模擬機(jī)的測(cè)試步驟：① 利用模擬機(jī)設(shè)置各自由度的控制量，單獨(dú)測(cè)試6自由度搖擺臺(tái)HT-6DOF-500每個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)控制程序，觀察是否按要求進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制；② 建立通信關(guān)系，測(cè)試模擬機(jī)與監(jiān)控臺(tái)以及虛擬機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信程序，觀察通信數(shù)據(jù)值以及格式是否符合要求；③ 測(cè)試由監(jiān)控臺(tái)發(fā)送的數(shù)據(jù)控制實(shí)物模擬平臺(tái)單自由度運(yùn)動(dòng)的程序，觀察平臺(tái)移動(dòng)是否符合要求；④ 在前3步都符合測(cè)試結(jié)果的前提下，測(cè)試由監(jiān)控臺(tái)發(fā)送的實(shí)時(shí)仿真數(shù)據(jù)控制實(shí)物模擬平臺(tái)6自由度運(yùn)動(dòng)的程序，觀察實(shí)物模擬機(jī)是否正常工作。

測(cè)試結(jié)果表明：編寫的LabWIEW程序能夠控制6自由度搖擺臺(tái)HT-6DOF-500運(yùn)動(dòng)，模擬反映海洋平臺(tái)的姿態(tài)變化。

4 結(jié)束語(yǔ)

海洋平臺(tái)是海上作業(yè)、石油鉆探與生產(chǎn)所需的平臺(tái)。海洋平臺(tái)姿態(tài)模擬與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)中應(yīng)用了LabVIEW在系統(tǒng)集成、實(shí)時(shí)、豐富的人機(jī)界面設(shè)計(jì)等方面的優(yōu)點(diǎn);并結(jié)合Simulink的建模優(yōu)勢(shì)以及3DMAX在三維仿真建模具有的強(qiáng)渲染效果等優(yōu)點(diǎn)，充分利用了LabVIEW的接口工具，如串行通信、TCP/IP協(xié)議、SIT、動(dòng)態(tài)連接庫(kù)調(diào)用等功能，解決不同編程語(yǔ)言之間的數(shù)據(jù)接口問(wèn)題，縮短實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)周期、降低開(kāi)發(fā)成本；顯示中采用了三維圖形，使監(jiān)測(cè)系統(tǒng)更加直觀、形象、生動(dòng)。系統(tǒng)完成了預(yù)先的設(shè)計(jì)目標(biāo)，對(duì)監(jiān)測(cè)類系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與測(cè)試應(yīng)用具有借鑒作用。

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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(chǎn)學(xué)研聯(lián)合創(chuàng)新基金資助項(xiàng)目(編號(hào)：BY2013066-08);

江蘇高校高技術(shù)船舶協(xié)同創(chuàng)新/江蘇科技大學(xué)海洋裝備研究院科研基金資助項(xiàng)目(編號(hào)：1634871401-06)。

范偉寧(1993-)，男，現(xiàn)為江蘇科技大學(xué)測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè)在讀本科生；主要從事海洋、船舶監(jiān)測(cè)系統(tǒng)方面的研究

TP23

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201510013

修改稿收到日期：2015-04-02。