沉船打撈集成監(jiān)測及虛擬仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)

，，，，，，，

(大連海事大學(xué) 交通運(yùn)輸裝備與海洋工程學(xué)院，遼寧 大連 116026)

2001年荷蘭MAMMOET公司和SMIT公司聯(lián)手合作使用8條工程船打撈俄羅斯“庫爾斯克”號(hào)核潛艇，在打撈過程中，每根提升鋼纜的實(shí)時(shí)拉力、總提升力、沉船水下深度、姿態(tài)，以及駁船的姿態(tài)、水下視頻信號(hào)等數(shù)據(jù)都集中顯示在監(jiān)測平臺(tái)上，實(shí)現(xiàn)了打撈過程的集成監(jiān)測[1- 2]。國內(nèi)2007年在“南海一號(hào)”古沉船打撈過程中，利用姿態(tài)傳感器和水下超短基線定位系統(tǒng)進(jìn)行沉船的定位和姿態(tài)監(jiān)測[3]；2008年在“暢通”輪打撈過程中，利用多種傳感器采集每根纜繩的提升力、提升速度、提升位移信息，并實(shí)時(shí)顯示在人機(jī)界面上[4]，實(shí)現(xiàn)了對打撈過程中的部分信息監(jiān)測，但沒有形成有效的集成監(jiān)測平臺(tái)。

為了全面獲取打撈監(jiān)測數(shù)據(jù)，及時(shí)掌握沉船動(dòng)態(tài)，提高決策效率，設(shè)計(jì)沉船打撈集成監(jiān)測及虛擬仿真系統(tǒng)。將多種信息(傳感器數(shù)據(jù)及網(wǎng)絡(luò)氣象與海洋環(huán)境數(shù)據(jù))進(jìn)行匯總，實(shí)現(xiàn)多種數(shù)據(jù)的集成顯示，建立沉船打撈虛擬仿真平臺(tái)，通過傳感器獲取的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)驅(qū)動(dòng)虛擬模型，逼真再現(xiàn)打撈過程，實(shí)現(xiàn)打撈過程的實(shí)時(shí)可視化。

1 沉船打撈過程監(jiān)測

打撈工程通常采用浮力打撈與機(jī)械打撈相結(jié)合的方法，即利用外置氣囊、浮筒、艙室充氣等方式增加沉船浮力，通過機(jī)械設(shè)備提升圍繞沉船的千斤使其脫離海底[5]。在沉船起浮過程中，需要監(jiān)測沉船與打撈工程船的位姿、每根千斤的受力情況，以及浮力的變化。

在沉船打撈過程中，潛水員需要多次進(jìn)行水下探摸工作，根據(jù)工程進(jìn)展，進(jìn)行水下切割，開溝、船底穿千斤等輔助工作[6]。為保障潛水員在水下安全工作，水流速度不能超過0.6 m/s。海水流速變化與潮汐密切相關(guān)，因此需要提前了解工作海區(qū)的潮汐時(shí)間，時(shí)刻監(jiān)測海水流速變化。

沉船打撈現(xiàn)場的氣象與海洋環(huán)境對打撈作業(yè)的安全進(jìn)行具有至關(guān)重要的作用，因此需要監(jiān)測工作海區(qū)的浪高、流速、天氣、風(fēng)向、能見度等信息。

在以往的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸技術(shù)中，socket方式是典型的C/S數(shù)據(jù)交互模式，服務(wù)器與客戶端之間根據(jù)約定的傳輸協(xié)議通過端口或IP地址進(jìn)行信息交互。這種傳輸方式安全性高，通用性強(qiáng)，支持.net架構(gòu)及java、python等環(huán)境。而兩個(gè)系統(tǒng)可以通過同一數(shù)據(jù)庫進(jìn)行數(shù)據(jù)的查詢、添加、刪除等操作。這種數(shù)據(jù)傳輸方式交互更加簡單靈活，數(shù)據(jù)庫提供相關(guān)的數(shù)據(jù)接口。為實(shí)現(xiàn)虛擬仿真的實(shí)時(shí)可視化需求，本文通過在一個(gè)系統(tǒng)中集成socket方式與數(shù)據(jù)庫共享機(jī)制兩種方式，解決了數(shù)據(jù)采集的實(shí)時(shí)傳輸難題。

2 集成監(jiān)測及虛擬仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 沉船打撈集成監(jiān)測及虛擬仿真系統(tǒng)總體方案

沉船打撈集成監(jiān)測及虛擬仿真系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案如圖1所示，整套系統(tǒng)由3個(gè)部分組成：多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、基于多傳感器的數(shù)據(jù)集成監(jiān)控系統(tǒng)和基于虛擬現(xiàn)實(shí)的沉船打撈可視化系統(tǒng)。

圖1 沉船打撈集成監(jiān)測及虛擬仿真系統(tǒng)總體方案圖

由于打撈監(jiān)測設(shè)備的數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)方式不同，沒有統(tǒng)一的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)[7]，因此，需要建立一套多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)來獲取沉船、打撈工程船、提升力，以及海洋環(huán)境氣象等信息。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)技術(shù)方案如圖2所示。本系統(tǒng)選用西門子S7-200 smart PLC作為接收介質(zhì)，通過模數(shù)轉(zhuǎn)換與串口通信方式獲取各終端傳感器信息。利用Python語言編寫網(wǎng)絡(luò)爬蟲，將國家海洋環(huán)境預(yù)報(bào)中心和國家海洋氣象局預(yù)測的浪高、流速、天氣、風(fēng)向、能見度等信息實(shí)時(shí)抓取并保存到數(shù)據(jù)庫中。

圖2 多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)技術(shù)方案

基于多傳感器的數(shù)據(jù)集成監(jiān)控系統(tǒng)依托組態(tài)王軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)。組態(tài)王(Kingview)軟件可以對工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)視、控制、管理、集成和數(shù)據(jù)保存，通過組態(tài)王人機(jī)交互界面可以實(shí)時(shí)顯示打撈提升力、提升位移、沉船及打撈駁船位置和姿態(tài)、現(xiàn)場環(huán)境、水文要素、水下視頻信號(hào)等監(jiān)測信息。

基于虛擬現(xiàn)實(shí)的沉船打撈可視化系統(tǒng)依托Virtools軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，Virtools5.0是全球著名的虛擬現(xiàn)實(shí)開發(fā)軟件，可以方便地創(chuàng)建虛擬現(xiàn)實(shí)場景，并且支持大多數(shù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的VR設(shè)備和顯示器[8- 9]，在3D互動(dòng)方面技術(shù)強(qiáng)大?；谔摂M現(xiàn)實(shí)的沉船打撈可視化系統(tǒng)通過Virtools Dev虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)設(shè)計(jì)打撈虛擬場景，利用Virtools Server與MS Access數(shù)據(jù)庫連接，動(dòng)態(tài)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換[10]，利用監(jiān)測的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)虛擬模型運(yùn)動(dòng)，并將程序打包成exe格式進(jìn)行產(chǎn)品發(fā)布，系統(tǒng)設(shè)計(jì)的部分沉船打撈虛擬場景見圖3。

圖3 沉船打撈虛擬場景

2.2 數(shù)據(jù)采集與集成

打撈監(jiān)測數(shù)據(jù)繁多，數(shù)據(jù)傳輸與儲(chǔ)存方式也各不相同，針對各種監(jiān)測數(shù)據(jù)，需要采用相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集方法。

2.2.1 PLC編程

打撈監(jiān)測過程所用的壓力、溫度、位移、姿態(tài)等傳感器監(jiān)測的數(shù)據(jù)采用PLC進(jìn)行采集。遠(yuǎn)距離、高精度的監(jiān)測設(shè)備需要從國外引進(jìn)，往往都是以數(shù)字量形式傳輸，利用PLC串口通信功能，設(shè)置數(shù)據(jù)傳輸端口、通訊協(xié)議、波特率、儲(chǔ)存數(shù)據(jù)位、奇偶校驗(yàn)來獲取數(shù)據(jù)。近距離、單功能的監(jiān)測數(shù)據(jù)以模擬量電信號(hào)的形式傳輸，PLC提供的A/D模塊利用線性對應(yīng)的原理將模擬量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成可讀的數(shù)字量并儲(chǔ)存在PLC相應(yīng)的地址中。由于讀取數(shù)據(jù)繁多，需要在PLC中設(shè)計(jì)循環(huán)采集程序，編程邏輯見圖4。

圖4 數(shù)據(jù)采集程序邏輯

2.2.2 網(wǎng)絡(luò)爬蟲

為了獲取沉船打撈區(qū)域的氣象與海洋環(huán)境預(yù)報(bào)信息，利用Python語言編寫網(wǎng)絡(luò)爬蟲程序[11]，實(shí)時(shí)抓取浪高、流速、天氣、風(fēng)向、能見度等預(yù)報(bào)信息，并儲(chǔ)存到數(shù)據(jù)庫中。采用Python語言編寫程序，通過正則表達(dá)式抓取固定URL地址上的信息，抓取的流程見圖5，其關(guān)鍵代碼如下。

if __name__==‘__main__’:

dt = [‘0600’,‘1200’,‘1800’,‘2400’] //設(shè)置抓取時(shí)間

while 1:

if strftime(“%H%M”) in dt:

page =1

url=‘http://www.nmefc.gov.cn/nr/jhhyhjyb.aspx?idx=1’+str(page) //輸入爬取URL

crawl=crawl1()

content=crawl.getHtml(url) //獲取網(wǎng)頁中相關(guān)的預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)信息

table=crawl.creatTable(‘bohai’) //創(chuàng)建表格

crawl.deleteData(table,“渤?！? //刪除表格數(shù)據(jù)

items=crawl.getContent(content)

for item in items:

insertname=item[1],

if insertname[0] == u“渤?！?

crawl.inserttable(table,insertname,) //插入表中數(shù)據(jù)

sleep(60)

圖5 抓取網(wǎng)頁信息流程

2.2.3 整合外部數(shù)據(jù)庫資源

在沉船打撈過程中，有的監(jiān)測對象有專門的數(shù)據(jù)采集與保存方式，這些數(shù)據(jù)分散在不同的數(shù)據(jù)庫(Oracle、SQL Server、MySQL、Access等)中，因此，需要通過整合外部的數(shù)據(jù)庫資源，才能達(dá)到全方位、多角度地監(jiān)測打撈過程。

2.3 數(shù)據(jù)庫接口設(shè)計(jì)

組態(tài)王軟件通過以太網(wǎng)方式與PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，利用自身提供數(shù)據(jù)庫訪問功能(SQL)，可以實(shí)現(xiàn)組態(tài)王和其他外部數(shù)據(jù)庫(通過ODBC接口訪問)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，達(dá)到自動(dòng)化集成入庫的目的。本系統(tǒng)以MS Access作為外部集成數(shù)據(jù)庫。

組態(tài)王軟件提供SQL訪問管理器和SQL連接函數(shù)實(shí)現(xiàn)與Ms Access數(shù)據(jù)庫通信，利用SQL管理器新建表格模板和記錄體，表格模板定義表格結(jié)構(gòu)，信息儲(chǔ)存在SQL.DEF文件中；記錄體定義連接使數(shù)據(jù)庫表格中變量與組態(tài)王中變量相關(guān)聯(lián)，聯(lián)系儲(chǔ)存在BIND.DEF文件中[12]。組態(tài)王中的命令都是靠事件觸發(fā)執(zhí)行的，為了提高程序效率，減輕后臺(tái)語言壓力，利用畫面命令語言設(shè)計(jì)組態(tài)王與數(shù)據(jù)庫相連。當(dāng)組態(tài)王畫面顯示時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)連接MS Access集成數(shù)據(jù)庫中，并進(jìn)行數(shù)據(jù)的記錄。關(guān)鍵程序代碼如下所示：

SQLConnect(DeviceID,“dsn=mine;uid=;pwd=”); //連接指定數(shù)據(jù)庫，DeviceID為內(nèi)存整型變量，表示數(shù)據(jù)連接句柄；dsn指ODBC數(shù)據(jù)源，命名為mine；用戶名及密碼定義為無

SQLCreateTable(DeviceID,“WreckSalvage”,“沉船角度”); //在數(shù)據(jù)庫中創(chuàng)建表格，數(shù)據(jù)庫名為WreckSalvage，表格模板為沉船角度

SQLInsert(DeviceID,“WreckSalvage”,“沉船角度”); //在連接的表格中插入一個(gè)新記錄，數(shù)據(jù)庫名WreckSalvage，記錄體為沉船角度

2.4 虛擬場景再現(xiàn)

Virtools虛擬現(xiàn)實(shí)軟件提供多種方式與數(shù)據(jù)庫連接，本文利用Virtools自帶插件Virtools Server進(jìn)行交互設(shè)計(jì)。這種方法利用ODBC接口實(shí)現(xiàn)與通用數(shù)據(jù)庫的連接，技術(shù)成熟，傳輸穩(wěn)定，是一種穩(wěn)健的數(shù)據(jù)獲取方式[13- 14]。利用這種方式，可以實(shí)時(shí)讀取數(shù)據(jù)庫中打撈要素值，利用數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)虛擬模型運(yùn)動(dòng)，達(dá)到實(shí)時(shí)可視化仿真的目的。

在連接數(shù)據(jù)之前，需要在Virtools Server Controller界面中設(shè)置與Virtools Server Database Module連接，保持Server status為Running。利用Virtools Building blocks編程，使用系統(tǒng)自帶的BB模塊，在Virtools Dev中編輯Level Script，系統(tǒng)程序見圖6。

在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，打撈數(shù)據(jù)的采集、集成、儲(chǔ)存入庫都是實(shí)時(shí)進(jìn)行的，為了達(dá)到可視化仿真的同步性，在程序設(shè)計(jì)時(shí)，數(shù)據(jù)讀取速度要大于組態(tài)王中數(shù)據(jù)保存速度。利用Virtools server循環(huán)讀取數(shù)據(jù)時(shí)，每次都需要從初始值遍歷每一組數(shù)據(jù)，而隨著系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間的增加，數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)越來越多，導(dǎo)致系統(tǒng)讀取時(shí)間增加，實(shí)時(shí)性達(dá)不到要求。為解決上述問題，利用BB模塊設(shè)置判斷語句，當(dāng)數(shù)據(jù)超過系統(tǒng)定義上限時(shí)，會(huì)自動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)刪除。數(shù)據(jù)采集流程見圖7。

圖6 數(shù)據(jù)讀取程序

圖7 數(shù)據(jù)采集流程

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證系統(tǒng)工作的準(zhǔn)確性與穩(wěn)定性，搭建沉船打撈提升平臺(tái)。試驗(yàn)臺(tái)采用液壓驅(qū)動(dòng)沉船打撈，通過4個(gè)液壓缸提升沉船模型，利用PLC控制系統(tǒng)運(yùn)行，通過多種傳感器從各個(gè)終端采集打撈過程中的要素值，信息顯示界面可以顯示船舶的縱傾角、橫傾角、環(huán)境溫度、提升力及船舶位置等信息。沉船打撈集成監(jiān)測系統(tǒng)界面和實(shí)驗(yàn)所用設(shè)備見圖8所示。

圖8 沉船打撈集成監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)

系統(tǒng)測試時(shí)沉船初始狀態(tài)為橫傾90°平躺在海底，通過4個(gè)液壓缸對沉船進(jìn)行板正并提升出水，橫傾角、縱傾角與艏向角隨時(shí)間的變化見圖9。

在系統(tǒng)測試過程中，多終端監(jiān)測信息采集與集成顯示、數(shù)據(jù)集成入庫均與設(shè)計(jì)相符，達(dá)到了預(yù)期的目的；虛擬仿真系統(tǒng)直觀地顯示打撈過程中沉船與打撈工程船的狀態(tài)，利用碰撞檢測技術(shù)增強(qiáng)虛擬場景的真實(shí)感，沉浸性強(qiáng)。

圖9 角度隨時(shí)間變化

系統(tǒng)運(yùn)行過程中，實(shí)時(shí)性還存在不足，虛擬場景相較于試驗(yàn)臺(tái)中沉船的運(yùn)動(dòng)存在一定的滯后性，但在沉船打撈工程中，沉船板正起浮是一個(gè)緩慢的過程，對虛擬仿真的實(shí)時(shí)性要求不高，因此不影響系統(tǒng)在實(shí)際工程中的應(yīng)用。

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