基于HLA深水水下作業(yè)虛擬現(xiàn)實(shí)仿真平臺(tái)優(yōu)化

陳從磊，赫東海 ，段夢(mèng)蘭，王瑩瑩

(1.中國(guó)石油化工股份有限公司 石油勘探開(kāi)發(fā)研究院，北京 100083；2.中國(guó)石油大學(xué)(北京)海洋工程研究院，北京 102249)

0 引 言

近年來(lái)，油氣勘探、開(kāi)發(fā)技術(shù)的發(fā)展與陸上油田可開(kāi)采性的下降使人們逐漸將目光轉(zhuǎn)移至海洋石油開(kāi)發(fā)，但由于海洋環(huán)境的特殊性、復(fù)雜性與不可預(yù)知性，海洋石油勘探開(kāi)發(fā)的研究具有一定難度[1]?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)法的實(shí)施難度大、成本高、可操作性差，限制了其在海洋石油工程技術(shù)研究中的推廣應(yīng)用；由于人類(lèi)關(guān)于海洋復(fù)雜環(huán)境的研究尚不全面，雖然水池模型試驗(yàn)法的可行性較好，但試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性與可用性有待論證。因此，最常用且較為可靠的方法即為計(jì)算機(jī)仿真模擬法[2]。

作為工程作業(yè)仿真平臺(tái)，系統(tǒng)的交互操作性是需要關(guān)注的問(wèn)題，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的興起為其提供了重要技術(shù)支撐平臺(tái)。與傳統(tǒng)仿真平臺(tái)或虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)相比，虛擬現(xiàn)實(shí)仿真平臺(tái)具有良好的交互性與互操作性、拓展性與移植性和全生命周期等。這些特點(diǎn)將顯著增加對(duì)系統(tǒng)平臺(tái)各方面性能的要求。現(xiàn)今的研究更多的是關(guān)于虛擬仿真分析或基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的工程實(shí)例演示[3]，并沒(méi)有對(duì)系統(tǒng)的多因素協(xié)作性、可拓展性進(jìn)行研究。作為重用性與互操作性表現(xiàn)突出的先進(jìn)仿真系統(tǒng)架構(gòu)，高層體系架構(gòu)(High-Level Architecture，HLA)的提出為復(fù)雜仿真系統(tǒng)平臺(tái)搭建提供了有效的解決方案[4]，但以如何應(yīng)用HLA搭建多節(jié)點(diǎn)仿真平臺(tái)框架研究為主，并沒(méi)有對(duì)系統(tǒng)平臺(tái)人機(jī)交互性進(jìn)行研究。

本文根據(jù)虛擬現(xiàn)實(shí)仿真系統(tǒng)平臺(tái)的特點(diǎn)，針對(duì)水下工程作業(yè)實(shí)例——水下跨接管連接器密封圈更換的應(yīng)用，提出一種基于HAL、面向多客體的虛擬現(xiàn)實(shí)仿真平臺(tái)構(gòu)建解決方案，并對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化。給出較詳細(xì)的系統(tǒng)平臺(tái)設(shè)計(jì)原則與框架構(gòu)建方案，對(duì)相關(guān)優(yōu)化技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行說(shuō)明，分析跨接管連接器密封圈更換操作的具體工藝流程、實(shí)施步驟，并得出具體仿真結(jié)果。

1 系統(tǒng)的功能模塊系統(tǒng)與設(shè)計(jì)原則

1.1 系統(tǒng)的功能模塊系統(tǒng)

以水下工程作業(yè)模擬仿真系統(tǒng)[5-6]為基本設(shè)計(jì)出發(fā)點(diǎn)，應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)作為系統(tǒng)平臺(tái)表現(xiàn)載體，本系統(tǒng)平臺(tái)應(yīng)具備以下功能系統(tǒng)，如圖1所示。

圖1 虛擬仿真平臺(tái)功能系統(tǒng)關(guān)系圖

(1)水動(dòng)力仿真系統(tǒng)。主要對(duì)水下結(jié)構(gòu)物的幾何模型及物理模型等進(jìn)行碰撞檢測(cè)、流體接觸、連接干涉等多體動(dòng)力學(xué)參數(shù)解算。

(2)水下作業(yè)工具運(yùn)動(dòng)仿真系統(tǒng)。針對(duì)水下結(jié)構(gòu)物的幾何模型進(jìn)行運(yùn)動(dòng)響應(yīng)分析，包括模型的幾何方位、運(yùn)動(dòng)軌跡、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)等。

(3)半物理仿真操作子系統(tǒng)。該子系統(tǒng)是連接外部操控系統(tǒng)與內(nèi)部運(yùn)算系統(tǒng)的橋梁。訓(xùn)練員通過(guò)視景顯示系統(tǒng)接收運(yùn)算結(jié)果，分析并通過(guò)半物理仿真子系統(tǒng)進(jìn)行下一步操作。

(4)視景顯示系統(tǒng)。主要由多個(gè)圖形渲染服務(wù)器、硬件顯示終端構(gòu)成，對(duì)操控模型、環(huán)境、地形等進(jìn)行圖形渲染，營(yíng)造虛擬現(xiàn)實(shí)的沉浸式操作氛圍。

(5)教練員站。負(fù)責(zé)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的全生命周期運(yùn)營(yíng)狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)把控，包括：科目管理、環(huán)境參數(shù)設(shè)置、運(yùn)行管理、場(chǎng)景控制、成績(jī)考評(píng)等。

1.2 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)原則

根據(jù)虛擬現(xiàn)實(shí)仿真平臺(tái)特點(diǎn)，在保證其交互性、移植性和重用性的同時(shí)，結(jié)合水下工程作業(yè)實(shí)踐要求，在進(jìn)行軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)遵循如下原則：

(1)最大化服用原則。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)保證各組織模塊互聯(lián)互通性良好，適應(yīng)多點(diǎn)服用、交叉服用的要求，物盡其用，達(dá)到服用最大化。服用包括構(gòu)件的服用和設(shè)計(jì)模式的使用等多方面。

(2)復(fù)雜問(wèn)題簡(jiǎn)單化原則。對(duì)于一個(gè)龐雜的軟件系統(tǒng)，協(xié)調(diào)各模塊之間的關(guān)系尤為重要，良好的架構(gòu)體系能使復(fù)雜問(wèn)題顯著簡(jiǎn)化。

(3)靈活擴(kuò)展性原則。系統(tǒng)架構(gòu)應(yīng)具備靈活的可擴(kuò)展性，以便用戶(hù)可以在原架構(gòu)上進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)或更加具體的開(kāi)發(fā)。

2 系統(tǒng)平臺(tái)功能模塊劃分與架構(gòu)搭建

根據(jù)第1節(jié)提到的系統(tǒng)功能部署與基本設(shè)計(jì)原則，提出軟件模塊劃分方案，完成海洋工程虛擬現(xiàn)實(shí)仿真平臺(tái)基本系統(tǒng)架構(gòu)搭建，具體如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)平臺(tái)功能模塊

2.1 設(shè)備模型管理模塊

設(shè)備模型管理模塊主要分為設(shè)備模型庫(kù)和設(shè)備運(yùn)行庫(kù)兩部分：設(shè)備模型庫(kù)用來(lái)存放繪圖軟件生成的三維模型；設(shè)備行為庫(kù)用來(lái)存放相關(guān)模型的基本動(dòng)作，如一些不需要變化的粒子效果、物體的固定行為運(yùn)動(dòng)等。如果采用分布式場(chǎng)景視圖，需確定可分享的節(jié)點(diǎn)和靜態(tài)的節(jié)點(diǎn)。

2.2 仿真控制系統(tǒng)模塊

仿真控制系統(tǒng)模塊主要充當(dāng)教練員站的角色，主要進(jìn)行場(chǎng)景編輯、場(chǎng)景動(dòng)畫(huà)控制等。場(chǎng)景編輯根據(jù)知識(shí)描述模塊傳遞的知識(shí)選擇加載模型、刪除模型等功能(屏幕顯示的場(chǎng)景區(qū)域的選擇)。場(chǎng)景的動(dòng)畫(huà)控制根據(jù)知識(shí)描述設(shè)置場(chǎng)景中模型的更新回調(diào)以實(shí)現(xiàn)符合要求的動(dòng)畫(huà)效果。

2.3 虛擬現(xiàn)實(shí)模塊

虛擬現(xiàn)實(shí)模塊為訓(xùn)練者提供一種全方位的立體沉浸式感覺(jué)，從聽(tīng)覺(jué)、視覺(jué)到觸覺(jué)，再到場(chǎng)景漫游，給訓(xùn)練者全程全面的體驗(yàn)感。視覺(jué)效果通過(guò)使用VP等軟件渲染三維場(chǎng)景，將其主動(dòng)立體投影在180°環(huán)幕上顯示沉浸式三維場(chǎng)景來(lái)實(shí)現(xiàn)。聽(tīng)覺(jué)效果使用VR軟件中自帶的三維立體音效插件在立體音響上的播放來(lái)實(shí)現(xiàn)。場(chǎng)景漫游基于硬件設(shè)備，與軟件成像效果融合，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)場(chǎng)景的漫游。

2.4 數(shù)據(jù)接收模塊

數(shù)據(jù)接收模塊主要完成數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)協(xié)同和數(shù)據(jù)發(fā)送等操作。首先，系統(tǒng)從實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)獲得數(shù)據(jù)；然后，通過(guò)數(shù)據(jù)協(xié)同保證相近時(shí)刻產(chǎn)生的數(shù)據(jù)在接收時(shí)間上不會(huì)產(chǎn)生太大的誤差；最后，把協(xié)同后的數(shù)據(jù)發(fā)送到知識(shí)描述模塊。

2.5 知識(shí)描述模塊

知識(shí)描述模塊主要對(duì)過(guò)程知識(shí)和控制知識(shí)進(jìn)行描述。虛擬仿真工程作業(yè)中的操作流程可以分解為若干個(gè)操作步驟，每個(gè)操作步驟又可分為若干個(gè)動(dòng)作元素，這種自定向下的方法是常用的過(guò)程知識(shí)描述方法。控制知識(shí)描述采用基于產(chǎn)生式規(guī)則的控制型知識(shí)描述方法，產(chǎn)生式是當(dāng)前專(zhuān)家系統(tǒng)中重要的知識(shí)表達(dá)方法，用于表達(dá)具有因果關(guān)系的知識(shí)。其基本形式是前提—結(jié)論。相應(yīng)的規(guī)則包括：邏輯關(guān)系規(guī)則(操作—?jiǎng)赢?huà))、操作環(huán)節(jié)規(guī)則(判斷操作屬于哪一個(gè)訓(xùn)練過(guò)程)、操作有效性判別規(guī)則。

2.6 教練員輸入模塊

教練員可通過(guò)自然語(yǔ)言的形式確定水下作業(yè)過(guò)程的每個(gè)環(huán)節(jié)的操作，并制訂評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)，將這些信息存入數(shù)據(jù)庫(kù)中。教練員站提供的功能模塊有系統(tǒng)運(yùn)行管理、科目設(shè)置、場(chǎng)景控制、環(huán)境參數(shù)設(shè)置等。

2.7 考評(píng)模塊

考評(píng)模塊的主要任務(wù)是對(duì)訓(xùn)練員的操作數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、分析并給出考評(píng)結(jié)果。主要組成部分是考評(píng)知識(shí)庫(kù)與推理機(jī)：考評(píng)知識(shí)庫(kù)存放標(biāo)準(zhǔn)的操作規(guī)則知識(shí)；推理機(jī)判斷操作數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確程度。

2.8 培訓(xùn)、考核人員輸入模塊

培訓(xùn)、考核人員輸入模塊主要包括無(wú)人潛水器(Remote Operated Vehicle，ROV)，單常壓潛水系統(tǒng)(Atmospheric Diving System，ADS)輸入接口，以及起重機(jī)和絞機(jī)輸入接口。

2.9 實(shí)時(shí)計(jì)算模塊 Vortex

實(shí)時(shí)計(jì)算模塊用于水下動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)計(jì)算，并把計(jì)算結(jié)果傳遞至視景仿真模塊，主要基于Vortex等軟件。水下作業(yè)虛擬現(xiàn)實(shí)仿真系統(tǒng)需要充分模擬海洋動(dòng)力學(xué)特性，以獲取盡可能接近真實(shí)的水下操作過(guò)程的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性和三維視景。在仿真過(guò)程中，需要海洋水動(dòng)力、設(shè)備動(dòng)態(tài)響應(yīng)和受力分析數(shù)值計(jì)算程序。

此基本架構(gòu)能夠完全滿(mǎn)足系統(tǒng)的基本功能需求，但實(shí)時(shí)性與互操作性問(wèn)題還有待解決，層級(jí)結(jié)構(gòu)仍有一定細(xì)分空間。下面就以上問(wèn)題進(jìn)行系統(tǒng)架構(gòu)優(yōu)化。

3 系統(tǒng)平臺(tái)架構(gòu)關(guān)鍵技術(shù)優(yōu)化

3.1 基于主控層與多層技術(shù)的優(yōu)化

軟件系統(tǒng)平臺(tái)功能性的增加必然導(dǎo)致功能模塊的數(shù)量與關(guān)系復(fù)雜程度加大，最終導(dǎo)致系統(tǒng)架構(gòu)繁復(fù)凌亂，無(wú)法滿(mǎn)足性能要求。在此情況下，運(yùn)用分層技術(shù)能夠良好地解決此類(lèi)問(wèn)題。

基于主控層與多層技術(shù)，針對(duì)水下工程作業(yè)虛擬現(xiàn)實(shí)仿真平臺(tái)進(jìn)行優(yōu)化，如圖3所示[7-8]。將系統(tǒng)平臺(tái)分為3層：數(shù)據(jù)層、邏輯層和應(yīng)用層。數(shù)據(jù)層主要借助核心圖形引擎，對(duì)來(lái)自外設(shè)的輸入數(shù)據(jù)與來(lái)自應(yīng)用層和邏輯層的運(yùn)算結(jié)果輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行成像處理，將數(shù)據(jù)以圖像形式展現(xiàn)。邏輯層主要是對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)沉浸式場(chǎng)景的搭建，對(duì)場(chǎng)景的控制也是對(duì)各研究對(duì)象(包括環(huán)境與結(jié)構(gòu)物)間邏輯關(guān)系的控制。應(yīng)用層是對(duì)水下工程作業(yè)仿真任務(wù)全生命周期體系的功能性組塊集成，從三維建模、OPC(OLE for Process Control)開(kāi)發(fā)，到應(yīng)急決策、評(píng)分系統(tǒng)，但各組塊的時(shí)間與物理邏輯關(guān)系由邏輯層控制。

圖3 基于主控層與多層技術(shù)的優(yōu)化架構(gòu)

經(jīng)過(guò)基于主控層與多層技術(shù)的優(yōu)化，控制流與數(shù)據(jù)流自上而下，整體性佳，層次分明，不但簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)，更使系統(tǒng)的重用性、移植性、拓展性及二次開(kāi)發(fā)性得到有效的改善。

3.2 基于HLA技術(shù)的優(yōu)化

HLA[9-12]是美國(guó)提出的支持軟件與模型可重用的分布式交互仿真開(kāi)發(fā)標(biāo)，HLA主要由3部分組成：規(guī)則、對(duì)象模型模板(Object Model Template，OMT)和接口規(guī)范。規(guī)則描述了聯(lián)邦和聯(lián)邦成員的職責(zé)，是仿真實(shí)現(xiàn)正確交互的基礎(chǔ)；OMT定義描述HLA對(duì)象模型的通用方法，提供標(biāo)準(zhǔn)的格式記錄HLA對(duì)象模型信息，以提升仿真應(yīng)用的互操作性和重用性；接口規(guī)范以服務(wù)的方式定義聯(lián)邦成員間進(jìn)行信息交互的方式，包括可調(diào)用的服務(wù)和應(yīng)提供的回調(diào)服務(wù)。

HLA 定義一種軟件體系結(jié)構(gòu)，而非軟件實(shí)現(xiàn)程序。運(yùn)行支撐系統(tǒng)(Run Time Infrastructure，RTI)作為HLA 仿真應(yīng)用的基礎(chǔ)軟件層，是HLA 的具體實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)。RTI 使仿真應(yīng)用與底層通信相分離，在仿真執(zhí)行過(guò)程中負(fù)責(zé)聯(lián)邦成員間的信息交換。圖4為HLA聯(lián)邦系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示例。

圖4 HLA聯(lián)邦系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示例

水下工程作業(yè)虛擬現(xiàn)實(shí)仿真系統(tǒng)是基于水體動(dòng)力學(xué)的實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)，需要模擬復(fù)雜的海洋水下動(dòng)力學(xué)環(huán)境。借助物理仿真引擎，可實(shí)現(xiàn)動(dòng)力學(xué)仿真效果，需要將動(dòng)力學(xué)仿真與視景仿真相結(jié)合。如果直接將兩者融合，耦合度太大，難以滿(mǎn)足分布式仿真系統(tǒng)對(duì)重用性、互操作性與擴(kuò)展性的需求，因此提出基于HLA仿真技術(shù)的仿真系統(tǒng)相結(jié)合、動(dòng)力學(xué)仿真與視景仿真相融合的分布式仿真方案。

3.2.1 總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)水下工程作業(yè)虛擬現(xiàn)實(shí)仿真系統(tǒng)的需求，對(duì)仿真系統(tǒng)的總體架構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，如圖5所示。水下工程作業(yè)實(shí)例通常包含多個(gè)場(chǎng)景操作的結(jié)合。根據(jù)作業(yè)場(chǎng)景的不同，將系統(tǒng)架構(gòu)劃分為水面生產(chǎn)系統(tǒng)子場(chǎng)景、水下生產(chǎn)系統(tǒng)子場(chǎng)景、設(shè)備下放與回收子場(chǎng)景、水下維修作業(yè)子場(chǎng)景等部分。通過(guò)中央控制節(jié)點(diǎn)對(duì)各部分的協(xié)調(diào)管理，實(shí)現(xiàn)各仿真子場(chǎng)景的協(xié)同推進(jìn)。整個(gè)系統(tǒng)基于HLA1516標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)RTI軟件使分布于網(wǎng)絡(luò)的各子系統(tǒng)協(xié)同仿真。

圖5 海洋工程虛擬現(xiàn)實(shí)仿真平臺(tái)架構(gòu)總圖

在各作業(yè)子場(chǎng)景中，將動(dòng)力學(xué)計(jì)算節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)為局部協(xié)調(diào)者節(jié)點(diǎn)，通過(guò)Vortex RTI中間件，實(shí)現(xiàn)物理仿真引擎與視景仿真引擎之間的交互，實(shí)時(shí)驅(qū)動(dòng)視景仿真推進(jìn)。其中，CRC是中央RTI組件，LRC是本地RTI組件。

在各作業(yè)場(chǎng)景中還設(shè)有相關(guān)的物理操控設(shè)備和仿真操作監(jiān)控節(jié)點(diǎn)。通過(guò)物理設(shè)備管理單元實(shí)現(xiàn)物理操控設(shè)備與虛擬仿真系統(tǒng)的互連。操作員可通過(guò)物理操控設(shè)備實(shí)時(shí)操控維修工具仿真模型，并依據(jù)監(jiān)控節(jié)點(diǎn)的提示信息對(duì)維修操作進(jìn)行實(shí)時(shí)更正，從而提高培訓(xùn)質(zhì)量。

3.2.2 聯(lián)邦成員劃分及功能定義

水下工程作業(yè)虛擬現(xiàn)實(shí)仿真系統(tǒng)是由多個(gè)聯(lián)邦成員構(gòu)成的開(kāi)放的分布式仿真系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)多個(gè)作業(yè)仿真，整個(gè)系統(tǒng)具有可擴(kuò)充性，其聯(lián)邦成員總體劃分為7個(gè)聯(lián)邦成員，分別為教練員站中央控制成員、作業(yè)場(chǎng)景仿真成員、起重機(jī)仿真子系統(tǒng)成員、絞車(chē)仿真子系統(tǒng)成員、ROV仿真子系統(tǒng)接口成員和2個(gè)擴(kuò)展成員。圖6為系統(tǒng)聯(lián)邦成員劃分。

圖6 聯(lián)邦成員劃分框架

水下工程作業(yè)虛擬現(xiàn)實(shí)仿真系統(tǒng)的7個(gè)聯(lián)邦成員根據(jù)系統(tǒng)的仿真需求，具體功能如下：

(1)教練員站中央控制成員。該聯(lián)邦成員的主要功能是對(duì)仿真聯(lián)邦進(jìn)行管理和對(duì)仿真流程進(jìn)行控制，其中，聯(lián)邦管理包括聯(lián)邦執(zhí)行的創(chuàng)建、撤銷(xiāo)，聯(lián)邦成員的加入、退出、同步等，仿真流程控制包括對(duì)作業(yè)初始化參數(shù)的配置，對(duì)操作員站的監(jiān)控和管理以及對(duì)整個(gè)仿真流程的控制如仿真的暫定、重演和回放。

(2)作業(yè)場(chǎng)景仿真成員。該聯(lián)邦成員的主要功能是實(shí)現(xiàn)整個(gè)水下維修作業(yè)場(chǎng)景的演示，包含所有的生產(chǎn)系統(tǒng)、作業(yè)工機(jī)具仿真模型、環(huán)境模型。在每個(gè)仿真步長(zhǎng)里完成動(dòng)力學(xué)結(jié)算，并且將動(dòng)力學(xué)結(jié)算結(jié)果通過(guò)HLA傳輸至訂閱該參數(shù)的聯(lián)邦成員。

(3)起重機(jī)仿真子系統(tǒng)成員。該聯(lián)邦成員的功能主要是在起重機(jī)模擬操作臺(tái)實(shí)現(xiàn)絞車(chē)操作場(chǎng)景的演示，包括跨接管、法蘭等多種設(shè)備與維修工具，并接收作業(yè)場(chǎng)景仿真成員的動(dòng)力學(xué)結(jié)算結(jié)果顯示設(shè)備的位姿。

(4)絞車(chē)仿真子系統(tǒng)成員。該聯(lián)邦成員的功能主要是在絞車(chē)模擬操作臺(tái)實(shí)現(xiàn)絞車(chē)操作場(chǎng)景的演示，其操作流程與起重機(jī)仿真子系統(tǒng)成員類(lèi)似。

(5)ROV仿真子系統(tǒng)接口成員。該聯(lián)邦成員的功能主要是與ROV仿真子系統(tǒng)的交互和ROV操作場(chǎng)景的演示，通過(guò)橋接技術(shù)實(shí)現(xiàn)多聯(lián)邦互連。作業(yè)場(chǎng)景仿真成員根據(jù)獲得的位置和姿態(tài)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)對(duì)ROV維修過(guò)程的仿真，根據(jù)各仿真成員的需求，發(fā)送ROV操控命令。

(6)擴(kuò)展成員。該聯(lián)邦成員主要作為預(yù)留的聯(lián)邦成員來(lái)提高系統(tǒng)的擴(kuò)展性。

3.2.3 FOM/SOM的設(shè)計(jì)

聯(lián)邦對(duì)象模型(Federation Object Model，F(xiàn)OM)，用于聯(lián)邦執(zhí)行創(chuàng)建，其目的在于確定和統(tǒng)一各成員之間信息交互格式和通信協(xié)議，以確保信息的準(zhǔn)確性、一致性，各成員能夠正確地實(shí)現(xiàn)互操作。FOM建立了成員間實(shí)現(xiàn)互操作所必需的信息模型協(xié)議。

仿真對(duì)象模型(Simulation Object Model，SOM)，用于聯(lián)邦成員創(chuàng)建，其目的在于描述聯(lián)邦成員對(duì)外界信息的需求及其向外界提供信息的能力。其描述系統(tǒng)在包含確定的對(duì)象類(lèi)及交互類(lèi)的情況下，與外界進(jìn)行信息交換的公共接口。SOM是單個(gè)仿真成員在聯(lián)邦運(yùn)行過(guò)程中可提供給聯(lián)邦的信息及其需要從其他仿真成員接收的信息的規(guī)范化描述。

FOM、SOM中的數(shù)據(jù)主要包括對(duì)象類(lèi)、交互類(lèi)和描述這些類(lèi)的屬性或參數(shù)的說(shuō)明：(1)對(duì)象類(lèi)結(jié)構(gòu)表記錄成員或聯(lián)邦的所有對(duì)象類(lèi)名稱(chēng)并描述該類(lèi)的繼承關(guān)系；(2)交互類(lèi)結(jié)構(gòu)表記錄成員或聯(lián)邦的所有交互類(lèi)名稱(chēng)并描述該類(lèi)的繼承關(guān)系；(3)屬性表詳細(xì)說(shuō)明成員或聯(lián)邦中對(duì)象屬性的特性；(4)參數(shù)表詳細(xì)說(shuō)明成員或聯(lián)邦中交互參數(shù)的特性。

4 系統(tǒng)平臺(tái)具體實(shí)例

某水下管匯跨接管連接器泄漏，對(duì)連接器密封圈更換的工程作業(yè)進(jìn)行虛擬現(xiàn)實(shí)仿真實(shí)例實(shí)操演示與分析[13]。

在假定工況下，ROV下放入水至事故發(fā)生地點(diǎn)，檢查跨接管原油泄漏是跨接管連接器密封圈損壞所致。經(jīng)過(guò)知識(shí)描述模塊調(diào)用相關(guān)工程實(shí)例工藝儲(chǔ)備知識(shí)，解算出針對(duì)本工程實(shí)例所處假設(shè)條件下的具體工藝操作流程。密封圈更換作業(yè)操作工藝流程分為7個(gè)部分：下放ROV及工具籃，下放連接器安裝工具，打開(kāi)跨接管連接器，用密封圈更換工具更換密封圈，密封圈更換完畢，鎖緊連接器(包括二次鎖緊)，密封圈外壓測(cè)試，回收ROV與工具籃及連接器安裝工具。

本實(shí)例模擬仿真貫穿作業(yè)始終，包括事故檢測(cè)、應(yīng)急報(bào)警、事故原因確定、停止生產(chǎn)、維修操作、維修后試壓、生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)等。其中，相關(guān)參數(shù)的設(shè)置如圖7所示，演示場(chǎng)景如圖8所示。

圖7 水下跨接管安裝相關(guān)參數(shù)設(shè)置

圖8 操作場(chǎng)景演示多維圖

軟件系統(tǒng)平臺(tái)的測(cè)試與評(píng)估是驗(yàn)證水下工程作業(yè)虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)性能的唯一途徑。在本實(shí)例中，主要對(duì)圖形控制單元、音頻控制單元和網(wǎng)絡(luò)通信單元進(jìn)行測(cè)試與評(píng)估。其中，網(wǎng)絡(luò)通信單元是驗(yàn)證軟件系統(tǒng)平臺(tái)穩(wěn)定性、可靠性的關(guān)鍵。表1為測(cè)試結(jié)果，吞吐量單位為字節(jié)，表1中200 MB表示吞吐字節(jié)數(shù)。測(cè)試結(jié)果表明，系統(tǒng)平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)的流通性、實(shí)時(shí)性、穩(wěn)定性良好，能夠達(dá)到良好的互操作性、最大服用性等設(shè)計(jì)目標(biāo)。

表1 網(wǎng)絡(luò)通信單元測(cè)試結(jié)果

5 結(jié) 論

隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展，其工程應(yīng)用價(jià)值日益凸顯。作為一個(gè)龐大的技術(shù)系統(tǒng)，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與仿真系統(tǒng)的完美結(jié)合是一個(gè)難題。結(jié)合水下工程作業(yè)實(shí)例——水下跨接管連接器密封圈更換，給出一種基于HLA的虛擬現(xiàn)實(shí)仿真平臺(tái)搭建解決方案。經(jīng)過(guò)系統(tǒng)模擬實(shí)踐，能夠驗(yàn)證其合理性與可靠性，對(duì)此類(lèi)系統(tǒng)平臺(tái)的搭建具有一定的指導(dǎo)意義。