海工產(chǎn)品標準仿真試驗驗證平臺

馮洪奎，周瑞平，陸 劍，李 鍵

（上海海洋工程裝備制造業(yè)創(chuàng)新中心有限公司，上海 201306）

0 引言

產(chǎn)品標準是用于指導(dǎo)產(chǎn)品設(shè)計、制造、檢驗、安裝和使用的準則。標準的正確與否直接關(guān)系到產(chǎn)品的生產(chǎn)成本和使用安全，有必要重視標準的驗證工作。隨著計算機仿真技術(shù)的飛速發(fā)展，使用仿真的方法驗證標準條款成為標準驗證的一種必要手段。標準仿真試驗驗證通過仿真方法檢驗標準的合理性，為標準制定提供依據(jù)。

根據(jù)仿真方法的不同，可將計算機仿真劃分為基于硬件在環(huán)（Hardware In Loop，HIL）的半實物仿真、虛擬現(xiàn)實仿真、增強現(xiàn)實仿真、二維圖形仿真等；根據(jù)仿真內(nèi)容的不同，可將計算機仿真劃分為產(chǎn)品裝配仿真、生產(chǎn)線調(diào)度仿真、作業(yè)過程仿真、固體力學(xué)仿真、流體力學(xué)仿真、運動學(xué)仿真、動力學(xué)仿真、科學(xué)計算仿真等。

陳杰等[1]通過ADAMS、Creo、ABAQUS 等商業(yè)軟件建立仿真平臺，在此基礎(chǔ)上提出產(chǎn)品設(shè)計及工藝的線下仿真驗證標準。采用該方式建設(shè)仿真平臺，技術(shù)上比較成熟，結(jié)果比較可靠，但平臺可擴展性不強。王云鋒等[2]對標準驗證模型的指標體系進行研究，為搭建基于標準驗證模型的機械產(chǎn)品設(shè)計工藝仿真標準驗證平臺提供依據(jù)，但指標的有效性仍然需要經(jīng)過大量實踐進行驗證。

海工產(chǎn)品種類繁多，其對應(yīng)的標準也較多，各標準的驗證對象和驗證方法均不相同。海工產(chǎn)品標準仿真試驗驗證平臺自主搭建通用的海工產(chǎn)品檢驗環(huán)境，為部分標準的制定提供依據(jù)，該平臺目前主要側(cè)重對控制系統(tǒng)和通信系統(tǒng)等相關(guān)標準進行仿真驗證。

本文搭建海工產(chǎn)品標準仿真試驗驗證平臺，并采用仿真方法驗證海工產(chǎn)品相關(guān)標準制定的合理性。

1 系統(tǒng)架構(gòu)方案

海工產(chǎn)品標準仿真試驗驗證平臺系統(tǒng)架構(gòu)如圖1 所示，主要包括輸入、建模與仿真、仿真數(shù)據(jù)分析和輸出。該平臺建立的模型主要包括控制模型、通信模型、海洋平臺運動模型、船舶運動模型、管理系統(tǒng)模型、電力系統(tǒng)模型、推進系統(tǒng)模型、傳感系統(tǒng)模型、位置參照系統(tǒng)模型、環(huán)境載荷模型、作業(yè)載荷模型等。利用這些模型對船舶與海洋平臺相關(guān)標準進行驗證。

圖1 海工產(chǎn)品標準仿真試驗驗證平臺系統(tǒng)架構(gòu)圖

2 驗證實例

2.1 標準條款

動力定位（Dynamic Positioning，DP）系統(tǒng)[3-6]是一種重要的閉環(huán)控制系統(tǒng)，用于將船舶或海洋平臺保持在較小范圍內(nèi)運動。DP 系統(tǒng)可根據(jù)采集的環(huán)境參數(shù)和位置參數(shù)自動進行計算，根據(jù)計算結(jié)果控制各推進器的推力大小，盡可能使船舶或海洋平 臺的艏向和船位保持不變。對DP 系統(tǒng)相關(guān)標準進行仿真測試驗證具有重要意義，本文選擇標準T/CSNAME 008—2020 中提出的DP 控制系統(tǒng)的HIL 仿真系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)（見圖2）進行驗證[7]。HIL仿真系統(tǒng)可以在脫離真實船舶及海洋平臺作業(yè)環(huán)境的情況下對DP 系統(tǒng)的故障進行檢測。

圖2 HIL 仿真系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)

2.2 HI L 仿真系統(tǒng)開發(fā)

為驗證標準T/CSNAME 008—2020 中提出的DP 控制系統(tǒng)的HIL 仿真系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)是否正確，需要根據(jù)該標準條款提出的系統(tǒng)框架對HIL仿真系統(tǒng)進行開發(fā)。若開發(fā)出的系統(tǒng)能成功實現(xiàn)仿真測試，則說明標準條款的內(nèi)容是合理的，否則說明該標準條款的內(nèi)容存在問題，需要進一步修改。

根據(jù)標準條款搭建仿真系統(tǒng)，仿真系統(tǒng)中的船舶電力仿真系統(tǒng)模型見圖3。其中：SM_gen1 子系統(tǒng)包括2 臺柴油發(fā)電機、7 臺變壓器、2 臺12 脈沖變頻器、1 臺24 脈沖變頻器和3 臺推進電機；SM_gen2子系統(tǒng)包括2臺柴油發(fā)電機、8臺變壓器、4 臺12 脈沖變頻器和4 臺推進電機；SM_gen3 子系統(tǒng)包括2 臺柴油發(fā)電機、7 臺變壓器、2 臺12 脈沖變頻器、1 臺24 脈沖變頻器和2 臺推進電機。圖3中：Ts表示采樣時間；Trigger 表示觸發(fā)信號接口；Brk 表示斷開信號接口；SS0表示串口0 接口；SS1表示串口1 接口；SS2表示串口2 接口；Cmd 表示命令接口；Send 表示發(fā)送信號接口；Recv 表示接收信號接口；Status 表示狀態(tài)信號接口；Over 表示過載信號接口；Ai、Bi、Ci（i=1, 2, 3,…, 7）表示三相交流電的A 相、B 相、C 相電的參數(shù)接口。

圖3 船舶電力系統(tǒng)仿真模型

失效模式仿真示意圖見圖4，分別在母線、推進變壓器進線端及母聯(lián)電纜上選取故障點K1、K2和K3進行三相短路試驗。圖4 中：brk1～brk7表示電閘，G 表示發(fā)電機，M 表示推進電機，K1、K2和K3表示故障點。海洋平臺為海上鉆井、采油、集運、觀測、導(dǎo)航、施工等活動提供生產(chǎn)和生活設(shè)施。海洋平臺的工作環(huán)境惡劣，不僅有風、浪、流等復(fù)雜外部載荷的作用，還會受到交變作業(yè)載荷的影響。在海洋平臺相關(guān)標準的制定過程中，涉及對風、浪、流等外部載荷的描述，為驗證這些描述是否正確，需要建立動力定位仿真驗證平臺，該平臺包括船體模塊、環(huán)境干擾模塊、濾波模塊、控制器模塊和推力分配模塊。

圖4 失效模式仿真示意圖

DP 系統(tǒng)仿真模型見圖5。圖5 中：w 表示線性二階波譜的輸入?yún)?shù)；s 表示拉普拉斯算子；posw表示船舶縱蕩噪聲和橫蕩噪聲組成的數(shù)組；xw表示船舶縱蕩的噪聲大小；yw表示船舶橫蕩的噪聲大?。籶siw表示船舶艏向的噪聲大?。籶si 表示根據(jù)船舶運動模型計算得到的艏向大小；y 表示模擬的船舶運動的位置與艏向組成的數(shù)組；該模擬值等于船舶運動模型計算得到的位置、艏向與相應(yīng)噪聲的和；y3表示船舶運動模型計算得到的艏向值psi 與艏向噪聲psiw的和；xd表示船舶初始位置沿縱向方向的大??；yd表示船舶初始位置沿橫向方向的大?。籶sid表示船舶艏向的初始大??；etaref為船舶的初始位置和初始艏向組成的數(shù)組；eta 表示根據(jù)船舶運動模型計算得到的船舶運動的位置和艏向組成的數(shù)組；nu表示根據(jù)船舶運動模型計算得到的船舶縱向、橫向、艏向速度大小組成的數(shù)組，τ表示船舶推進器的扭矩大??；etaw表示慣性導(dǎo)航仿真器測量到的船舶運動位置噪聲與艏向噪聲組成的數(shù)組；psw表示慣性導(dǎo)航仿真器測量到的船舶艏向噪聲大小；D 表示度轉(zhuǎn)弧度；R 表示弧度轉(zhuǎn)度；u(3)表示取數(shù)組的第3 維數(shù)據(jù)。

圖5 DP 系統(tǒng)仿真模型

2.3 DP 控制系統(tǒng)的HIL 測試

建立DP 控制系統(tǒng)，并通過相關(guān)設(shè)備運行數(shù)據(jù)來采集數(shù)學(xué)模型參數(shù)。將HIL 仿真系統(tǒng)與現(xiàn)場設(shè)備（被測系統(tǒng)）連接，為現(xiàn)場設(shè)備提供真實信號，并開始進行測試。DP 控制系統(tǒng)的HIL 測試系統(tǒng)總體架構(gòu)見圖6。試驗平臺的電力系統(tǒng)、推進系統(tǒng)、傳感器和位置參考系統(tǒng)的參數(shù)配置完全根據(jù)項目實際進行選取，在貼近真實環(huán)境下對DP 控制系統(tǒng)的設(shè)計理念、功能性、失效處理能力等進行測試評估。

圖6 HIL 測試系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

3 標準驗證結(jié)果

3.1 失效模式仿真

分別在母線、推進變壓器進線端及母聯(lián)電纜上選取故障點K1、K2和K3進行三相短路試驗。當K1短路時，同步發(fā)電機差動保護，brk1 跳閘；當K2短路時，推進電機變壓器過流保護，brk4 跳閘；當K3短路時，母聯(lián)方向比較式縱聯(lián)保護，brk6 和brk7跳閘。仿真試驗表明：當HIL 系統(tǒng)發(fā)生三相短路故障時，可將故障有效隔離，選擇性較好。

3.2 DP 系統(tǒng)仿真

在仿真測試過程中，DP 控制系統(tǒng)接收環(huán)境載荷、船舶運動參數(shù)、船舶位置、推進器狀態(tài)、電網(wǎng)狀態(tài)等信息，并輸出相應(yīng)的指令至推進器系統(tǒng)。在不同風、浪、流的擾動情況下，DP 控制系統(tǒng)能夠自動控制艏向，使船體與定義運動軌跡間的偏差保持在合理范圍內(nèi)。DP 控制系統(tǒng)與三維視景仿真系統(tǒng)的數(shù)據(jù)可進行實時交互（見圖7），以便多視角、多維度地進行仿真測試。結(jié)果表明：根據(jù)標準T/CSNAME 008—2020 中提出系統(tǒng)結(jié)構(gòu)開發(fā)的HIL仿真系統(tǒng)能成功實現(xiàn)仿真測試，標準條款的內(nèi)容是合理的。

圖7 DP 控制系統(tǒng)與3D 視景仿真系統(tǒng)的實時交互

4 結(jié)論

本文搭建了海工產(chǎn)品標準仿真試驗驗證平臺，建立了控制系統(tǒng)和通信系統(tǒng)的模型，并對模型進行了測試。研究結(jié)果表明：根據(jù)標準T/CSNAME 008—2020 中提出系統(tǒng)結(jié)構(gòu)開發(fā)的HIL 仿真系統(tǒng)能成功實現(xiàn)仿真測試，標準條款的內(nèi)容是合理的。