謝靜遠，李曉升，韓 炯，郭海平，張 然，倪崇本

(1.上海船舶工藝研究所，上海 200032；2.海洋石油工程股份有限公司 安裝分公司，天津 300452；3.上海交通大學 a.海洋工程國家重點實驗室；b.船舶海洋與建筑工程學院，上海 200240)

0 引 言

海洋油氣平臺的調(diào)試工作在平臺建造周期中占有重要的比重。受海洋油氣平臺建造方案和進度的限制，大部分海洋油氣平臺的調(diào)試工作均在完成海上安裝后進行，調(diào)試的作業(yè)面涉及不同甲板和區(qū)域。根據(jù)安全要求，在調(diào)試過程中相關(guān)區(qū)域禁止交叉施工作業(yè)。在海上施工階段，資源獲取成本和各方面施工成本均大幅高于陸地，盡可能縮短工期將帶來海上生活、資源、裝備和船舶等其他各方面一系列的連環(huán)經(jīng)濟效益[1]。

項目組圍繞某海洋油氣平臺調(diào)試作業(yè)，總結(jié)目前工作中的痛點需求，通過虛擬仿真手段打破空間和時間的限制，設(shè)計開發(fā)海洋油氣平臺常用裝備虛擬調(diào)試系統(tǒng)。

1 虛擬仿真調(diào)試技術(shù)國內(nèi)外現(xiàn)狀

目前國外基于計算機的虛擬仿真分析方法發(fā)展迅速，MATLAB、ANSYS、AMESim和VC等一系列軟件平臺在機械和電氣控制等各專業(yè)領(lǐng)域仿真研究中發(fā)揮重大作用。虛擬仿真調(diào)試將仿真與控制技術(shù)相結(jié)合，在虛擬環(huán)境中運行生產(chǎn)制造過程，并得以評估和校驗，在完成制造前進行機械裝備、機器人和電氣系統(tǒng)等調(diào)試，降低設(shè)計錯誤帶來的風險。該技術(shù)主要優(yōu)勢如下：①周期短、成本低；②風險低，對外界的依賴性更??；③調(diào)試過程安全并可重復。

國外針對海洋油氣平臺的調(diào)試工作已逐步采用虛擬現(xiàn)實(Virtual Reality，VR)和增強現(xiàn)實(Augmented Reality，AR)技術(shù)。在VR環(huán)境中重建危險情況，基于AR可在培訓中顯示相關(guān)信息，不僅可使調(diào)試人員更快學習操作過程，通過數(shù)據(jù)對學員進行評定，而且可幫助現(xiàn)場調(diào)試人員對裝備、管道與線路等安裝情況進行評估并與圖紙確認，對地下結(jié)構(gòu)進行分析，對油氣儲量、建造區(qū)域和項目其他的裝備、管道與線路進行查看。較先進的AR技術(shù)甚至可預測磨損，提示調(diào)試人員零件何時可能斷裂，幫助更換破損零件，從而避免災難。以科威特石油公司為例，其現(xiàn)場人員使用AR和無線耳機，高級專家通過任務(wù)進行遠程指導而不必花費大量時間去現(xiàn)場?？仆厥凸続R輔助調(diào)試如圖1所示。專家可在任意地方，將其專業(yè)知識和培訓用于世界各地任意數(shù)量的AR站點。

圖1 科威特石油公司AR輔助調(diào)試

目前國內(nèi)海洋工程調(diào)試主要為傳統(tǒng)人為管理模式，對技術(shù)人員的組織過程、知識累積和主觀能動性要求較高。隨著海洋工程技術(shù)由常規(guī)油氣向非常規(guī)油氣的跨越，由淺水向深水和超深水的跨越，海洋工程調(diào)試技術(shù)亟待由傳統(tǒng)管理模式向現(xiàn)代化、數(shù)字化和智能化轉(zhuǎn)型，實現(xiàn)系統(tǒng)化調(diào)試模式，提升調(diào)試效率。

2 常用裝備虛擬裝配培訓需求分析

隨著海洋石油工業(yè)的發(fā)展，海洋油氣平臺生產(chǎn)規(guī)模不斷擴大，模塊化建造周期縮短，調(diào)試過程更為復雜，對調(diào)試人員理論和技術(shù)能力要求更高。引入虛擬仿真調(diào)試技術(shù)，提升海洋工程行業(yè)調(diào)試水平，提高現(xiàn)場調(diào)試效率，降低調(diào)試人員安全風險，是現(xiàn)在海洋工程裝備建造的迫切需求[2]。海洋油氣平臺調(diào)試流程如圖2所示。

圖2 海洋油氣平臺調(diào)試流程

離心泵和螺桿泵等是海洋油氣平臺的常用裝備，在調(diào)試過程中拆裝維修頻率較高。泵類裝備的保養(yǎng)維修水平關(guān)系各生產(chǎn)系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，對現(xiàn)場施工人員進行系統(tǒng)和詳細的裝配培訓有助于提升調(diào)試工作質(zhì)量。受裝備納期、作業(yè)工期和人員流動等因素影響，利用實物進行集體培訓并不總是滿足條件；若開發(fā)用于裝備裝配培訓的虛擬仿真軟件，則可更加靈活地解決該問題。

3 海洋油氣平臺常用裝備虛擬調(diào)試系統(tǒng)

項目組以海洋油氣平臺中的常用裝備(如離心泵和螺桿泵等)為對象，綜合配電、水循環(huán)和裝備裝配的需求，設(shè)計開發(fā)海洋油氣平臺常用裝備虛擬調(diào)試系統(tǒng)，構(gòu)造可拆裝的虛擬裝配模型，在仿真場景中進行裝備的裝配和拆解培訓，提升現(xiàn)場作業(yè)人員的技能水平。

3.1 系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)

系統(tǒng)以上部模塊中的電源管理系統(tǒng)和油氣處理系統(tǒng)為對象，建立相關(guān)海洋油氣平臺常用裝備數(shù)學仿真模型，設(shè)計海洋油氣平臺常用裝備模擬器，并驗證更加詳盡的測試大綱。在保證常用裝備相關(guān)參數(shù)數(shù)據(jù)完整和準確的基礎(chǔ)上，基于虛擬仿真平臺開發(fā)、相關(guān)海洋油氣平臺常用裝備模擬器研制和測試大綱修訂，將電源管理系統(tǒng)控制系統(tǒng)、油氣處理系統(tǒng)控制系統(tǒng)分別與海洋油氣平臺常用裝備模擬器進行鏈接虛擬調(diào)試和測試。

開展虛擬仿真開發(fā)和運行平臺搭建技術(shù)研究，建立一個虛擬仿真調(diào)試的開發(fā)和運行結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)一般包括與被測控制系統(tǒng)相應的模擬器。通過對模擬器硬件和軟件環(huán)境進行調(diào)研選型研究，選擇可進行高精度與實時模擬復雜物理對象的專用計算機和配套的模擬器開發(fā)環(huán)境。該開發(fā)環(huán)境應滿足相關(guān)海洋工程控制系統(tǒng)的輸入輸出接口對接，可形成完整反饋回路。搭建仿真數(shù)據(jù)庫，對仿真模塊、仿真設(shè)定和仿真數(shù)據(jù)進行有效管理，使其可用于支持后續(xù)數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)挖掘。

在電源管理系統(tǒng)控制系統(tǒng)和油氣處理系統(tǒng)控制系統(tǒng)中示范性地實施虛擬調(diào)試和測試。通過對系統(tǒng)的振動、噪聲、流量、壓力、溫度、液位和電氣功率等參數(shù)進行模擬監(jiān)控，并與完整準確的真實數(shù)據(jù)進行對比，形成適合海洋油氣平臺常用裝備的硬件在環(huán)虛擬仿真調(diào)試方法，對各類裝備的性能進行虛擬仿真，將海洋油氣平臺常用裝備鏈接至相關(guān)控制系統(tǒng)，成為閉合的反饋回路系統(tǒng)。對該系統(tǒng)進行基本測試，確保模擬器和控制系統(tǒng)可正常運行，在系統(tǒng)中逐步實施虛擬調(diào)試和測試大綱。通過與設(shè)計要求進行對比，查找海洋油氣平臺建造過程中的技術(shù)問題，并通過對影響因素進行分析，提供海洋油氣平臺常用裝備的硬件在環(huán)虛擬仿真解決方案[3]。

3.2 常用裝備虛擬裝配模塊

項目組以離心泵和螺桿泵為對象開發(fā)虛擬裝配模塊。虛擬裝配模塊使用常用裝備的三維設(shè)計模型，將零件逐個拆解為部件并導入Unity3D，在虛擬場景中允許用戶通過鼠標手勢操作將零件進行裝配?；谂嘤栃枨?，在裝配體中使用半透明渲染提示各零件的裝配位置，并利用碰撞體實現(xiàn)接近自動吸附功能。離心泵虛擬裝配模塊界面如圖3所示。

圖3 離心泵虛擬裝配模塊界面

4 結(jié) 語

在某海洋油氣平臺建造過程中，經(jīng)多次在國內(nèi)海洋工程先進建造基地調(diào)研現(xiàn)有海洋工程調(diào)試過程中的難點，聚焦可提升海洋油氣平臺調(diào)試效率的業(yè)務(wù)流程，進行海洋油氣生產(chǎn)平臺常用裝備虛擬調(diào)試系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)工作，可為海洋油氣平臺常用裝備調(diào)試提供具有系統(tǒng)性和可靠性的方法。