謝靜遠(yuǎn)，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(xué) a.海洋工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；b.船舶海洋與建筑工程學(xué)院，上海 200240)

0 引 言

海洋油氣平臺(tái)的調(diào)試工作在平臺(tái)建造周期中占有重要的比重。受海洋油氣平臺(tái)建造方案和進(jìn)度的限制，大部分海洋油氣平臺(tái)的調(diào)試工作均在完成海上安裝后進(jìn)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(jì)效益[1]。

項(xiàng)目組圍繞某海洋油氣平臺(tái)調(diào)試作業(yè)，總結(jié)目前工作中的痛點(diǎn)需求，通過虛擬仿真手段打破空間和時(shí)間的限制，設(shè)計(jì)開發(fā)海洋油氣平臺(tái)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(jì)算機(jī)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(tái)在機(jī)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(yùn)行生產(chǎn)制造過程，并得以評(píng)估和校驗(yàn)，在完成制造前進(jìn)行機(jī)械裝備、機(jī)器人和電氣系統(tǒng)等調(diào)試，降低設(shè)計(jì)錯(cuò)誤帶來的風(fēng)險(xiǎn)。該技術(shù)主要優(yōu)勢(shì)如下：①周期短、成本低；②風(fēng)險(xiǎn)低，對(duì)外界的依賴性更小；③調(diào)試過程安全并可重復(fù)。

國外針對(duì)海洋油氣平臺(tái)的調(diào)試工作已逐步采用虛擬現(xiàn)實(shí)(Virtual Reality，VR)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(Augmented Reality，AR)技術(shù)。在VR環(huán)境中重建危險(xiǎn)情況，基于AR可在培訓(xùn)中顯示相關(guān)信息，不僅可使調(diào)試人員更快學(xué)習(xí)操作過程，通過數(shù)據(jù)對(duì)學(xué)員進(jìn)行評(píng)定，而且可幫助現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試人員對(duì)裝備、管道與線路等安裝情況進(jìn)行評(píng)估并與圖紙確認(rèn)，對(duì)地下結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，對(duì)油氣儲(chǔ)量、建造區(qū)域和項(xiàng)目其他的裝備、管道與線路進(jìn)行查看。較先進(jìn)的AR技術(shù)甚至可預(yù)測(cè)磨損，提示調(diào)試人員零件何時(shí)可能斷裂，幫助更換破損零件，從而避免災(zāi)難。以科威特石油公司為例，其現(xiàn)場(chǎng)人員使用AR和無線耳機(jī)，高級(jí)專家通過任務(wù)進(jìn)行遠(yuǎn)程指導(dǎo)而不必花費(fèi)大量時(shí)間去現(xiàn)場(chǎng)?？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(shí)和培訓(xùn)用于世界各地任意數(shù)量的AR站點(diǎn)。

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(duì)技術(shù)人員的組織過程、知識(shí)累積和主觀能動(dòng)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(shí)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(xùn)需求分析

隨著海洋石油工業(yè)的發(fā)展，海洋油氣平臺(tái)生產(chǎn)規(guī)模不斷擴(kuò)大，模塊化建造周期縮短，調(diào)試過程更為復(fù)雜，對(duì)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(chǎng)調(diào)試效率，降低調(diào)試人員安全風(fēng)險(xiǎn)，是現(xiàn)在海洋工程裝備建造的迫切需求[2]。海洋油氣平臺(tái)調(diào)試流程如圖2所示。

圖2 海洋油氣平臺(tái)調(diào)試流程

離心泵和螺桿泵等是海洋油氣平臺(tái)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(yùn)行，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工人員進(jìn)行系統(tǒng)和詳細(xì)的裝配培訓(xùn)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(dòng)等因素影響，利用實(shí)物進(jìn)行集體培訓(xùn)并不總是滿足條件；若開發(fā)用于裝備裝配培訓(xùn)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(tái)常用裝備虛擬調(diào)試系統(tǒng)

項(xiàng)目組以海洋油氣平臺(tái)中的常用裝備(如離心泵和螺桿泵等)為對(duì)象，綜合配電、水循環(huán)和裝備裝配的需求，設(shè)計(jì)開發(fā)海洋油氣平臺(tái)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(chǎng)景中進(jìn)行裝備的裝配和拆解培訓(xùn)，提升現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員的技能水平。

3.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(duì)象，建立相關(guān)海洋油氣平臺(tái)常用裝備數(shù)學(xué)仿真模型，設(shè)計(jì)海洋油氣平臺(tái)常用裝備模擬器，并驗(yàn)證更加詳盡的測(cè)試大綱。在保證常用裝備相關(guān)參數(shù)數(shù)據(jù)完整和準(zhǔn)確的基礎(chǔ)上，基于虛擬仿真平臺(tái)開發(fā)、相關(guān)海洋油氣平臺(tái)常用裝備模擬器研制和測(cè)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(tái)常用裝備模擬器進(jìn)行鏈接虛擬調(diào)試和測(cè)試。

開展虛擬仿真開發(fā)和運(yùn)行平臺(tái)搭建技術(shù)研究，建立一個(gè)虛擬仿真調(diào)試的開發(fā)和運(yùn)行結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)一般包括與被測(cè)控制系統(tǒng)相應(yīng)的模擬器。通過對(duì)模擬器硬件和軟件環(huán)境進(jìn)行調(diào)研選型研究，選擇可進(jìn)行高精度與實(shí)時(shí)模擬復(fù)雜物理對(duì)象的專用計(jì)算機(jī)和配套的模擬器開發(fā)環(huán)境。該開發(fā)環(huán)境應(yīng)滿足相關(guān)海洋工程控制系統(tǒng)的輸入輸出接口對(duì)接，可形成完整反饋回路。搭建仿真數(shù)據(jù)庫，對(duì)仿真模塊、仿真設(shè)定和仿真數(shù)據(jù)進(jìn)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(shí)施虛擬調(diào)試和測(cè)試。通過對(duì)系統(tǒng)的振動(dòng)、噪聲、流量、壓力、溫度、液位和電氣功率等參數(shù)進(jìn)行模擬監(jiān)控，并與完整準(zhǔn)確的真實(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，形成適合海洋油氣平臺(tái)常用裝備的硬件在環(huán)虛擬仿真調(diào)試方法，對(duì)各類裝備的性能進(jìn)行虛擬仿真，將海洋油氣平臺(tái)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(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行基本測(cè)試，確保模擬器和控制系統(tǒng)可正常運(yùn)行，在系統(tǒng)中逐步實(shí)施虛擬調(diào)試和測(cè)試大綱。通過與設(shè)計(jì)要求進(jìn)行對(duì)比，查找海洋油氣平臺(tái)建造過程中的技術(shù)問題，并通過對(duì)影響因素進(jìn)行分析，提供海洋油氣平臺(tái)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(xiàng)目組以離心泵和螺桿泵為對(duì)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(jì)模型，將零件逐個(gè)拆解為部件并導(dǎo)入U(xiǎn)nity3D，在虛擬場(chǎng)景中允許用戶通過鼠標(biāo)手勢(shì)操作將零件進(jìn)行裝配。基于培訓(xùn)需求，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(shí)現(xiàn)接近自動(dòng)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(tái)建造過程中，經(jīng)多次在國內(nèi)海洋工程先進(jìn)建造基地調(diào)研現(xiàn)有海洋工程調(diào)試過程中的難點(diǎn)，聚焦可提升海洋油氣平臺(tái)調(diào)試效率的業(yè)務(wù)流程，進(jìn)行海洋油氣生產(chǎn)平臺(tái)常用裝備虛擬調(diào)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)工作，可為海洋油氣平臺(tái)常用裝備調(diào)試提供具有系統(tǒng)性和可靠性的方法。