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、固體力學仿真、流體力學仿真、運動學仿真、動力學仿真、科學計算仿真等。

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?。粂w表示船舶橫蕩的噪聲大??；psiw表示船舶艏向的噪聲大??；psi 表示根據(jù)船舶運動模型計算得到的艏向大??；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?。粂d表示船舶初始位置沿橫向方向的大??；psid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?。籩taw表示慣性導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表示慣性導航仿真器測量到的船舶艏向噪聲大??；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。