張建兵，陳從磊，連遠(yuǎn)鋒，嚴(yán)澤梟

（1.中國石油大學(xué)（北京）信息科學(xué)與工程學(xué)院；2.中國石油大學(xué)（北京）石油數(shù)據(jù)挖掘北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102249；3.中國石油化工股份有限公司石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083）

0 引言

隨著我國油氣資源的開發(fā)逐步走向深水油氣田，水下生產(chǎn)系統(tǒng)得到了廣泛應(yīng)用，已成為海洋油氣開發(fā)與生產(chǎn)的關(guān)鍵裝備。水下管匯是一種基于重力的大型水下設(shè)備，是水下油、氣生產(chǎn)的匯集與分配中心［1-2］。作為水下生產(chǎn)系統(tǒng)中重要的組成部分，其造價(jià)高、體積大，內(nèi)部管線高度密集。在安裝作業(yè)過程中，安裝母船以及整個(gè)管匯作業(yè)系統(tǒng)會受到海上風(fēng)、浪與水流的聯(lián)合作用，安裝難度與風(fēng)險(xiǎn)均較大，如果出現(xiàn)差錯(cuò)，損失將無比慘重［3-5］，因此對油田作業(yè)員工進(jìn)行深海水下作業(yè)項(xiàng)目的培訓(xùn)十分必要。

為提高油田作業(yè)員工對深海水下作業(yè)項(xiàng)目的操作水平，文獻(xiàn)［6］根據(jù)中國陵水、流花氣田水下管匯的實(shí)際設(shè)計(jì)情況，提出管匯質(zhì)量計(jì)算的理論方法，實(shí)現(xiàn)了利用各部件三維模型快速搭建水下管匯、估算水下管匯質(zhì)量的目標(biāo)；文獻(xiàn)［7］結(jié)合水下管匯主要設(shè)備構(gòu)件的組成與布置對國產(chǎn)化水下管匯設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了優(yōu)化；文獻(xiàn)［8］開發(fā)了一個(gè)基于Unity 3D 平臺的水下管匯模塊化設(shè)計(jì)仿真系統(tǒng)，完成了水下管匯設(shè)計(jì)模塊的拆分，為水下管匯國產(chǎn)化、智能化設(shè)計(jì)提供了技術(shù)支持；文獻(xiàn)［9］基于三維建模、3D 渲染、工程船舶系統(tǒng)的數(shù)學(xué)建模等基礎(chǔ)工作實(shí)現(xiàn)了大型工程船舶虛擬仿真訓(xùn)練系統(tǒng)的開發(fā)；文獻(xiàn)［10］研發(fā)了水電站運(yùn)維仿真培訓(xùn)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了水電站三維場景漫游、機(jī)組各部件模擬拆裝、典型操作模擬、誤操作仿真培訓(xùn)等功能；文獻(xiàn)［11］基于三維虛擬仿真技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)開發(fā)了井下虛擬仿真培訓(xùn)系統(tǒng)；文獻(xiàn)［12］基于Unity3D 平臺實(shí)現(xiàn)了海上鉆修井平臺鉆柱自動(dòng)化處理虛擬仿真系統(tǒng)；文獻(xiàn)［13］利用物理操作系統(tǒng)、虛擬船、工具機(jī)、水下生產(chǎn)系統(tǒng)與海洋環(huán)境構(gòu)建了一個(gè)基于虛擬現(xiàn)實(shí)的深水水下應(yīng)急維修仿真系統(tǒng)。然而以上虛擬仿真訓(xùn)練系統(tǒng)構(gòu)建技術(shù)并不適用于深海工程仿真模擬系統(tǒng)的構(gòu)建，原因是：①缺少模擬復(fù)雜海洋環(huán)境中海水動(dòng)態(tài)變化的水力模型；②缺少吊裝過程中較為關(guān)鍵的繩索模型仿真；③仿真系統(tǒng)在模擬水下重要設(shè)備的細(xì)節(jié)和行為方面仍有欠缺，需要進(jìn)一步提高系統(tǒng)的物理精度和真實(shí)感。

針對上述問題，本文將實(shí)時(shí)動(dòng)力學(xué)物理仿真引擎Vortex［14-15］與視景仿真Vega Prime［16-17］平臺進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，對深水海洋環(huán)境和吊裝繩索進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)力學(xué)仿真，對水下管匯安裝過程進(jìn)行仿真操作模擬，構(gòu)建了一個(gè)符合深水水下安裝培訓(xùn)需求的虛擬仿真軟件系統(tǒng)。通過對作業(yè)環(huán)境、管匯、繩索、吊鉤、導(dǎo)向樁、無人遙控潛水器（Remotely Operated Vehicle，ROV）進(jìn)行物理屬性與幾何屬性建模，該系統(tǒng)可對管匯吊起、管匯下放、ROV 抓取管匯、ROV 推動(dòng)管匯對中4 個(gè)操作項(xiàng)目進(jìn)行模擬。此外，本研究通過分步評分與專家規(guī)則評分相結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)了仿真操作自動(dòng)評分，經(jīng)過實(shí)踐檢驗(yàn)，評價(jià)結(jié)果較為合理。該系統(tǒng)可有效對操作人員進(jìn)行訓(xùn)練，減少實(shí)際安裝過程中的失誤，對保證吊裝過程穩(wěn)定性起到積極作用。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)構(gòu)建，硬件部分包含多臺仿真服務(wù)器以及3 個(gè)操控臺，分別為ROV 操控臺、吊機(jī)操控臺以及絞車操控臺。海洋環(huán)境、安裝船舶、管匯、ROV 機(jī)器人均采用虛擬仿真技術(shù)構(gòu)建。系統(tǒng)采用操控層、作業(yè)服務(wù)層和數(shù)據(jù)層3 層架構(gòu)，其中作業(yè)服務(wù)層是整個(gè)系統(tǒng)的核心，包括海洋環(huán)境仿真組件、操控臺通訊組件、對各個(gè)模型進(jìn)行操控的組件以及碰撞檢測服務(wù)組件；操控層包括ROV、手機(jī)、平板等各終端操作平臺；數(shù)據(jù)層用于記錄仿真操作過程數(shù)據(jù)并進(jìn)行操作評分。整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 實(shí)時(shí)動(dòng)力學(xué)仿真環(huán)境構(gòu)建

實(shí)時(shí)動(dòng)力學(xué)仿真環(huán)境是一種將幾何模型與物理仿真模型相結(jié)合構(gòu)建的仿真環(huán)境，具有仿真解算真實(shí)性和實(shí)時(shí)性的特點(diǎn)［18-20］。該仿真環(huán)境采用的物理仿真引擎Vortex具有專業(yè)的多體動(dòng)力學(xué)解算能力，能較為精確地對流體場內(nèi)的剛體模型進(jìn)行動(dòng)力學(xué)解算。視景仿真部分采用Vega Prime 平臺作為支撐，該平臺底層圖形庫為OpenGL，其提供了Lynx Prime 圖形用戶界面工具，通過ACF（Application Configuration File）文件對視景仿真環(huán)境進(jìn)行配置。Vega Prime 還提供了面向海洋仿真的Marine 模塊，可以繪制逼真的海面風(fēng)浪效果。

水下管匯安裝虛擬仿真訓(xùn)練系統(tǒng)的實(shí)時(shí)動(dòng)力學(xué)仿真環(huán)境結(jié)構(gòu)如圖2所示。

Fig.2 Real time dynamic simulation environment structure圖2 實(shí)時(shí)動(dòng)力學(xué)仿真環(huán)境結(jié)構(gòu)

通過MultiGen Creator［17］完成系統(tǒng)中管匯、船、ROV、吊機(jī)等模型的幾何模型構(gòu)建；通過Vortex Editor 完成管匯、船、ROV、吊機(jī)等模型的物理模型構(gòu)建。Vega Prime 與Vortex 均通過配置文件對模型進(jìn)行初始化，其中場景繪制模塊負(fù)責(zé)場景生成與模型加載顯示；場景調(diào)度模塊負(fù)責(zé)場景切換；視點(diǎn)控制模塊負(fù)責(zé)從多個(gè)方位與角度顯示場景；模型運(yùn)動(dòng)模塊負(fù)責(zé)模型的移動(dòng)，包括前進(jìn)、后退、左移、右移、左旋、右旋等；水下動(dòng)力學(xué)解算模塊負(fù)責(zé)水下物體的受力分析，改變物體的狀態(tài)；碰撞檢測模塊負(fù)責(zé)物體之間的碰撞分析，根據(jù)物體質(zhì)量、運(yùn)動(dòng)速度、表面屬性、相關(guān)約束等狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)力學(xué)解算得到其仿真運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

2.2 繩索模型的動(dòng)力學(xué)仿真

滑輪繩索被廣泛應(yīng)用于工程機(jī)械、航空航天等領(lǐng)域，作為典型的剛?cè)狁詈隙囿w系統(tǒng)，其動(dòng)力學(xué)建模與仿真存在以下難點(diǎn)［21］：①繩索在各個(gè)滑輪之間流動(dòng)；②繩索的抗彎模量很小，主要通過軸向變形和增加動(dòng)能來承受橫向載荷；③滑輪與繩索的接觸段是動(dòng)態(tài)變化的。吊機(jī)需要繩索與滑輪配合實(shí)現(xiàn)起吊。本文中柔性繩索的模擬采用Vortex開發(fā)庫中的Cable 模塊，其實(shí)現(xiàn)原理為在空間內(nèi)建立若干個(gè)剛性繩索段，然后采用具有一定自由度的約束機(jī)制將各繩索段首尾連接形成具有一定柔性的繩索類對象（VxCable）。采用集中質(zhì)量法對纜繩進(jìn)行模擬，將連續(xù)的纜繩用N+1個(gè)點(diǎn)平均分為N 段，將其離散成N 個(gè)線性單元。

采用插件的方式模擬繩索，定義了CableDisplayNode_VP 類，具體代碼為：

繩索顯示采用圓柱體型、線型和多面體型3 種形態(tài)，其動(dòng)力學(xué)仿真效果如圖3所示。

Fig.3 Dynamic simulation of rope圖3 繩索動(dòng)力學(xué)仿真

圖4、圖5、圖6（彩圖掃OSID 碼可見，下同）分別為采用上述方式構(gòu)建繩索仿真模型后，系統(tǒng)啟動(dòng)吊裝、吊起管匯以及運(yùn)移管匯等時(shí)繩索的狀態(tài)?？梢钥闯觯K索的仿真狀態(tài)與實(shí)際相符，效果逼真，驗(yàn)證了本文繩索仿真方法的有效性。

Fig.5 Rope status when lifting the manifold圖5 吊起管匯時(shí)繩索狀態(tài)

Fig.6 Rope status during migration of the manifold圖6 運(yùn)移管匯時(shí)繩索狀態(tài)

2.3 系統(tǒng)視景仿真

系統(tǒng)視景仿真包括三維海洋場景仿真、水下系統(tǒng)設(shè)備、場景切換以及場景漫游設(shè)計(jì)等。三維海洋場景仿真包括對海面波浪的模擬、海平面以上大氣環(huán)境視景以及海底地形的場景呈現(xiàn)。通過二次開發(fā)Vega Prime 大氣光照模型，對環(huán)境光和漫反射進(jìn)行調(diào)節(jié)可渲染出海洋水體的光學(xué)效果。結(jié)合Vega Prime Marine 模塊可實(shí)現(xiàn)生動(dòng)真實(shí)的海面波浪效果，還可使海面波浪隨工況條件的變化而發(fā)生變化。海平面場景模擬如圖7 所示，海底場景模擬如圖8所示。

Fig.7 Sea level scene simulation圖7 海平面場景模擬

Fig.8 Underwater scene simulation圖8 海底場景模擬

2.4 管匯吊起運(yùn)動(dòng)仿真

管匯吊起具體過程為操控吊機(jī)下放吊鉤，勾起管匯上的繩索，然后拉起管匯。整個(gè)過程涉及吊臂、繩索、吊鉤和管匯4 個(gè)模型，采用剛體模型的動(dòng)力學(xué)仿真。采用VxPart類作為剛體的基本動(dòng)力學(xué)模塊，該對象關(guān)聯(lián)了對應(yīng)于剛體動(dòng)力學(xué)模型的VxCollisionGeometry 類對象和對應(yīng)于剛體幾何外形的VxNode 類對象。系統(tǒng)每一部分的物理模型根據(jù)物體特性得到相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，同時(shí)空間中的剛體還可根據(jù)物理模型的幾何外形創(chuàng)建碰撞檢測幾何體外形，作為該物體在空間中受到碰撞時(shí)的檢測形態(tài)。在管匯吊起過程中，當(dāng)?shù)蹉^與管匯繩索接觸時(shí)將觸發(fā)吊起動(dòng)作?；趲缀文Ｐ团c物理仿真模型的結(jié)合，本文實(shí)現(xiàn)了真實(shí)感強(qiáng)的水下管匯安裝過程仿真，管匯吊裝與入水的實(shí)現(xiàn)效果如圖9 所示。物體在碰撞時(shí)會根據(jù)其質(zhì)量、運(yùn)動(dòng)、速度、表面屬性、相關(guān)約束等狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)力學(xué)解算得到其仿真運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。整個(gè)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)空數(shù)據(jù)會被發(fā)送到后臺數(shù)據(jù)存儲平臺中，作為后續(xù)評價(jià)打分的依據(jù)。

Fig.9 Implementation effect of manifold lifting and water inlet圖9 管匯吊裝與入水的實(shí)現(xiàn)效果

2.5 仿真訓(xùn)練評分

仿真考評是評價(jià)操作員培訓(xùn)效果以及確定操作員是否勝任實(shí)際工作的重要手段［22-24］。采取科學(xué)合理的評估方法正確反饋訓(xùn)練真實(shí)情況有助于快速提升操作人員的技能水平。水下管匯安裝虛擬仿真訓(xùn)練系統(tǒng)采取分步評分為主、專家規(guī)則評分為輔的方式打分。其將訓(xùn)練系統(tǒng)分解為若干科目，然后將科目分解為若干基礎(chǔ)步驟，形成樹狀的基礎(chǔ)步驟集合。具體如圖10所示。

Fig.10 Tree diagram of subjects and basic steps圖10 科目與基礎(chǔ)步驟樹狀圖

每個(gè)科目和基礎(chǔ)步驟均可設(shè)置相應(yīng)的權(quán)重，例如科目1“吊起管匯”的5個(gè)基礎(chǔ)步驟權(quán)重設(shè)置界面如圖11所示。

Fig.11 Weight setting interface of the basic steps of subject 1圖11 科目1基礎(chǔ)步驟權(quán)重設(shè)置界面

每個(gè)基礎(chǔ)步驟還需結(jié)合專家評分規(guī)則庫進(jìn)行評分。專家知識規(guī)則庫示例見圖12。目前針對水下管匯安裝虛擬仿真訓(xùn)練系統(tǒng)可供參考的規(guī)則和經(jīng)驗(yàn)較少，因此將知識規(guī)則庫設(shè)計(jì)為較為靈活的狀態(tài)，以便動(dòng)態(tài)修改。本文采用基于Java 語言開發(fā)的開源規(guī)則引擎drools［24］，其可將復(fù)雜且多變的業(yè)務(wù)規(guī)則從硬編碼中解放出來，以規(guī)則腳本的形式存放在文件或數(shù)據(jù)庫中，通過規(guī)則庫高效解決業(yè)務(wù)規(guī)則變動(dòng)問題。

Fig.12 Example of expert knowledge rule base圖12 專家知識規(guī)則庫示例

3 系統(tǒng)應(yīng)用效果

水下管匯安裝虛擬仿真訓(xùn)練系統(tǒng)的實(shí)物操縱臺如圖13 所示，包括吊機(jī)操作臺、絞車操作臺、ROV 操作臺3 個(gè)部分。

Fig.13 Physical control console圖13 實(shí)物操控臺

本系統(tǒng)同時(shí)設(shè)計(jì)了4 種模式，分別為：①自動(dòng)演示模式。該模式為水下管匯操作的自動(dòng)演示模式，系統(tǒng)嚴(yán)格按照操作規(guī)程進(jìn)行完整的作業(yè)演示，使受訓(xùn)者熟悉正確操作流程；②科目訓(xùn)練模式。該模式依據(jù)向?qū)崾具M(jìn)行安全操作訓(xùn)練，在每個(gè)操作步驟開始前都通過簡潔的文字提示如何操作，受訓(xùn)者利用輸入設(shè)備對部件進(jìn)行操作，完成相應(yīng)步驟；③自主操作模式。該模式下受訓(xùn)者可以對所有部件進(jìn)行各種操作（包括正確的和錯(cuò)誤的），并在虛擬環(huán)境中展示出來；④考核模式。該模式下系統(tǒng)對用戶操作過程進(jìn)行詳細(xì)記錄，考核結(jié)束后進(jìn)行智能評分。

實(shí)物操控臺、Vortext 物理引擎以及虛擬場景技術(shù)的結(jié)合使仿真系統(tǒng)既保持了實(shí)物操控真實(shí)感強(qiáng)的特點(diǎn)，又降低了訓(xùn)練操作成本。為確保水下管匯安裝虛擬仿真訓(xùn)練系統(tǒng)各項(xiàng)功能正常運(yùn)行，本文進(jìn)行了纜繩、管匯抓取、管匯入水、管匯碰撞檢測、水下機(jī)器人運(yùn)動(dòng)以及操作評分等方面的測試，測試結(jié)果均為通過，可見該系統(tǒng)能有效滿足深水水下安裝培訓(xùn)需求。同時(shí)在系統(tǒng)上針對6 種工況進(jìn)行了測試，結(jié)果見表1。系統(tǒng)在工況1 和工況6 下的運(yùn)行效果比較如圖14所示。

Table 1 System test condition表1 系統(tǒng)測試工況

Fig.14 Comparison of operating effects of the system under condition 1 and condition 6圖14 系統(tǒng)在工況1和工況6下的運(yùn)行效果比較

4 結(jié)語

針對水下管匯在深水中安裝風(fēng)險(xiǎn)大、復(fù)雜度高等問題，本文提出將Vortex 與Vega Prime 虛擬現(xiàn)實(shí)平臺相結(jié)合，構(gòu)建一個(gè)符合深水水下安裝培訓(xùn)需求的水下管匯虛擬仿真軟件系統(tǒng)。該系統(tǒng)可全面模擬管匯吊起、管匯下放、ROV 抓取管匯、ROV 推動(dòng)管匯對中等安裝過程，方便有效地培訓(xùn)工作人員掌握各種操作技能，減少實(shí)際操作中的風(fēng)險(xiǎn)。雖然虛擬仿真能在一定程度上模擬實(shí)際工況，但難免會存在一定差異。未來將致力于優(yōu)化硬件設(shè)備、降低成本，并將人工智能技術(shù)應(yīng)用于虛擬仿真系統(tǒng)中，使其能夠根據(jù)操作人員表現(xiàn)自適應(yīng)調(diào)整培訓(xùn)項(xiàng)目與進(jìn)度，進(jìn)一步提高培訓(xùn)效果與效率。