一种海洋平台姿态模拟与监测系统设计方案

     作者：张毅                                                                                            

    本文在调研国外产品的基础上，结合实际需求，采用LabVIEW、Matlab及3DMAX等软件，设计海洋平台姿态模拟与监测系统。

    1  系统结构与功能

    1.1  系统结构

    为充分反映实际产品的结构和功能，便于模拟系统的灵活推广应用和实际需求，本系统设计成相对独立的3部分，即监控台、虚拟仿真机和实物模拟机。其系统结构框图与信息流向如图1所示。

    监控台相当于实际海洋平台中使用的监测系统，它与虚拟仿真机及模拟机之间进行信息交换，按工程应用需求设计与实现系统。当真实海洋与平台取代虚拟仿真机及模拟机时，配置必要传感器，监控台就能完成监测任务。虚拟仿真机包含了虚拟海洋环境仿真和虚拟平台运动仿真。虚拟海洋环境仿真是通过人机交互界面设置环境参数，由风、浪、流模型完成各种海况的仿真；虚拟平台运动仿真是在海洋环境扰动下平台模型的6自由度的运动仿真。实物模拟机采用6自由度摇摆台HT - 6DOF - 500，按比例体现平台的姿态变化。

    这种结构相对独立的设计方法，使得系统应用灵活。例如监测海洋环境与平台姿态，选用监控台进行扩展即能满足要求；再如测试海洋平台性能，选用虚拟仿真机即可。

    1.2系统主要功能

    系统主要功能说明如下。

    (1)实时显示海洋环境参数值与海洋平台姿态参数值以及姿态趋势曲线。

    (2)采用3D模型与HT - 6DOF - 500 6自由度摇摆台模拟海洋平台姿态变化。

    (3)修改海况参数值以及海洋平台工作区域参数值。

    (4)产生虚拟海况，能仿真海洋平台的运动。

    (5)显示报警信息，查询历史数据与报警数据。

    2系统设计

    2.1设计目标

    系统设计目标说明如下。

    (1)监测影响平台运动的海洋环境因素（风、浪、流的参数）以及海洋平台姿态，监视海洋平台报警信息，并以多种形式表现海洋平台姿态与报警信息。

    (2)设置风、浪、流环境参数，模拟产生不同的海洋环境。计算海洋平台的水动力，计算不同风、浪、流环境因素下海洋平台的动力响应。

    (3)在实物HT -6DOF - 500 6自由度摇摆台上实现海洋平台6自由度的运动模拟，再现海洋平台的姿态。

    2.2设计方案与方法

    监控台设计框图如图2所示。

    监控台包含参数设置、参数实时显示、参数趋势显示、3D动态模拟显示、历史数据显示、信息处理与安全分析、报警信息显示、通信以及数据库等模块。

海洋环境与平台虚拟仿真机设计框图如图3所示，包含了参数设置、风浪流模型、海洋平台模型以及通信等模块。

    本文的海洋平台选取半潜式钻井平台。

    2. 2.1监测显示

    监测显示包含了参数实时显示、参数趋势显示和3D动态模拟显示3个模块，主要采用LabVIEW编程实现。监控台利用以太网TCP/IP协议建立与虚拟仿真机及模拟机的通信，接收虚拟仿真机的实时仿真数据包，提取各参数数据。实时数据写至显示控件与图形控件，实现参数实时显示与趋势显示。此外，在3DMAX中分别建立海平面、半潜式钻井平台3D模型，以．wrl文件格式导出3D模型文件，再由LabVIEW的三维图片显示控件导入．wrl文件，组合背景图片，形成所需的组合3D模型。实时数据控制组合3D模型按绝对比例运动，实现3D动态模拟显示。

    2.2.2数据通信

    监控台、虚拟机以及实物模拟机之间依靠数据通信完成信息的交流。LabVIEW利用TCP/IP协议，采用客户机( Client)和服务器(Server)的模式，按照预先约定的数据包格式实现三者之间的数据通信。LabVIEW为用户提供功能TCP节点，以实现基于TCP协议的局域网通信。TCP节点包括Connection节点、Transmission节点以及Conversion节点。双机TCP通信流程如图4所示。

    2.2.3  海洋环境与平台模型

    海洋环境和平台模型相对较复杂，利用Matlab/Simulink强大的建模功能、RTW（real-time workshop）工具箱以及海洋系统模拟器(marine systems simulator，MSS)建立实时海洋环境与平台模型，再由SIT( simulation interface toolkit)工具包应用于LabVIEW程序。

    ①境载荷。风产生力的模型如式(1)所示。

    式中：p。为空气质量密度；Vrw为风速；y。为相对于平台的风压角；C为各个方向的风阻力系数；A为前、后投影面积；L。为两柱间距离；日为前、后水线上的质心高度。

    海浪对平台的影响可考虑一阶波浪力和二阶波浪力。一阶波浪力使平台产生波频运动力，仅导致平台周期性的振荡；二阶波浪力使平台偏离预定位置产生难以恢复的漂移，但对平台的竖直面内的运动如纵摇、横摇和升沉无明显影响。

    一阶波浪力F(t)如式(2)所示。

    式中：分别表示一阶脉冲响应函数和二阶脉冲响应函数。

    二阶波浪力的函数描述如式(3)所示。

    式中：纵向漂移力可用j=l时表示；横向漂移力可用j=2时表示，转动力矩可用j=6时表示；CjVD（w，a）可由规则波计算频域求得，表示波浪相对于平台成a角度时的波浪漂移系数；S( OJ)表示波浪谱，本文选择北海联合海浪计划(joint North Sea wave project，JONSWAP)波谱。

    流载荷是最为稳定的一种环境载荷。流的速度随着水深的增加而减小。在实际应用中，流速变化不大，为简化起见本文认为流速为定常。

    ②平台模型。海洋平台的模型如式(4)所示。

    式中：M为平台含附加质量的惯性矩阵；C为科里奥利一向心矩阵；D为阻尼系统矩阵；g（n）为重力／浮力；n为纵荡、横荡、升沉、横摇、纵摇、首摇六自由度组成的向量；v为n的1阶导数；v为v的1阶导数即是n的2阶导数；Twind为风对平台的作用力向量；L。，。为波浪对平台的作用力向量；t为控制力向量。

    2.2.4数据库

    数据库用于存放监测数据和报警信息。通过LabVIEW的Microsoft ADO控件、LabSQL以及ODBC接口函数库驱动程序实现对数据库的访问。利用LabSQL工具包将实时数据与报警信息写入Access数据库，实现姿态信息与报警信息的存储。利用LabSQL工具包读取Access数据库中的数据，实现历史曲线与报警信息的显示和查询功能。

    LabSQL访问数据库的基本步骤如下。

    ①通过ADO Create. vi创建一个Connection对象，利用ADO Connection Open. vi建立与数据库的连接，数据库字符串ConnectionString“DSN= myDB”。myDB是在Windows ODBC数据源中创建的一个DSN，并与想要连接的数据库进行连接。

    ②利用ADO Recordset Create. vi创建一个Recordset对象，再利用ADO Recordset Open.vi打开Recordset对象，同时利用SQL查询命令获得数据库表中的全部或部分记录。

    ③通过功能选择按钮来选择控制对数据库的操作（查询、添加、删除、修改）。

    ④利用ADO Recordset Close. vi和ADOConnection Close. vi关闭与数据库之间的连接。

    2.2.5实物模拟平台运动

    实物HT -6DOF - 500 6自由度摇摆台采用PLC、MP - C152与MP - CI54运动控制卡及其对应的软件控制其运动，采用6个伺服电动缸驱动各个自由度，对外提供了6自由度单个动作的动态连接库文件(．dll文件)。对提供的. Dll文件进行分析研究，采用以太网TCP/IP通信协议，编写LabVIEW应用程序。应用程序能从虚拟仿真机中取得平台姿态值，通过初始化、运动参数传递等手段调用．dll文件，实现HT - 6DOF 500模拟海洋平台姿态变化

    2.2.6信息处理与安全分析

    信息处理的主要内容是设计滤波器。滤波器能过滤高频波成分，减小一阶波浪力的扰动。安全分析主要内容是报警与报警分析，包括平台位置与姿态、锚泊线的张力等超出规定范围的报警与分析，并将报警信息保存于数据库，为后续处理提供依据。

    3系统测试

    测试的海洋平台为半潜式平台，自重51 979.8 t，长度115 m，宽度80 m。

    3.1虚拟仿真机

    采用一台PC机实现虚拟仿真机。利用Wamit软件计算测试平台的环境载荷，得到类似MSS系统中的“senusub. mat”与“semisubABC. mat”格式的数据文件。虚拟仿真机的测试步骤：①在Matlab/Simulink环境下对建模完成的虚拟仿真机进行测试，观察是否符合要求；②测试Simulink模型由SIT应用于LabVIEW后是否能正常工作，包括参数匹配；    ③建立通信，测试虚拟仿真机与监控台的通信及数据格式是否符合要求。

    图5是虚拟仿真测试的曲线示例。图5(a)是有义浪高设为2m时浪高的曲线，曲线中的离散值即是监控台实时显示的海洋环境浪高数值，采样周期取为2s。图5（cJ是平台定位系统正常工作时6个自由度在环境干扰情况下的运动曲线示例，它是实物模拟平台运动的依据。图5(b)是以横荡为横坐标，纵荡为纵坐标采用图5(c)中的数据绘出的，反映平台在800 s内平面位置的变化情况。由图5(b)可以看出定位位置在(0，0)点，但由于海洋环境干扰，被测平台运动在(0，0)附近的一定范围内。

    3.2监控台

    采用一台PC机通过LabVIEW编程实现监控台。监控台测试步骤：①单独测试LabVIEW程序功能模块，包括参数的设置、海洋平台3D模型的调用与运动控制以及3D动态模拟显示、实时参数的显示、参数趋势曲线的显示、报警与分析、数据库存取功能；历史数据的显示等；②测试监控台每个功能按键的功能；③建立通信，测试监控控制台与虚拟仿真机以及实物模拟平台之间的数据通信和数据格式；④测试实时仿真时监测系统的各种功能。监测界面由4个区组成，左上部分为3D动态模拟显示，平台模型随6自由度值变化而运动，海平面也动态变化，天空不变；左下部分是功能按键，可进入对应的功能操作界面；右上部分实时显示参数，其参数名也被用作按钮，点击可查看对应参数的趋势曲线；右下部分为指示灯，显示平台是否工作在正常范围内。

    3.3实物模拟机

    实物模拟机的测试步骤：①利用模拟机设置各自由度的控制量，单独测试6自由度摇摆台HT -6DOF - 500每个自由度的运动控制程序，观察是否按要求进行运动控制；②建立通信关系，测试模拟机与监控台以及虚拟机之间的数据通信程序，观察通信数据值以及格式是否符合要求；③测试由监控台发送的数据控制实物模拟平台单自由度运动的程序，观察平台移动是否符合要求；④在前3步都符合测试结果的前提下，测试由监控台发送的实时仿真数据控制实物模拟平台6自由度运动的程序，观察实物模拟机是否正常工作。

    测试结果表明：编写的LabWIEW程序能够控制6自由度摇摆台HT -6DOF - 500运动，模拟反映海洋平台的姿态变化。

4结束语

    海洋平台是海上作业、石油钻探与生产所需的平台。海洋平台姿态模拟与监测系统设计与实现中应用了LabVIEW在系统集成、实时、丰富的人机界面设计等方面的优点；并结合Simulink的建模优势以及3DMAX在三维仿真建模具有的强渲染效果等优点，充分利用了LabVIEW的接口工具，如串行通信、TCP/IP协议、SIT、动态连接库调用等功能，解决不同编程语言之间的数据接口问题，缩短实时仿真系统的开发周期、降低开发成本；显示中采用了三维图形，使监测系统更加直观、形象、生动。系统完成了预先的设计目标，对监测类系统的设计与测试应用具有借鉴作用。

    5摘要：受风、浪、流的影响，海洋平台在纵荡、横荡、升沉、横摇、纵摇和首摇6个自由度产生运动，严重时将威胁其安全。为分析与控制海洋平台，设计了由监控台、虚拟仿真机和模拟平台组成的模拟与监测系统。采用LabVIEW、Matlab/Simulink和3DMAX完成系统研发工作，监控台具有实时显示参数、报警和3D模型，查询历史记录等功能，虚拟仿真机可产生不同虚拟海况，模拟平台能反映姿态变化。系统具有结构配置灵活、使用方便等特点。仿真表明，系统满足功能要求。