一種海洋平臺姿態(tài)模擬與監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計方案
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作者：鄭曉蒙
本文在調(diào)研國外產(chǎn)品的基礎(chǔ)上，結(jié)合實際需求，采用LabVIEW、Matlab及3DMAX等軟件，設(shè)計海洋平臺姿態(tài)模擬與監(jiān)測系統(tǒng)。
1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能
1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
為充分反映實際產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和功能，便于模擬系統(tǒng)的靈活推廣應(yīng)用和實際需求，本系統(tǒng)設(shè)計成相對獨立的3部分，即監(jiān)控臺、虛擬仿真機和實物模擬機。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖與信息流向如圖1所示。
監(jiān)控臺相當(dāng)于實際海洋平臺中使用的監(jiān)測系統(tǒng)，它與虛擬仿真機及模擬機之間進(jìn)行信息交換，按工程應(yīng)用需求設(shè)計與實現(xiàn)系統(tǒng)。當(dāng)真實海洋與平臺取代虛擬仿真機及模擬機時，配置必要傳感器，監(jiān)控臺就能完成監(jiān)測任務(wù)。虛擬仿真機包含了虛擬海洋環(huán)境仿真和虛擬平臺運動仿真。虛擬海洋環(huán)境仿真是通過人機交互界面設(shè)置環(huán)境參數(shù)，由風(fēng)、浪、流模型完成各種海況的仿真；虛擬平臺運動仿真是在海洋環(huán)境擾動下平臺模型的6自由度的運動仿真。實物模擬機采用6自由度搖擺臺HT - 6DOF - 500，按比例體現(xiàn)平臺的姿態(tài)變化。
這種結(jié)構(gòu)相對獨立的設(shè)計方法，使得系統(tǒng)應(yīng)用靈活。例如監(jiān)測海洋環(huán)境與平臺姿態(tài)，選用監(jiān)控臺進(jìn)行擴展即能滿足要求；再如測試海洋平臺性能，選用虛擬仿真機即可。
1.2系統(tǒng)主要功能
系統(tǒng)主要功能說明如下。
(1)實時顯示海洋環(huán)境參數(shù)值與海洋平臺姿態(tài)參數(shù)值以及姿態(tài)趨勢曲線。
(2)采用3D模型與HT - 6DOF - 500 6自由度搖擺臺模擬海洋平臺姿態(tài)變化。
(3)修改海況參數(shù)值以及海洋平臺工作區(qū)域參數(shù)值。
(4)產(chǎn)生虛擬海況，能仿真海洋平臺的運動。
(5)顯示報警信息，查詢歷史數(shù)據(jù)與報警數(shù)據(jù)。
2系統(tǒng)設(shè)計
2.1設(shè)計目標(biāo)
系統(tǒng)設(shè)計目標(biāo)說明如下。
(1)監(jiān)測影響平臺運動的海洋環(huán)境因素（風(fēng)、浪、流的參數(shù)）以及海洋平臺姿態(tài)，監(jiān)視海洋平臺報警信息，并以多種形式表現(xiàn)海洋平臺姿態(tài)與報警信息。
(2)設(shè)置風(fēng)、浪、流環(huán)境參數(shù)，模擬產(chǎn)生不同的海洋環(huán)境。計算海洋平臺的水動力，計算不同風(fēng)、浪、流環(huán)境因素下海洋平臺的動力響應(yīng)。
(3)在實物HT -6DOF - 500 6自由度搖擺臺上實現(xiàn)海洋平臺6自由度的運動模擬，再現(xiàn)海洋平臺的姿態(tài)。
2.2設(shè)計方案與方法
監(jiān)控臺設(shè)計框圖如圖2所示。
監(jiān)控臺包含參數(shù)設(shè)置、參數(shù)實時顯示、參數(shù)趨勢顯示、3D動態(tài)模擬顯示、歷史數(shù)據(jù)顯示、信息處理與安全分析、報警信息顯示、通信以及數(shù)據(jù)庫等模塊。
海洋環(huán)境與平臺虛擬仿真機設(shè)計框圖如圖3所示，包含了參數(shù)設(shè)置、風(fēng)浪流模型、海洋平臺模型以及通信等模塊。
本文的海洋平臺選取半潛式鉆井平臺。
2. 2.1監(jiān)測顯示
監(jiān)測顯示包含了參數(shù)實時顯示、參數(shù)趨勢顯示和3D動態(tài)模擬顯示3個模塊，主要采用LabVIEW編程實現(xiàn)。監(jiān)控臺利用以太網(wǎng)TCP/IP協(xié)議建立與虛擬仿真機及模擬機的通信，接收虛擬仿真機的實時仿真數(shù)據(jù)包，提取各參數(shù)數(shù)據(jù)。實時數(shù)據(jù)寫至顯示控件與圖形控件，實現(xiàn)參數(shù)實時顯示與趨勢顯示。此外，在3DMAX中分別建立海平面、半潛式鉆井平臺3D模型，以．wrl文件格式導(dǎo)出3D模型文件，再由LabVIEW的三維圖片顯示控件導(dǎo)入．wrl文件，組合背景圖片，形成所需的組合3D模型。實時數(shù)據(jù)控制組合3D模型按絕對比例運動，實現(xiàn)3D動態(tài)模擬顯示。
2.2.2數(shù)據(jù)通信
監(jiān)控臺、虛擬機以及實物模擬機之間依靠數(shù)據(jù)通信完成信息的交流。LabVIEW利用TCP/IP協(xié)議，采用客戶機( Client)和服務(wù)器(Server)的模式，按照預(yù)先約定的數(shù)據(jù)包格式實現(xiàn)三者之間的數(shù)據(jù)通信。LabVIEW為用戶提供功能TCP節(jié)點，以實現(xiàn)基于TCP協(xié)議的局域網(wǎng)通信。TCP節(jié)點包括Connection節(jié)點、Transmission節(jié)點以及Conversion節(jié)點。雙機TCP通信流程如圖4所示。
2.2.3 海洋環(huán)境與平臺模型
海洋環(huán)境和平臺模型相對較復(fù)雜，利用Matlab/Simulink強大的建模功能、RTW（real-time workshop）工具箱以及海洋系統(tǒng)模擬器(marine systems simulator，MSS)建立實時海洋環(huán)境與平臺模型，再由SIT( simulation interface toolkit)工具包應(yīng)用于LabVIEW程序。
①境載荷。風(fēng)產(chǎn)生力的模型如式(1)所示。
式中：p。為空氣質(zhì)量密度；Vrw為風(fēng)速；y。為相對于平臺的風(fēng)壓角；C為各個方向的風(fēng)阻力系數(shù)；A為前、后投影面積；L。為兩柱間距離；日為前、后水線上的質(zhì)心高度。
海浪對平臺的影響可考慮一階波浪力和二階波浪力。一階波浪力使平臺產(chǎn)生波頻運動力，僅導(dǎo)致平臺周期性的振蕩；二階波浪力使平臺偏離預(yù)定位置產(chǎn)生難以恢復(fù)的漂移，但對平臺的豎直面內(nèi)的運動如縱搖、橫搖和升沉無明顯影響。
一階波浪力F(t)如式(2)所示。
式中：
分別表示一階脈沖響應(yīng)函數(shù)和二階脈沖響應(yīng)函數(shù)。
二階波浪力的函數(shù)描述如式(3)所示。
式中：縱向漂移力可用j=l時表示；橫向漂移力可用j=2時表示，轉(zhuǎn)動力矩可用j=6時表示；CjVD（w，a）可由規(guī)則波計算頻域求得，表示波浪相對于平臺成a角度時的波浪漂移系數(shù)；S( OJ)表示波浪譜，本文選擇北海聯(lián)合海浪計劃(joint North Sea wave project，JONSWAP)波譜。
流載荷是最為穩(wěn)定的一種環(huán)境載荷。流的速度隨著水深的增加而減小。在實際應(yīng)用中，流速變化不大，為簡化起見本文認(rèn)為流速為定常。
②平臺模型。海洋平臺的模型如式(4)所示。
式中：M為平臺含附加質(zhì)量的慣性矩陣；C為科里奧利一向心矩陣；D為阻尼系統(tǒng)矩陣；g（n）為重力／浮力；n為縱蕩、橫蕩、升沉、橫搖、縱搖、首搖六自由度組成的向量；v為n的1階導(dǎo)數(shù)；v為v的1階導(dǎo)數(shù)即是n的2階導(dǎo)數(shù)；Twind為風(fēng)對平臺的作用力向量；L。，。為波浪對平臺的作用力向量；t為控制力向量。
2.2.4數(shù)據(jù)庫
數(shù)據(jù)庫用于存放監(jiān)測數(shù)據(jù)和報警信息。通過LabVIEW的Microsoft ADO控件、LabSQL以及ODBC接口函數(shù)庫驅(qū)動程序?qū)崿F(xiàn)對數(shù)據(jù)庫的訪問。利用LabSQL工具包將實時數(shù)據(jù)與報警信息寫入Access數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)姿態(tài)信息與報警信息的存儲。利用LabSQL工具包讀取Access數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)歷史曲線與報警信息的顯示和查詢功能。
LabSQL訪問數(shù)據(jù)庫的基本步驟如下。
①通過ADO Create. vi創(chuàng)建一個Connection對象，利用ADO Connection Open. vi建立與數(shù)據(jù)庫的連接，數(shù)據(jù)庫字符串ConnectionString“DSN= myDB”。myDB是在Windows ODBC數(shù)據(jù)源中創(chuàng)建的一個DSN，并與想要連接的數(shù)據(jù)庫進(jìn)行連接。
②利用ADO Recordset Create. vi創(chuàng)建一個Recordset對象，再利用ADO Recordset Open.vi打開Recordset對象，同時利用SQL查詢命令獲得數(shù)據(jù)庫表中的全部或部分記錄。
③通過功能選擇按鈕來選擇控制對數(shù)據(jù)庫的操作（查詢、添加、刪除、修改）。
④利用ADO Recordset Close. vi和ADOConnection Close. vi關(guān)閉與數(shù)據(jù)庫之間的連接。
2.2.5實物模擬平臺運動
實物HT -6DOF - 500 6自由度搖擺臺采用PLC、MP - C152與MP - CI54運動控制卡及其對應(yīng)的軟件控制其運動，采用6個伺服電動缸驅(qū)動各個自由度，對外提供了6自由度單個動作的動態(tài)連接庫文件(．dll文件)。對提供的. Dll文件進(jìn)行分析研究，采用以太網(wǎng)TCP/IP通信協(xié)議，編寫LabVIEW應(yīng)用程序。應(yīng)用程序能從虛擬仿真機中取得平臺姿態(tài)值，通過初始化、運動參數(shù)傳遞等手段調(diào)用．dll文件，實現(xiàn)HT - 6DOF 500模擬海洋平臺姿態(tài)變化
2.2.6信息處理與安全分析
信息處理的主要內(nèi)容是設(shè)計濾波器。濾波器能過濾高頻波成分，減小一階波浪力的擾動。安全分析主要內(nèi)容是報警與報警分析，包括平臺位置與姿態(tài)、錨泊線的張力等超出規(guī)定范圍的報警與分析，并將報警信息保存于數(shù)據(jù)庫，為后續(xù)處理提供依據(jù)。
3系統(tǒng)測試
測試的海洋平臺為半潛式平臺，自重51 979.8 t，長度115 m，寬度80 m。
3.1虛擬仿真機
采用一臺PC機實現(xiàn)虛擬仿真機。利用Wamit軟件計算測試平臺的環(huán)境載荷，得到類似MSS系統(tǒng)中的“senusub. mat”與“semisubABC. mat”格式的數(shù)據(jù)文件。虛擬仿真機的測試步驟：①在Matlab/Simulink環(huán)境下對建模完成的虛擬仿真機進(jìn)行測試，觀察是否符合要求；②測試Simulink模型由SIT應(yīng)用于LabVIEW后是否能正常工作，包括參數(shù)匹配；③建立通信，測試虛擬仿真機與監(jiān)控臺的通信及數(shù)據(jù)格式是否符合要求。
圖5是虛擬仿真測試的曲線示例。圖5(a)是有義浪高設(shè)為2m時浪高的曲線，曲線中的離散值即是監(jiān)控臺實時顯示的海洋環(huán)境浪高數(shù)值，采樣周期取為2s。圖5（cJ是平臺定位系統(tǒng)正常工作時6個自由度在環(huán)境干擾情況下的運動曲線示例，它是實物模擬平臺運動的依據(jù)。圖5(b)是以橫蕩為橫坐標(biāo)，縱蕩為縱坐標(biāo)采用圖5(c)中的數(shù)據(jù)繪出的，反映平臺在800 s內(nèi)平面位置的變化情況。由圖5(b)可以看出定位位置在(0，0)點，但由于海洋環(huán)境干擾，被測平臺運動在(0，0)附近的一定范圍內(nèi)。
3.2監(jiān)控臺
采用一臺PC機通過LabVIEW編程實現(xiàn)監(jiān)控臺。監(jiān)控臺測試步驟：①單獨測試LabVIEW程序功能模塊，包括參數(shù)的設(shè)置、海洋平臺3D模型的調(diào)用與運動控制以及3D動態(tài)模擬顯示、實時參數(shù)的顯示、參數(shù)趨勢曲線的顯示、報警與分析、數(shù)據(jù)庫存取功能；歷史數(shù)據(jù)的顯示等；②測試監(jiān)控臺每個功能按鍵的功能；③建立通信，測試監(jiān)控控制臺與虛擬仿真機以及實物模擬平臺之間的數(shù)據(jù)通信和數(shù)據(jù)格式；④測試實時仿真時監(jiān)測系統(tǒng)的各種功能。監(jiān)測界面由4個區(qū)組成，左上部分為3D動態(tài)模擬顯示，平臺模型隨6自由度值變化而運動，海平面也動態(tài)變化，天空不變；左下部分是功能按鍵，可進(jìn)入對應(yīng)的功能操作界面；右上部分實時顯示參數(shù)，其參數(shù)名也被用作按鈕，點擊可查看對應(yīng)參數(shù)的趨勢曲線；右下部分為指示燈，顯示平臺是否工作在正常范圍內(nèi)。
3.3實物模擬機
實物模擬機的測試步驟：①利用模擬機設(shè)置各自由度的控制量，單獨測試6自由度搖擺臺HT -6DOF - 500每個自由度的運動控制程序，觀察是否按要求進(jìn)行運動控制；②建立通信關(guān)系，測試模擬機與監(jiān)控臺以及虛擬機之間的數(shù)據(jù)通信程序，觀察通信數(shù)據(jù)值以及格式是否符合要求；③測試由監(jiān)控臺發(fā)送的數(shù)據(jù)控制實物模擬平臺單自由度運動的程序，觀察平臺移動是否符合要求；④在前3步都符合測試結(jié)果的前提下，測試由監(jiān)控臺發(fā)送的實時仿真數(shù)據(jù)控制實物模擬平臺6自由度運動的程序，觀察實物模擬機是否正常工作。
測試結(jié)果表明：編寫的LabWIEW程序能夠控制6自由度搖擺臺HT -6DOF - 500運動，模擬反映海洋平臺的姿態(tài)變化。
4結(jié)束語
海洋平臺是海上作業(yè)、石油鉆探與生產(chǎn)所需的平臺。海洋平臺姿態(tài)模擬與監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)中應(yīng)用了LabVIEW在系統(tǒng)集成、實時、豐富的人機界面設(shè)計等方面的優(yōu)點；并結(jié)合Simulink的建模優(yōu)勢以及3DMAX在三維仿真建模具有的強渲染效果等優(yōu)點，充分利用了LabVIEW的接口工具，如串行通信、TCP/IP協(xié)議、SIT、動態(tài)連接庫調(diào)用等功能，解決不同編程語言之間的數(shù)據(jù)接口問題，縮短實時仿真系統(tǒng)的開發(fā)周期、降低開發(fā)成本；顯示中采用了三維圖形，使監(jiān)測系統(tǒng)更加直觀、形象、生動。系統(tǒng)完成了預(yù)先的設(shè)計目標(biāo)，對監(jiān)測類系統(tǒng)的設(shè)計與測試應(yīng)用具有借鑒作用。
5摘要：受風(fēng)、浪、流的影響，海洋平臺在縱蕩、橫蕩、升沉、橫搖、縱搖和首搖6個自由度產(chǎn)生運動，嚴(yán)重時將威脅其安全。為分析與控制海洋平臺，設(shè)計了由監(jiān)控臺、虛擬仿真機和模擬平臺組成的模擬與監(jiān)測系統(tǒng)。采用LabVIEW、Matlab/Simulink和3DMAX完成系統(tǒng)研發(fā)工作，監(jiān)控臺具有實時顯示參數(shù)、報警和3D模型，查詢歷史記錄等功能，虛擬仿真機可產(chǎn)生不同虛擬海況，模擬平臺能反映姿態(tài)變化。系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)配置靈活、使用方便等特點。仿真表明，系統(tǒng)滿足功能要求。
