海工產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)仿真試驗(yàn)驗(yàn)證平臺(tái)

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(biāo)準(zhǔn)是用于指導(dǎo)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造、檢驗(yàn)、安裝和使用的準(zhǔn)則。標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)的驗(yàn)證工作。隨著計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的飛速發(fā)展，使用仿真的方法驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)條款成為標(biāo)準(zhǔn)驗(yàn)證的一種必要手段。標(biāo)準(zhǔn)仿真試驗(yàn)驗(yàn)證通過仿真方法檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的合理性，為標(biāo)準(zhǔn)制定提供依據(jù)。

根據(jù)仿真方法的不同，可將計(jì)算機(jī)仿真劃分為基于硬件在環(huán)（Hardware In Loop，HIL）的半實(shí)物仿真、虛擬現(xiàn)實(shí)仿真、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)仿真、二維圖形仿真等；根據(jù)仿真內(nèi)容的不同，可將計(jì)算機(jī)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(xué)仿真、流體力學(xué)仿真、運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真、動(dòng)力學(xué)仿真、科學(xué)計(jì)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(tái)，在此基礎(chǔ)上提出產(chǎn)品設(shè)計(jì)及工藝的線下仿真驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)。采用該方式建設(shè)仿真平臺(tái)，技術(shù)上比較成熟，結(jié)果比較可靠，但平臺(tái)可擴(kuò)展性不強(qiáng)。王云鋒等[2]對(duì)標(biāo)準(zhǔn)驗(yàn)證模型的指標(biāo)體系進(jìn)行研究，為搭建基于標(biāo)準(zhǔn)驗(yàn)證模型的機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)工藝仿真標(biāo)準(zhǔn)驗(yàn)證平臺(tái)提供依據(jù)，但指標(biāo)的有效性仍然需要經(jīng)過大量實(shí)踐進(jìn)行驗(yàn)證。

海工產(chǎn)品種類繁多，其對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)也較多，各標(biāo)準(zhǔn)的驗(yàn)證對(duì)象和驗(yàn)證方法均不相同。海工產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)仿真試驗(yàn)驗(yàn)證平臺(tái)自主搭建通用的海工產(chǎn)品檢驗(yàn)環(huán)境，為部分標(biāo)準(zhǔn)的制定提供依據(jù)，該平臺(tái)目前主要側(cè)重對(duì)控制系統(tǒng)和通信系統(tǒng)等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行仿真驗(yàn)證。

本文搭建海工產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)仿真試驗(yàn)驗(yàn)證平臺(tái)，并采用仿真方法驗(yàn)證海工產(chǎn)品相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)制定的合理性。

1 系統(tǒng)架構(gòu)方案

海工產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)仿真試驗(yàn)驗(yàn)證平臺(tái)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(tái)建立的模型主要包括控制模型、通信模型、海洋平臺(tái)運(yùn)動(dòng)模型、船舶運(yùn)動(dòng)模型、管理系統(tǒng)模型、電力系統(tǒng)模型、推進(jìn)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(duì)船舶與海洋平臺(tái)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行驗(yàn)證。

圖1 海工產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)仿真試驗(yàn)驗(yàn)證平臺(tái)系統(tǒng)架構(gòu)圖

2 驗(yàn)證實(shí)例

2.1 標(biāo)準(zhǔn)條款

動(dòng)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(tái)保持在較小范圍內(nèi)運(yùn)動(dòng)。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(dòng)進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)計(jì)算結(jié)果控制各推進(jìn)器的推力大小，盡可能使船舶或海洋平 臺(tái)的艏向和船位保持不變。對(duì)DP 系統(tǒng)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行仿真測(cè)試驗(yàn)證具有重要意義，本文選擇標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)行驗(yàn)證[7]。HIL仿真系統(tǒng)可以在脫離真實(shí)船舶及海洋平臺(tái)作業(yè)環(huán)境的情況下對(duì)DP 系統(tǒng)的故障進(jìn)行檢測(cè)。

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(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)條款提出的系統(tǒng)框架對(duì)HIL仿真系統(tǒng)進(jìn)行開發(fā)。若開發(fā)出的系統(tǒng)能成功實(shí)現(xiàn)仿真測(cè)試，則說明標(biāo)準(zhǔn)條款的內(nèi)容是合理的，否則說明該標(biāo)準(zhǔn)條款的內(nèi)容存在問題，需要進(jìn)一步修改。

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)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(tái)柴油發(fā)電機(jī)、7 臺(tái)變壓器、2 臺(tái)12 脈沖變頻器、1 臺(tái)24 脈沖變頻器和3 臺(tái)推進(jìn)電機(jī)；SM_gen2子系統(tǒng)包括2臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)、8臺(tái)變壓器、4 臺(tái)12 脈沖變頻器和4 臺(tái)推進(jìn)電機(jī)；SM_gen3 子系統(tǒng)包括2 臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)、7 臺(tái)變壓器、2 臺(tái)12 脈沖變頻器、1 臺(tái)24 脈沖變頻器和2 臺(tái)推進(jìn)電機(jī)。圖3中：Ts表示采樣時(shí)間；Trigger 表示觸發(fā)信號(hào)接口；Brk 表示斷開信號(hào)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(hào)接口；Recv 表示接收信號(hào)接口；Status 表示狀態(tài)信號(hào)接口；Over 表示過載信號(hào)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(jìn)變壓器進(jìn)線端及母聯(lián)電纜上選取故障點(diǎn)K1、K2和K3進(jìn)行三相短路試驗(yàn)。圖4 中：brk1～brk7表示電閘，G 表示發(fā)電機(jī)，M 表示推進(jìn)電機(jī)，K1、K2和K3表示故障點(diǎn)。海洋平臺(tái)為海上鉆井、采油、集運(yùn)、觀測(cè)、導(dǎo)航、施工等活動(dòng)提供生產(chǎn)和生活設(shè)施。海洋平臺(tái)的工作環(huán)境惡劣，不僅有風(fēng)、浪、流等復(fù)雜外部載荷的作用，還會(huì)受到交變作業(yè)載荷的影響。在海洋平臺(tái)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制定過程中，涉及對(duì)風(fēng)、浪、流等外部載荷的描述，為驗(yàn)證這些描述是否正確，需要建立動(dòng)力定位仿真驗(yàn)證平臺(tái)，該平臺(tái)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小；yw表示船舶橫蕩的噪聲大小；psiw表示船舶艏向的噪聲大小；psi 表示根據(jù)船舶運(yùn)動(dòng)模型計(jì)算得到的艏向大小；y 表示模擬的船舶運(yùn)動(dòng)的位置與艏向組成的數(shù)組；該模擬值等于船舶運(yùn)動(dòng)模型計(jì)算得到的位置、艏向與相應(yīng)噪聲的和；y3表示船舶運(yùn)動(dòng)模型計(jì)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小；yd表示船舶初始位置沿橫向方向的大小；psid表示船舶艏向的初始大小；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(yùn)動(dòng)模型計(jì)算得到的船舶運(yùn)動(dòng)的位置和艏向組成的數(shù)組；nu表示根據(jù)船舶運(yùn)動(dòng)模型計(jì)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(jìn)器的扭矩大小；etaw表示慣性導(dǎo)航仿真器測(cè)量到的船舶運(yùn)動(dòng)位置噪聲與艏向噪聲組成的數(shù)組；psw表示慣性導(dǎo)航仿真器測(cè)量到的船舶艏向噪聲大小；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(cè)試

建立DP 控制系統(tǒng)，并通過相關(guān)設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)來采集數(shù)學(xué)模型參數(shù)。將HIL 仿真系統(tǒng)與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備（被測(cè)系統(tǒng)）連接，為現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備提供真實(shí)信號(hào)，并開始進(jìn)行測(cè)試。DP 控制系統(tǒng)的HIL 測(cè)試系統(tǒng)總體架構(gòu)見圖6。試驗(yàn)平臺(tái)的電力系統(tǒng)、推進(jìn)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(xiàng)目實(shí)際進(jìn)行選取，在貼近真實(shí)環(huán)境下對(duì)DP 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念、功能性、失效處理能力等進(jìn)行測(cè)試評(píng)估。

圖6 HIL 測(cè)試系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

3 標(biāo)準(zhǔn)驗(yàn)證結(jié)果

3.1 失效模式仿真

分別在母線、推進(jìn)變壓器進(jìn)線端及母聯(lián)電纜上選取故障點(diǎn)K1、K2和K3進(jìn)行三相短路試驗(yàn)。當(dāng)K1短路時(shí)，同步發(fā)電機(jī)差動(dòng)保護(hù)，brk1 跳閘；當(dāng)K2短路時(shí)，推進(jìn)電機(jī)變壓器過流保護(hù)，brk4 跳閘；當(dāng)K3短路時(shí)，母聯(lián)方向比較式縱聯(lián)保護(hù)，brk6 和brk7跳閘。仿真試驗(yàn)表明：當(dāng)HIL 系統(tǒng)發(fā)生三相短路故障時(shí)，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(cè)試過程中，DP 控制系統(tǒng)接收環(huán)境載荷、船舶運(yùn)動(dòng)參數(shù)、船舶位置、推進(jìn)器狀態(tài)、電網(wǎng)狀態(tài)等信息，并輸出相應(yīng)的指令至推進(jìn)器系統(tǒng)。在不同風(fēng)、浪、流的擾動(dòng)情況下，DP 控制系統(tǒng)能夠自動(dòng)控制艏向，使船體與定義運(yùn)動(dòng)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(jìn)行實(shí)時(shí)交互（見圖7），以便多視角、多維度地進(jìn)行仿真測(cè)試。結(jié)果表明：根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)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(shí)現(xiàn)仿真測(cè)試，標(biāo)準(zhǔn)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(shí)時(shí)交互

4 結(jié)論

本文搭建了海工產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)仿真試驗(yàn)驗(yàn)證平臺(tái)，建立了控制系統(tǒng)和通信系統(tǒng)的模型，并對(duì)模型進(jìn)行了測(cè)試。研究結(jié)果表明：根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)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(shí)現(xiàn)仿真測(cè)試，標(biāo)準(zhǔn)條款的內(nèi)容是合理的。