水下管匯安裝虛擬仿真訓練系統設計與實現

張建兵，陳從磊，連遠鋒，嚴澤梟

（1.中國石油大學（北京）信息科學與工程學院；2.中國石油大學（北京）石油數據挖掘北京市重點實驗室，北京 102249；3.中國石油化工股份有限公司石油勘探開發研究院，北京 100083）

0 引言

隨著我國油氣資源的開發逐步走向深水油氣田，水下生產系統得到了廣泛應用，已成為海洋油氣開發與生產的關鍵裝備。水下管匯是一種基于重力的大型水下設備，是水下油、氣生產的匯集與分配中心［1-2］。作為水下生產系統中重要的組成部分，其造價高、體積大，內部管線高度密集。在安裝作業過程中，安裝母船以及整個管匯作業系統會受到海上風、浪與水流的聯合作用，安裝難度與風險均較大，如果出現差錯，損失將無比慘重［3-5］，因此對油田作業員工進行深海水下作業項目的培訓十分必要。

為提高油田作業員工對深海水下作業項目的操作水平，文獻［6］根據中國陵水、流花氣田水下管匯的實際設計情況，提出管匯質量計算的理論方法，實現了利用各部件三維模型快速搭建水下管匯、估算水下管匯質量的目標；文獻［7］結合水下管匯主要設備構件的組成與布置對國產化水下管匯設計方案進行了優化；文獻［8］開發了一個基于Unity 3D 平臺的水下管匯模塊化設計仿真系統，完成了水下管匯設計模塊的拆分，為水下管匯國產化、智能化設計提供了技術支持；文獻［9］基于三維建模、3D 渲染、工程船舶系統的數學建模等基礎工作實現了大型工程船舶虛擬仿真訓練系統的開發；文獻［10］研發了水電站運維仿真培訓系統，實現了水電站三維場景漫游、機組各部件模擬拆裝、典型操作模擬、誤操作仿真培訓等功能；文獻［11］基于三維虛擬仿真技術與網絡通訊技術開發了井下虛擬仿真培訓系統；文獻［12］基于Unity3D 平臺實現了海上鉆修井平臺鉆柱自動化處理虛擬仿真系統；文獻［13］利用物理操作系統、虛擬船、工具機、水下生產系統與海洋環境構建了一個基于虛擬現實的深水水下應急維修仿真系統。然而以上虛擬仿真訓練系統構建技術并不適用于深海工程仿真模擬系統的構建，原因是：①缺少模擬復雜海洋環境中海水動態變化的水力模型；②缺少吊裝過程中較為關鍵的繩索模型仿真；③仿真系統在模擬水下重要設備的細節和行為方面仍有欠缺，需要進一步提高系統的物理精度和真實感。

針對上述問題，本文將實時動力學物理仿真引擎Vortex［14-15］與視景仿真Vega Prime［16-17］平臺進行有機結合，對深水海洋環境和吊裝繩索進行實時動力學仿真，對水下管匯安裝過程進行仿真操作模擬，構建了一個符合深水水下安裝培訓需求的虛擬仿真軟件系統。通過對作業環境、管匯、繩索、吊鉤、導向樁、無人遙控潛水器（Remotely Operated Vehicle，ROV）進行物理屬性與幾何屬性建模，該系統可對管匯吊起、管匯下放、ROV 抓取管匯、ROV 推動管匯對中4 個操作項目進行模擬。此外，本研究通過分步評分與專家規則評分相結合的方式實現了仿真操作自動評分，經過實踐檢驗，評價結果較為合理。該系統可有效對操作人員進行訓練，減少實際安裝過程中的失誤，對保證吊裝過程穩定性起到積極作用。

1 系統設計

整個系統基于虛擬現實技術構建，硬件部分包含多臺仿真服務器以及3 個操控臺，分別為ROV 操控臺、吊機操控臺以及絞車操控臺。海洋環境、安裝船舶、管匯、ROV 機器人均采用虛擬仿真技術構建。系統采用操控層、作業服務層和數據層3 層架構，其中作業服務層是整個系統的核心，包括海洋環境仿真組件、操控臺通訊組件、對各個模型進行操控的組件以及碰撞檢測服務組件；操控層包括ROV、手機、平板等各終端操作平臺；數據層用于記錄仿真操作過程數據并進行操作評分。整個系統結構如圖1所示。

2 關鍵技術

2.1 實時動力學仿真環境構建

實時動力學仿真環境是一種將幾何模型與物理仿真模型相結合構建的仿真環境，具有仿真解算真實性和實時性的特點［18-20］。該仿真環境采用的物理仿真引擎Vortex具有專業的多體動力學解算能力，能較為精確地對流體場內的剛體模型進行動力學解算。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）文件對視景仿真環境進行配置。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浪效果。

水下管匯安裝虛擬仿真訓練系統的實時動力學仿真環境結構如圖2所示。

Fig.2 Real time dynamic simulation environment structure圖2 實時動力學仿真環境結構

通過MultiGen Creator［17］完成系統中管匯、船、ROV、吊機等模型的幾何模型構建；通過Vortex Editor 完成管匯、船、ROV、吊機等模型的物理模型構建。Vega Prime 與Vortex 均通過配置文件對模型進行初始化，其中場景繪制模塊負責場景生成與模型加載顯示；場景調度模塊負責場景切換；視點控制模塊負責從多個方位與角度顯示場景；模型運動模塊負責模型的移動，包括前進、后退、左移、右移、左旋、右旋等；水下動力學解算模塊負責水下物體的受力分析，改變物體的狀態；碰撞檢測模塊負責物體之間的碰撞分析，根據物體質量、運動速度、表面屬性、相關約束等狀態進行實時動力學解算得到其仿真運動狀態。

2.2 繩索模型的動力學仿真

滑輪繩索被廣泛應用于工程機械、航空航天等領域，作為典型的剛柔耦合多體系統，其動力學建模與仿真存在以下難點［21］：①繩索在各個滑輪之間流動；②繩索的抗彎模量很小，主要通過軸向變形和增加動能來承受橫向載荷；③滑輪與繩索的接觸段是動態變化的。吊機需要繩索與滑輪配合實現起吊。本文中柔性繩索的模擬采用Vortex開發庫中的Cable 模塊，其實現原理為在空間內建立若干個剛性繩索段，然后采用具有一定自由度的約束機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）。采用集中質量法對纜繩進行模擬，將連續的纜繩用N+1個點平均分為N 段，將其離散成N 個線性單元。

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，其動力學仿真效果如圖3所示。

Fig.3 Dynamic simulation of rope圖3 繩索動力學仿真

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建繩索仿真模型后，系統啟動吊裝、吊起管匯以及運移管匯等時繩索的狀態。可以看出，繩索的仿真狀態與實際相符，效果逼真，驗證了本文繩索仿真方法的有效性。

Fig.5 Rope status when lifting the manifold圖5 吊起管匯時繩索狀態

Fig.6 Rope status during migration of the manifold圖6 運移管匯時繩索狀態

2.3 系統視景仿真

系統視景仿真包括三維海洋場景仿真、水下系統設備、場景切換以及場景漫游設計等。三維海洋場景仿真包括對海面波浪的模擬、海平面以上大氣環境視景以及海底地形的場景呈現。通過二次開發Vega Prime 大氣光照模型，對環境光和漫反射進行調節可渲染出海洋水體的光學效果。結合Vega Prime Marine 模塊可實現生動真實的海面波浪效果，還可使海面波浪隨工況條件的變化而發生變化。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 管匯吊起運動仿真

管匯吊起具體過程為操控吊機下放吊鉤，勾起管匯上的繩索，然后拉起管匯。整個過程涉及吊臂、繩索、吊鉤和管匯4 個模型，采用剛體模型的動力學仿真。采用VxPart類作為剛體的基本動力學模塊，該對象關聯了對應于剛體動力學模型的VxCollisionGeometry 類對象和對應于剛體幾何外形的VxNode 類對象。系統每一部分的物理模型根據物體特性得到相應的運動規律，同時空間中的剛體還可根據物理模型的幾何外形創建碰撞檢測幾何體外形，作為該物體在空間中受到碰撞時的檢測形態。在管匯吊起過程中，當吊鉤與管匯繩索接觸時將觸發吊起動作。基于幾何模型與物理仿真模型的結合，本文實現了真實感強的水下管匯安裝過程仿真，管匯吊裝與入水的實現效果如圖9 所示。物體在碰撞時會根據其質量、運動、速度、表面屬性、相關約束等狀態進行實時動力學解算得到其仿真運動狀態。整個運動狀態時空數據會被發送到后臺數據存儲平臺中，作為后續評價打分的依據。

Fig.9 Implementation effect of manifold lifting and water inlet圖9 管匯吊裝與入水的實現效果

2.5 仿真訓練評分

仿真考評是評價操作員培訓效果以及確定操作員是否勝任實際工作的重要手段［22-24］。采取科學合理的評估方法正確反饋訓練真實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練系統采取分步評分為主、專家規則評分為輔的方式打分。其將訓練系統分解為若干科目，然后將科目分解為若干基礎步驟，形成樹狀的基礎步驟集合。具體如圖10所示。

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

每個科目和基礎步驟均可設置相應的權重，例如科目1“吊起管匯”的5個基礎步驟權重設置界面如圖11所示。

Fig.11 Weight setting interface of the basic steps of subject 1圖11 科目1基礎步驟權重設置界面

每個基礎步驟還需結合專家評分規則庫進行評分。專家知識規則庫示例見圖12。目前針對水下管匯安裝虛擬仿真訓練系統可供參考的規則和經驗較少，因此將知識規則庫設計為較為靈活的狀態，以便動態修改。本文采用基于Java 語言開發的開源規則引擎drools［24］，其可將復雜且多變的業務規則從硬編碼中解放出來，以規則腳本的形式存放在文件或數據庫中，通過規則庫高效解決業務規則變動問題。

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

3 系統應用效果

水下管匯安裝虛擬仿真訓練系統的實物操縱臺如圖13 所示，包括吊機操作臺、絞車操作臺、ROV 操作臺3 個部分。

Fig.13 Physical control console圖13 實物操控臺

本系統同時設計了4 種模式，分別為：①自動演示模式。該模式為水下管匯操作的自動演示模式，系統嚴格按照操作規程進行完整的作業演示，使受訓者熟悉正確操作流程；②科目訓練模式。該模式依據向導提示進行安全操作訓練，在每個操作步驟開始前都通過簡潔的文字提示如何操作，受訓者利用輸入設備對部件進行操作，完成相應步驟；③自主操作模式。該模式下受訓者可以對所有部件進行各種操作（包括正確的和錯誤的），并在虛擬環境中展示出來；④考核模式。該模式下系統對用戶操作過程進行詳細記錄，考核結束后進行智能評分。

實物操控臺、Vortext 物理引擎以及虛擬場景技術的結合使仿真系統既保持了實物操控真實感強的特點，又降低了訓練操作成本。為確保水下管匯安裝虛擬仿真訓練系統各項功能正常運行，本文進行了纜繩、管匯抓取、管匯入水、管匯碰撞檢測、水下機器人運動以及操作評分等方面的測試，測試結果均為通過，可見該系統能有效滿足深水水下安裝培訓需求。同時在系統上針對6 種工況進行了測試，結果見表1。系統在工況1 和工況6 下的運行效果比較如圖14所示。

Table 1 System test condition表1 系統測試工況

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

4 結語

針對水下管匯在深水中安裝風險大、復雜度高等問題，本文提出將Vortex 與Vega Prime 虛擬現實平臺相結合，構建一個符合深水水下安裝培訓需求的水下管匯虛擬仿真軟件系統。該系統可全面模擬管匯吊起、管匯下放、ROV 抓取管匯、ROV 推動管匯對中等安裝過程，方便有效地培訓工作人員掌握各種操作技能，減少實際操作中的風險。雖然虛擬仿真能在一定程度上模擬實際工況，但難免會存在一定差異。未來將致力于優化硬件設備、降低成本，并將人工智能技術應用于虛擬仿真系統中，使其能夠根據操作人員表現自適應調整培訓項目與進度，進一步提高培訓效果與效率。