本发明专利技术公开了一种导管架拖航作业智能仿真系统及建模方法，应用于海洋工程与虚拟仿真技术领域，包括：分布式协同仿真子系统，为各子系统提供通信接口；综合管理与评估子系统，生成并发布仿真科目；操作控制仿真子系统，生成操作指令；运动仿真子系统，接收科目的参数以及操作指令，对导管架、拖轮及拖缆运动状态进行实时模拟并传输至视景仿真子系统；视景仿真子系统，对导管架、拖轮及拖缆运动状态的实时模拟进行三维显示。本发明专利技术具备人机交互性，既可以用于海上拖航作业人员协同训练与技能培训，也可以实现导管架拖航安装仿真预演与方案验证，可有效保障作业人员与装备的安全性，降低海上作业风险，提高作业效率，具备明显的经济效益与社会效益。济效益与社会效益。济效益与社会效益。
【技术实现步骤摘要】
一种导管架拖航作业智能仿真系统及建模方法
[0001]本专利技术涉及海洋工程与虚拟仿真
，特别涉及一种导管架拖航作业智能仿真系统及建模方法。
技术介绍
[0002]导管架作为典型海上平台的一种，具有建造成本高、拖航难度大、运输风险高等特点，被广泛应用于大陆架附近海域的石油开发。通常导管架在陆地码头建造，然后再运输至目标油田，湿拖是指导管架入水后，通过设置浮舱或绑扎浮筒使导管架处于漂浮状态由拖船直接拖带的运输方法，介于下水与扶正之间，主要用于短距离托运和安装就位，具有风险较高但经济性较强的特点。海上安装作业不可忽视的因素在于复杂多变的自然环境，导管架湿拖过程也不可避免会经历潮流变化及风向变化，如何克服气象变化带来的影响，保证湿拖方案安全可靠是导管架湿拖面临的最大难题。因此在实际海上施工作业前对海上湿拖运输方案进行仿真预演，提前预判并规避海上作业风险，验证运输方案的可行性，对保障海上施工作业安全提高施工效率具有重要意义。
[0003]为此，如何提供一种能够在实际海上施工作业前对海上湿拖运输方案进行仿真预演，提前预判并规避海上作业风险，验证运输方案的可行性，保障海上施工作业安全提高施工效率的导管架拖航作业智能仿真系统及建模方法是本领域技术人员亟需解决的问题。
技术实现思路
[0004]有鉴于此，本专利技术提出了一种导管架拖航作业智能仿真系统及建模方法。通过采用HLA分布式仿真架构，将导管架拖航作业智能仿真系统分为五大子系统，分别是分布式协同仿真子系统、综合管理与评估子系统、操作控制仿真子系统、视景仿真子系统及运动仿真子系统；分布式协同仿真子系统为各联邦成员提供通信接口，综合管理与控制子系统发布训练科目，并控制仿真进程的启停，运动仿真子系统通过网络接收教练员发送的导管架初始状态及拖轮初始状态、拖缆属性参数等，同时接收来自绞车控制台及拖轮控制台的控制指令，实时模拟导管架、拖轮及拖缆的运动状态，并将仿真数据发送至视景仿真子系统及综合管理与评估子系统进行视景漫游及数据分析；通过基于建立的六自由度运动模型，能够准确模拟拖航状态下考虑动态海况的导管架、拖轮及拖缆实时运动状态，结合视景仿真子系统可直观反馈导管架拖航作业过程的碰撞干涉与作业风险点。本专利技术具备人机交互性，既可以用于海上拖航作业人员协同训练与技能培训，也可以实现导管架拖航安装仿真预演与方案验证，可有效保障作业人员与装备的安全性，降低海上作业风险，提高作业效率，具备明显的经济效益与社会效益。
[0005]为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0006]一种导管架拖航作业智能仿真系统，包括：分布式协同仿真子系统、综合管理与评估子系统、操作控制仿真子系统、视景仿真子系统以及运动仿真子系统。
[0007]分布式协同仿真子系统用于为各子系统提供通信接口。
[0008]综合管理与评估子系统用于生成并发布仿真科目。
[0009]操作控制仿真子系统用于生成操作指令。
[0010]运动仿真子系统用于接收仿真科目的参数以及操作指令，对导管架、拖轮及拖缆运动状态进行实时模拟并传输至视景仿真子系统。
[0011]视景仿真子系统用于对导管架、拖轮及拖缆运动状态的实时模拟进行三维显示。
[0012]可选的，分布式协同仿真子系统具体为：基于HLA分布式仿真架构，利用RTI接口对各联邦成员进行通信，并通过联邦运行监控模块监控各联邦成员的运行状态。
[0013]可选的，综合管理与评估子系统包括：教练员控制台以及综合管理评估功能，用于设定海洋环境参数、导管架初始位置及拖轮初始位置、拖缆物理属性参数并生成、发布仿真培训科目，控制系统仿真启停，同时记录并可视化显示运动仿真子系统产生的仿真数据。
[0014]可选的，操作控制仿真子系统包括：拖轮控制台及绞车控制台，拖轮控制台设定拖轮航向、航速基本操作参数，绞车控制台设定拖缆收放速度。
[0015]可选的，运动仿真子系统包括：导管架六自由度运动仿真模型、拖轮六自由度运动仿真模型及拖缆运动仿真模型，通过接收综合管理与评估子系统产生的流速、流向、浪向海洋环境参数、拖轮初始位置及导管架初始位置、拖缆直径、干重、湿重初始参数，以及操作控制仿真子系统产生的目标航向、航速、绞车速度操作指令，实时解算导管架六自由度运动数据及拖轮六自由度运动数据、拖缆形态及张力，并将仿真数据提供给视景仿真子系统及综合管理与评估子系统。
[0016]可选的，视景仿真子系统包括：导管架拖航作业三维模型库以及视景仿真软件，并通过模型仿真数据驱动三维视景，对导管架运动状态及拖轮运动状态、拖缆形态、海洋环境进行实时渲染。
[0017]本专利技术还提供一种导管架拖航作业智能仿真方法，包括：
[0018]步骤(1)：启动分布式协同仿真子系统，为各子系统软硬件通信提供保障，并监控各联邦成员运行状态；
[0019]步骤(2)：应用综合管理与评估子系统，选择仿真训练科目并设置海况条件及导管架初始位置、拖轮初始位置、拖缆初始参数，参数设置完成后发送给运动仿真子系统，并通过网络控制系统仿真进程的启停；
[0020]步骤(3)：应用操作控制仿真子系统，根据仿真需求，通过操作手柄及控制软件设定绞车速度以及拖轮操控指令，并发送给运动仿真子系统；
[0021]步骤(4)：应用运动仿真子系统，包含导管架六自由度运动仿真模型、拖轮六自由度运动仿真模型以及拖缆运动仿真模型，根据综合管理与评估子系统及操作控制仿真子系统发送的控制指令驱动六自由运动仿真模型模型并对耦合系统运动状态进行实时结算，同时将仿真数据传至综合管理与评估子系统及视景仿真子系统；
[0022]步骤(5)：应用视景仿真子系统，基于综合管理与评估子系统发布的海洋环境数据及运动仿真子计算得到的仿真数据，对训练场景及作业装备进行实时渲染，三维显示。
[0023]可选的，步骤(4)中，将拖缆对于导管架的作用力及对于拖轮的作用力分别计入到导管架及拖轮运动方程中，将拖缆末端看作与导管架固连在一起，顶端看作与拖轮固连在一起，求解过程拖缆末端和顶端的节点速度及空间位置分别与导管架和拖轮的节点速度及空间位置保持一致，将导管架、拖轮、拖缆看作一个整体进行耦合求解。
[0024]导管架六自由度运动仿真模型及拖轮六自由度运动仿真模型均考虑海洋环境作用力及拖缆运动仿真模型产生的拉力。
[0025]可选的，步骤(4)中，拖缆运动仿真模型通过综合管理与评估子系统设置的拖缆初始参数供模型解算。
[0026]可选的，步骤(4)中，导管架六自由度运动仿真模型为：
[0027][0028]其中：为惯性力；为拖拽力；为浮力；为附加质量。
[0029]拖轮六自由度运动仿真模型为：
[0030][0031]其中：M
s
为拖轮系统惯性矩阵，包括船舶质量矩阵和附加质量矩阵；D
s
(v
s
)为拖轮阻尼矩阵；g
s
(η
s
)为由重力、浮力引起的力和本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种导管架拖航作业智能仿真系统，其特征在于，包括：分布式协同仿真子系统、综合管理与评估子系统、操作控制仿真子系统、视景仿真子系统以及运动仿真子系统；所述分布式协同仿真子系统用于为各所述子系统提供通信接口；所述综合管理与评估子系统用于生成并发布仿真科目；所述操作控制仿真子系统用于生成操作指令；所述运动仿真子系统用于接收所述仿真科目的参数以及所述操作指令，对导管架、拖轮及拖缆运动状态进行实时模拟并传输至所述视景仿真子系统；所述视景仿真子系统用于对所述导管架、拖轮及拖缆运动状态的实时模拟进行三维显示。2.根据权利要求1所述的一种导管架拖航作业智能仿真系统，其特征在于，所述分布式协同仿真子系统具体为：基于HLA分布式仿真架构，利用RTI接口对各联邦成员进行通信，并通过联邦运行监控模块监控各联邦成员的运行状态。3.根据权利要求1所述的一种导管架拖航作业智能仿真系统，其特征在于，所述综合管理与评估子系统包括：教练员控制台以及综合管理评估功能，用于设定海洋环境参数、导管架初始位置及拖轮初始位置、拖缆物理属性参数并生成、发布仿真培训科目，控制系统仿真启停，同时记录并可视化显示所述运动仿真子系统产生的仿真数据。4.根据权利要求3所述的一种导管架拖航作业智能仿真系统，其特征在于，所述操作控制仿真子系统包括：拖轮控制台及绞车控制台，所述拖轮控制台设定拖轮航向、航速基本操作参数，所述绞车控制台设定拖缆收放速度。5.根据权利要求4所述的一种导管架拖航作业智能仿真系统，其特征在于，所述运动仿真子系统包括：导管架六自由度运动仿真模型、拖轮六自由度运动仿真模型及拖缆运动仿真模型，通过接收综合管理与评估子系统产生的流速、流向、浪向海洋环境参数、拖轮初始位置及导管架初始位置、拖缆直径、干重、湿重初始参数，以及操作控制仿真子系统产生的目标航向、航速、绞车速度操作指令，实时解算导管架六自由度运动数据及拖轮六自由度运动数据、拖缆形态及张力，并将仿真数据提供给所述视景仿真子系统及所述综合管理与评估子系统。6.根据权利要求5所述的一种导管架拖航作业智能仿真系统，其特征在于，所述视景仿真子系统包括：导管架拖航作业三维模型库以及视景仿真软件，并通过模型仿真数据驱动三维视景，对导管架运动状态及拖轮运动状态、拖缆形态、海洋环境进行实时渲染。7.一种导管架拖航作业智能仿真方法，其特征在于，包括：步骤(1)：启动分布式协同仿真子系统，为各子系统软硬件通信提供保障，并监控各联邦成员运行状态；步骤(2)：应用综合管理与评估子系统，选择仿真训练科目并设置海况条件及导管架初始位置、拖轮初始位置、拖缆初始参数...
【专利技术属性】
技术研发人员：昝英飞，袁利毫，韩端锋，贾辉，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：
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