虚拟模拟技术在海洋平台浮托中的应用

李立涛 李新超 徐京阔 秦立成

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300461)

0 引言

虚拟模拟(VR Simulations)又称虚拟现实(Virtual Reality)，虚拟仿真等。虚拟现实技术是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机仿真系统，它利用计算机生成一种模拟环境是一种多源信息融合的交互式的三维动态视景和实体行为的系统仿真使用户沉浸到该环境中。虚拟现实技术具有3I的特征，分别是沉浸感(Immersion)、交互性(Interaction)和想象性(Imagination)，即，沉浸性(存在感)：是指利用计算机产生的三维立体图像，让人置身于一种虚拟环境中，就像在真实的客观世界中一样，能给人一种身临其境的感觉；交互性(互动感)：在计算机生成的这种虚拟环境中，人们可以利用一些传感设备进行交互，感觉就像是在真实客观世界中一样；想象性：虚拟环境可使用户沉浸其中并且获取新的知识，提高感性和理性认识，从而使用户深化概念和萌发新的联想，因此虚拟现实可启发人的创造性思维。

1 浮托虚拟模拟技术

1.1 虚拟模拟模型

虚拟模拟模型包括数值模型(Mathematical Models)和视景数据库(Visual Scene Database)。数值模型包括浮托安装船及上部组块流体动力模型(见图1)，浮式系统下部结构流体动力模型，就位拖轮和三用拖轮流体动力模型，锚系、交叉缆和纵向缆模型，DP推进器及舵模型，LMU，DSU，护舷系统模型，水深、风、浪、涌、流、潮环境模型等。3D视景数据库用于视景仿真浮托安装的虚拟场景，包括浮托安装船及甲板上设备，就位拖轮及拖缆，三用拖轮，上部组块，下部结构，DSF，LMU，DSU，锚系，浮筒，定位系统等。

1.2 虚拟模拟设施

虚拟模拟设施包括240°～360°全功能模拟器装备拖轮操作系统设备、DP操作系统设备、作业控制中心监控设备，用于模拟就位拖轮、DP控制室、作业控制中心等，如DP控制室和作业控制中心模拟实际的有限视窗或无任何视窗，CCTV监控，虚拟GPS定位系统等。若全功能模拟器数量有限，不能模拟全部的就位拖轮，系泊系统和绞车系统，其中训练科目中次要的系统可用虚拟模拟工作站的数值模型来模拟，由虚拟模拟系统IOS操作员负责操作。根据作业指挥系统，给参与虚拟培训的主要作业人员均配备VHF对讲机，满足指挥系统不同作业频道需求。虚拟训练过程中需配备专用的任务报告会议室，便于总结经验教训并制定或修改后续训练科目。

图2为典型浮托安装虚拟模拟设施设置，其中全功能模拟器FBM1-3用于模拟三艘就位拖轮，FBM4用于模拟浮托安装作业控制中心，FMB9用作任务报告会议室以及IOS虚拟模拟工作站。第4艘就位拖轮和AHT锚系链接拖轮可由数值拖轮中虚拟模拟，另外IOS虚拟模拟工作站还可用来模拟锚机和绞车操作系统[1]。

1.3 浮托安装关键人员

参加培训的主要关键人员应包括业主代表、项目经理、安装经理、安装工程师、海事担保代表、浮托安装总监、就位总监、就位拖轮船长、DP操作员、定位工程师、锚机总监、绞车总监等。

虚拟模拟培训中心参与人员应包括项目经理、训练培训总监、建模工程师、模拟软件工程师、虚拟模拟系统IOS操作员、精神分析师、培训记录员等。

1.4 浮托安装虚拟模拟程序

1.4.1 准备阶段

浮托安装虚拟模拟准备阶段应主要包含下述各方面：

1)收集数据。

2)建立数值模型，包括浮托安装驳船及上部组块流体动力模型，浮式系统下部结构流体动力模型，就位拖轮和三用拖轮流体动力模型；锚系，交叉缆和纵向缆模型；DP推进器及舵模型；LMU,DSU，护舷系统模型；水深，风，浪，涌，流，潮环境模型等。

3)建立3D视景数据库，用于仿真浮托安装的虚拟场景，包括浮托驳船及甲板上设备、就位拖轮及拖缆、三用拖轮、上部组块，下部结构，DSF,LMU,DSU，锚系，浮筒，定位系统以及周边水面设施等。应提供位置坐标、几何尺寸、颜色、照片等细节材料，以便建立较为逼真的虚拟场景。

4)准备模拟训练课程表，浮托安装承包商根据作业程序与培训中心人员共同准备浮托安装虚拟模拟培训计划，用于实际培训。

5)准备评估检查表和问卷表，用于评估训练情况，指导和修改后续培训。

6)模拟中心人员内部调试模型和数据库，并与安装承包商进行外部验证模型和数据库，保证数值模型和视景数据库的准确性。

7)训练模拟中心人员调试模拟试验设备，检查新数据库、新模型、新模拟设备、新程序软件等设备的可行性。

1.4.2 执行阶段

浮托安装虚拟模拟执行阶段应主要包含下述各方面：

1)全体关键人员开启动会，介绍模拟训练课程计划及目的，熟悉培训设施和培训形式；

2)正式培训，应包括每堂虚拟训练科目、课后问卷表、课后任务报告和课后总结；训练时应尽量保持真实性以及必要的意外性；

3)依据当日培训情况修改和完善后续培训课程；

4)正式培训完成后进行总结讨论，形成初步结论及推荐意见；

5)编写正式虚拟模拟培训报告和精神分析报告；

6)依据培训结果和推荐意见完善浮托安装作业程序，依据精神分析报告调整施工人员职责。

2 浮托模拟关键任务

荔湾3-1项目，惠州25-8项目，文昌9-2/9-3项目设定了典型仿真科目：就位训练、系缆、进船、退船、应急响应等(需在不同科目中设定相应的环境条件)；并进行作业方案预演及主要作业人员的培训，让施工团队熟悉完善作业流程。

2.1 浮托就位训练

海洋平台运输驳船抵达施工现场后，定位人员需在主作业船，主拖轮，运输驳船，抛锚拖轮，辅助拖轮安装调试定位设备。就位训练时运输驳船首尾各连接两条拖轮，用于控制运输驳船。该训练包括：

1)保持运输驳船船位在50 m范围内；

2)运输驳船前进，左右移动，多方位旋转等；

3)辅助拖轮拖缆失效；

4)运输驳船进入待命工况，上线准备浮托作业；

5)上述训练在低能见度(200 m)情况下操作。

2.2 抛锚和锚系连接训练

根据现场天气预报满足72 h作业时进行抛锚和锚系连接作业。该训练包括：

1)抛锚拖轮抛锚；

2)两个拖轮配合连接锚系;

3)上述训练在低能见度情况(200 m)下操作。

2.3 进船训练

根据天气预报情况决定是否进船进行浮托，该训练包括：

1)移动运输驳船靠近导管架；

2)连接交叉缆和纵向缆；

3)进入导管架槽口。

2.4 退船训练

浮托作业完成后，进行退船作业，该训练包括：

1)从导管架槽口退出；

2)退至待命位置，并进行稳船作业。

2.5 应急响应

在浮托过程中，会出现断缆，拖轮失效等紧急情况发生，评估应急反应程序。该训练包括：

1)各工况下就位拖轮失效；

2)各工况下系泊缆绳断裂。

3 结语

虚拟模拟技术的不断成熟，陆续应用于荔湾3-1项目，惠州25-8项目，文昌9-2/9-3项目海洋平台浮托项目。虚拟模拟目的是研究和验证浮托安装关键作业程序，根据浮托安装设计制定模拟培训计划，尽可能逼真地虚拟模拟安装作业环境，对参与浮托安装关键人员进行培训，使关键人员熟悉安装程序，进行团队建设；全面检查浮托安装程序，确认工程设计方案的可行性，根据虚拟模拟的情况对安装作业程序以及作业限制条件进行修改；评估应急反应程序，研究人机互动的影响，减少作业风险，节省海事保险费，对安装作业关键人员进行精神分析，为浮托设计提供可靠的参考依据。