海洋油气平台常用装备虚拟调试系统设计与开发

谢静远，李晓升，韩 炯，郭海平，张 然，倪崇本

(1.上海船舶工艺研究所，上海 200032；2.海洋石油工程股份有限公司 安装分公司，天津 300452；3.上海交通大学 a.海洋工程国家重点实验室；b.船舶海洋与建筑工程学院，上海 200240)

0 引 言

海洋油气平台的调试工作在平台建造周期中占有重要的比重。受海洋油气平台建造方案和进度的限制，大部分海洋油气平台的调试工作均在完成海上安装后进行，调试的作业面涉及不同甲板和区域。根据安全要求，在调试过程中相关区域禁止交叉施工作业。在海上施工阶段，资源获取成本和各方面施工成本均大幅高于陆地，尽可能缩短工期将带来海上生活、资源、装备和船舶等其他各方面一系列的连环经济效益[1]。

项目组围绕某海洋油气平台调试作业，总结目前工作中的痛点需求，通过虚拟仿真手段打破空间和时间的限制，设计开发海洋油气平台常用装备虚拟调试系统。

1 虚拟仿真调试技术国内外现状

目前国外基于计算机的虚拟仿真分析方法发展迅速，MATLAB、ANSYS、AMESim和VC等一系列软件平台在机械和电气控制等各专业领域仿真研究中发挥重大作用。虚拟仿真调试将仿真与控制技术相结合，在虚拟环境中运行生产制造过程，并得以评估和校验，在完成制造前进行机械装备、机器人和电气系统等调试，降低设计错误带来的风险。该技术主要优势如下：①周期短、成本低；②风险低，对外界的依赖性更小；③调试过程安全并可重复。

国外针对海洋油气平台的调试工作已逐步采用虚拟现实(Virtual Reality，VR)和增强现实(Augmented Reality，AR)技术。在VR环境中重建危险情况，基于AR可在培训中显示相关信息，不仅可使调试人员更快学习操作过程，通过数据对学员进行评定，而且可帮助现场调试人员对装备、管道与线路等安装情况进行评估并与图纸确认，对地下结构进行分析，对油气储量、建造区域和项目其他的装备、管道与线路进行查看。较先进的AR技术甚至可预测磨损，提示调试人员零件何时可能断裂，帮助更换破损零件，从而避免灾难。以科威特石油公司为例，其现场人员使用AR和无线耳机，高级专家通过任务进行远程指导而不必花费大量时间去现场。科威特石油公司AR辅助调试如图1所示。专家可在任意地方，将其专业知识和培训用于世界各地任意数量的AR站点。

图1 科威特石油公司AR辅助调试

目前国内海洋工程调试主要为传统人为管理模式，对技术人员的组织过程、知识累积和主观能动性要求较高。随着海洋工程技术由常规油气向非常规油气的跨越，由浅水向深水和超深水的跨越，海洋工程调试技术亟待由传统管理模式向现代化、数字化和智能化转型，实现系统化调试模式，提升调试效率。

2 常用装备虚拟装配培训需求分析

随着海洋石油工业的发展，海洋油气平台生产规模不断扩大，模块化建造周期缩短，调试过程更为复杂，对调试人员理论和技术能力要求更高。引入虚拟仿真调试技术，提升海洋工程行业调试水平，提高现场调试效率，降低调试人员安全风险，是现在海洋工程装备建造的迫切需求[2]。海洋油气平台调试流程如图2所示。

图2 海洋油气平台调试流程

离心泵和螺杆泵等是海洋油气平台的常用装备，在调试过程中拆装维修频率较高。泵类装备的保养维修水平关系各生产系统的稳定运行，对现场施工人员进行系统和详细的装配培训有助于提升调试工作质量。受装备纳期、作业工期和人员流动等因素影响，利用实物进行集体培训并不总是满足条件；若开发用于装备装配培训的虚拟仿真软件，则可更加灵活地解决该问题。

3 海洋油气平台常用装备虚拟调试系统

项目组以海洋油气平台中的常用装备(如离心泵和螺杆泵等)为对象，综合配电、水循环和装备装配的需求，设计开发海洋油气平台常用装备虚拟调试系统，构造可拆装的虚拟装配模型，在仿真场景中进行装备的装配和拆解培训，提升现场作业人员的技能水平。

3.1 系统设计开发

系统以上部模块中的电源管理系统和油气处理系统为对象，建立相关海洋油气平台常用装备数学仿真模型，设计海洋油气平台常用装备模拟器，并验证更加详尽的测试大纲。在保证常用装备相关参数数据完整和准确的基础上，基于虚拟仿真平台开发、相关海洋油气平台常用装备模拟器研制和测试大纲修订，将电源管理系统控制系统、油气处理系统控制系统分别与海洋油气平台常用装备模拟器进行链接虚拟调试和测试。

开展虚拟仿真开发和运行平台搭建技术研究，建立一个虚拟仿真调试的开发和运行结构，该结构一般包括与被测控制系统相应的模拟器。通过对模拟器硬件和软件环境进行调研选型研究，选择可进行高精度与实时模拟复杂物理对象的专用计算机和配套的模拟器开发环境。该开发环境应满足相关海洋工程控制系统的输入输出接口对接，可形成完整反馈回路。搭建仿真数据库，对仿真模块、仿真设定和仿真数据进行有效管理，使其可用于支持后续数据分析和数据挖掘。

在电源管理系统控制系统和油气处理系统控制系统中示范性地实施虚拟调试和测试。通过对系统的振动、噪声、流量、压力、温度、液位和电气功率等参数进行模拟监控，并与完整准确的真实数据进行对比，形成适合海洋油气平台常用装备的硬件在环虚拟仿真调试方法，对各类装备的性能进行虚拟仿真，将海洋油气平台常用装备链接至相关控制系统，成为闭合的反馈回路系统。对该系统进行基本测试，确保模拟器和控制系统可正常运行，在系统中逐步实施虚拟调试和测试大纲。通过与设计要求进行对比，查找海洋油气平台建造过程中的技术问题，并通过对影响因素进行分析，提供海洋油气平台常用装备的硬件在环虚拟仿真解决方案[3]。

3.2 常用装备虚拟装配模块

项目组以离心泵和螺杆泵为对象开发虚拟装配模块。虚拟装配模块使用常用装备的三维设计模型，将零件逐个拆解为部件并导入Unity3D，在虚拟场景中允许用户通过鼠标手势操作将零件进行装配。基于培训需求，在装配体中使用半透明渲染提示各零件的装配位置，并利用碰撞体实现接近自动吸附功能。离心泵虚拟装配模块界面如图3所示。

图3 离心泵虚拟装配模块界面

4 结 语

在某海洋油气平台建造过程中，经多次在国内海洋工程先进建造基地调研现有海洋工程调试过程中的难点，聚焦可提升海洋油气平台调试效率的业务流程，进行海洋油气生产平台常用装备虚拟调试系统的设计与开发工作，可为海洋油气平台常用装备调试提供具有系统性和可靠性的方法。