实时交互的海洋平台安装虚拟仿真实验设计与实践

　　摘 要：根据海洋平台安装课题在实际教学中的需要，搭建实时交互的虚拟仿真实验平台。通过运用Unity 3D，GPU多线程渲染、WebGL等多项技术，实现了导管架海洋平台滑移装船、浮托安装等场景的模拟。以实际教学操作为例，展示了整个海洋平台安装实验的运行过程，将理论知识应用于实践操作，有助于全方位地培养工程应用型人才。

　　关键词：海洋平台安装;滑移装船;浮托安装;虚拟仿真

　　1 研究背景与意义

　　海洋平台是开发海洋油气资源、落实国家建设海洋强国战略、保障国家能源安全的重要设施[1-2]。海洋平台安装是海上油气田开发的重要环节，由于海洋平台建设逐渐大型化与深水化，且海上作业环境复杂多变，因此海洋平台安装具有高难度、高风险、高成本的特点[3]。

　　对于海洋平台安装模拟实验而言，由于海洋平台安装涉及专业面广、协同程度要求高，以往的模型实验难以还原复杂的海洋平台安装作业现场，不同的实验条件和操作，特别是设计方案或操作步骤的错误可能造成的风险和后果无法在模型实验中体现[4-7]，目前国内外尚缺乏此类虚拟仿真实验平台。

　　因此，本文基于交互规则，利用数字化与仿真技术搭建了海洋平台安装虚拟仿真实验平台，以构建“人在回路中”的虚拟仿真实验为目标，以高精准的多系统耦合运动数值建模与实时解算技术为核心，以实时三维可视化虚拟仿真技术为手段，构建了高度逼真的虚拟实验环境和实验对象。将学生平时难以抵达的海上安装作业现场引入逼真的三维虚拟世界，并对学生的实验操作给予实时反馈，体现了多次重复、反馈及时、展示直观等优势[8]。它为学生提供了探索海洋平台安装的思路与方法，实现了课堂教学与工程应用的无缝衔接，提升了学生对海洋平台的专业认知和实践水平。

　　2 海洋平台安装

　　虚拟仿真实验的目标实时交互的海洋平台安装虚拟仿真实验将难以感知的海上安装现场以及抽象的专业知识进行三维可视化设计，使学生能完成工程认知、操作体验、探索学习和实验考核。主要目标如下。

　　一是通过三维模型的展现，让学生直观地认识海洋平台安装所涉及的装备或系统，学习和掌握海洋平台滑移装船、浮托安装等流程与规范要求。

　　二是利用交互式操作实验，让学生直观地学习船舶浮态调节、系泊定位、载荷转移等专业知识，了解船舶稳性、运动性能等船海专业知识在海上施工作业中的实际应用，强化学生的工程实践能力。

　　三是通过设定更高阶的探索实验，让学生自主选择实验条件参数，利用耦合运动对模型进行实时解算，并第一时间给予学生实时反馈，培养学生自主创新设计能力和开展船海工程领域科研的兴趣。此实验最大的特点在于实时交互性，它使得学生在拥有较高操作自由度的同时，还能及时得到自己所做的每一步操作的反馈，为学生提供了尝试、探索、思考的平台。

　　3 海洋平台安装

　　虚拟仿真实验内容海洋平台安装虚拟仿真实验主要是基于船舶调载、船缆耦合运动响应等数值的仿真模型。利用Unity 3D建立了导管架平台、驳船、码头、船上设备等的三维模型，并利用高清纹理贴图技术进行模型渲染;同时应用最新的GPU多线程渲染和WebGL技术，实现导管架海洋平台的滑移装船、浮托安装等虚拟仿真实验场景的三维动态渲染和实时人机交互。

　　3.1 海洋平台滑移装船

　　虚拟仿真实验该实验要求利用千斤顶，将码头上的海洋平台进行拖拉，沿着已经铺设好的滑道移动至驳船上。这一过程中需要考虑潮汐高度、海洋平台载荷等的影响，利用排压载水原理使驳船始终处于正浮状态，并且需要保证码头滑道与驳船滑道高度差不大于25 mm，以确保海洋平台能够顺利装船。

　　装船过程中需要根据海洋平台对驳船施加载荷的大小及作用位置，考虑装船过程中的危险情况、需进行的调载设计及施工的合理性，将整个滑移上船过程分为若干个阶段。学生根据配载方案通过控制压载水系统对驳船进行调载，调载过程中要使驳船的船舶浮态参数符合装船流程和安全要求，从而完成动态作业过程。

　　本实验基于压载水调节数学模型和船舶浮态实时解算模型，实时计算船舶浮态，使学生所调即所得，能通过实时数据了解当前调载响应状态，同时也将该数据传给视景，以获得直观的视觉体验。

　　3.2 海洋平台浮托安装

　　虚拟仿真实验该实验要求利用锚机对驳船的方位进行调节，让驳船进入导管架槽口，完成海洋平台组块与导管架的对接安装，要求学生利用锚系定位原理，调节8条锚缆的长度来控制驳船的艏向和位置，确保驳船沿着导管架槽口中心线完成进船、对接、退船，实验流程。

　　基于船缆耦合运动数值仿真模型，快速计算缆绳在收放等操作时的张力变化，完成驳船纵荡、横荡、垂荡、纵摇、横摇、艏摇6个自由度的运动参数实时解算，并完成进船、对接、退船等实验步骤，让学生直观地认识到锚系对船舶运动的响应规律，从而掌握浮托安装流程。

　　4 实验考核与结果

　　在实验过程中，共设置了工程认知、实验操作、实验考核3个环节。由于采用的是实时交互的虚拟仿真模型，能够在学生做出每一步实验操作后及时给予反馈，因此实验考核与实验操作环节同步进行，具体过程如下。

　　4.1　海洋平台滑移装船虚拟仿真实验考核学生根据滑移装船操作步骤和要求对驳船进行浮态调节。

　　实验中，学生可通过设置不同参数来进行不同的调载操作。学生在设置每一步操作的参数时，如果调载过量或浮态超过阈值时，系统就会提示实验失败，并要求重新完成该环节。当实验完成后，系统根据记录的调载时间，对每个操作后浮态是否满足要求进行校核，给出正确答案和失误分析，并及时根据每一个步骤的目标完成度给学生评分。

　　4.2 海洋平台浮托安装虚拟仿真实验考核学生根据实验要求，通过调整各种参数实现驳船艏进入导管架槽口并完成对接。当实时解算的艏向和位置偏离进船方位时，系统会自动判定并提醒操作中出现的问题。若实验失败，则提示需要重新完成该环节。与海洋平台滑移装船虚拟仿真实验类似，系统会根据学生每一步操作的目标完成度，依照考核标准，进行打分评价。

　　4.3 理论考核实验完成后，将通过答题的方式对学生进行理论考核，检查本次实验课程的学习情况，显示评分并给出正确答案和正误分析。综合学生在两项虚拟仿真实验中每一步操作的实时打分以及理论答题的评分，给出最终的考核成绩。

　　5 结语

　　实时交互的海洋平台安装虚拟仿真实验是现代模拟技术与实验教学项目融合的一次实践探索。围绕海洋平台安装这一典型工程课题，以滑移装船、浮托安装为主要实验内容，利用虚拟仿真技术，将在课堂或实验室难以复现的海洋平台及其安装现场，通过逼真的三维虚拟场景实现，建立了可供学生进行实时人机交互的虚拟仿真实验模型。

　　实验主要着眼于学生的自由操作以及操作后系统给予反馈的实时性，将专业知识教学贯穿于整个安装作业流程中，将理论教学和工程应用互相印证，让学生真正了解海洋平台安装过程中每一步的意义，从而全方位梳理从设计到安装的船海专业知识体系，使学生真正学有所得、学有所用、学有所思、学有所创，最终提升教学效果和效率，并进一步促进科研创新人才的培养。

　　参考文献：

　　[1] 王树青,陈晓惠,李淑一,等.海洋平台浮托安装分析及其关键技术[J].中国海洋大学学报(自然科学版),2011(7):189-196.

　　[2] 王文娟,王树青,李思强.海洋平台浮托安装的数值实验研究[J].中国海洋大学学报(自然科学版),2013(3):90-95.

　　[3] 柴亚光,方鑫,张晓添.海洋平台浮托安装分析及其关键技术[J].城市建设理论研究:电子版,2015(8):5557-5558.

　　[4] 段艳丽.海洋平台组块滑移装船边界条件模拟方法[J].石化技术,2021(2):3.

　　[5] 陈晓惠.海洋平台上部组块浮托安装数值模拟与实验研究[D].青岛:中国海洋大学,2012.

　　[6] 王衍鑫.大型导管架滑移装船过程分析及软件开发[D].青岛:中国海洋大学,2010.

　　[7] 桑运水,王允,郭刚.大型平台滑移装船和浮装就位技术[J]. 中国造船, 2003(Z1):129-134.

　　作者：昝英飞1 白 旭2 袁利毫1*