海工產品標準仿真試驗驗證平臺

馮洪奎，周瑞平，陸 劍，李 鍵

（上海海洋工程裝備制造業創新中心有限公司，上海 201306）

0 引言

產品標準是用于指導產品設計、制造、檢驗、安裝和使用的準則。標準的正確與否直接關系到產品的生產成本和使用安全，有必要重視標準的驗證工作。隨著計算機仿真技術的飛速發展，使用仿真的方法驗證標準條款成為標準驗證的一種必要手段。標準仿真試驗驗證通過仿真方法檢驗標準的合理性，為標準制定提供依據。

根據仿真方法的不同，可將計算機仿真劃分為基于硬件在環（Hardware In Loop，HIL）的半實物仿真、虛擬現實仿真、增強現實仿真、二維圖形仿真等；根據仿真內容的不同，可將計算機仿真劃分為產品裝配仿真、生產線調度仿真、作業過程仿真、固體力學仿真、流體力學仿真、運動學仿真、動力學仿真、科學計算仿真等。

陳杰等[1]通過ADAMS、Creo、ABAQUS 等商業軟件建立仿真平臺，在此基礎上提出產品設計及工藝的線下仿真驗證標準。采用該方式建設仿真平臺，技術上比較成熟，結果比較可靠，但平臺可擴展性不強。王云鋒等[2]對標準驗證模型的指標體系進行研究，為搭建基于標準驗證模型的機械產品設計工藝仿真標準驗證平臺提供依據，但指標的有效性仍然需要經過大量實踐進行驗證。

海工產品種類繁多，其對應的標準也較多，各標準的驗證對象和驗證方法均不相同。海工產品標準仿真試驗驗證平臺自主搭建通用的海工產品檢驗環境，為部分標準的制定提供依據，該平臺目前主要側重對控制系統和通信系統等相關標準進行仿真驗證。

本文搭建海工產品標準仿真試驗驗證平臺，并采用仿真方法驗證海工產品相關標準制定的合理性。

1 系統架構方案

海工產品標準仿真試驗驗證平臺系統架構如圖1 所示，主要包括輸入、建模與仿真、仿真數據分析和輸出。該平臺建立的模型主要包括控制模型、通信模型、海洋平臺運動模型、船舶運動模型、管理系統模型、電力系統模型、推進系統模型、傳感系統模型、位置參照系統模型、環境載荷模型、作業載荷模型等。利用這些模型對船舶與海洋平臺相關標準進行驗證。

圖1 海工產品標準仿真試驗驗證平臺系統架構圖

2 驗證實例

2.1 標準條款

動力定位（Dynamic Positioning，DP）系統[3-6]是一種重要的閉環控制系統，用于將船舶或海洋平臺保持在較小范圍內運動。DP 系統可根據采集的環境參數和位置參數自動進行計算，根據計算結果控制各推進器的推力大小，盡可能使船舶或海洋平 臺的艏向和船位保持不變。對DP 系統相關標準進行仿真測試驗證具有重要意義，本文選擇標準T/CSNAME 008—2020 中提出的DP 控制系統的HIL 仿真系統框架結構（見圖2）進行驗證[7]。HIL仿真系統可以在脫離真實船舶及海洋平臺作業環境的情況下對DP 系統的故障進行檢測。

圖2 HIL 仿真系統框架結構

2.2 HI L 仿真系統開發

為驗證標準T/CSNAME 008—2020 中提出的DP 控制系統的HIL 仿真系統框架結構是否正確，需要根據該標準條款提出的系統框架對HIL仿真系統進行開發。若開發出的系統能成功實現仿真測試，則說明標準條款的內容是合理的，否則說明該標準條款的內容存在問題，需要進一步修改。

根據標準條款搭建仿真系統，仿真系統中的船舶電力仿真系統模型見圖3。其中：SM_gen1 子系統包括2 臺柴油發電機、7 臺變壓器、2 臺12 脈沖變頻器、1 臺24 脈沖變頻器和3 臺推進電機；SM_gen2子系統包括2臺柴油發電機、8臺變壓器、4 臺12 脈沖變頻器和4 臺推進電機；SM_gen3 子系統包括2 臺柴油發電機、7 臺變壓器、2 臺12 脈沖變頻器、1 臺24 脈沖變頻器和2 臺推進電機。圖3中：Ts表示采樣時間；Trigger 表示觸發信號接口；Brk 表示斷開信號接口；SS0表示串口0 接口；SS1表示串口1 接口；SS2表示串口2 接口；Cmd 表示命令接口；Send 表示發送信號接口；Recv 表示接收信號接口；Status 表示狀態信號接口；Over 表示過載信號接口；Ai、Bi、Ci（i=1, 2, 3,…, 7）表示三相交流電的A 相、B 相、C 相電的參數接口。

圖3 船舶電力系統仿真模型

失效模式仿真示意圖見圖4，分別在母線、推進變壓器進線端及母聯電纜上選取故障點K1、K2和K3進行三相短路試驗。圖4 中：brk1～brk7表示電閘，G 表示發電機，M 表示推進電機，K1、K2和K3表示故障點。海洋平臺為海上鉆井、采油、集運、觀測、導航、施工等活動提供生產和生活設施。海洋平臺的工作環境惡劣，不僅有風、浪、流等復雜外部載荷的作用，還會受到交變作業載荷的影響。在海洋平臺相關標準的制定過程中，涉及對風、浪、流等外部載荷的描述，為驗證這些描述是否正確，需要建立動力定位仿真驗證平臺，該平臺包括船體模塊、環境干擾模塊、濾波模塊、控制器模塊和推力分配模塊。

圖4 失效模式仿真示意圖

DP 系統仿真模型見圖5。圖5 中：w 表示線性二階波譜的輸入參數；s 表示拉普拉斯算子；posw表示船舶縱蕩噪聲和橫蕩噪聲組成的數組；xw表示船舶縱蕩的噪聲大??；yw表示船舶橫蕩的噪聲大??；psiw表示船舶艏向的噪聲大??；psi 表示根據船舶運動模型計算得到的艏向大??；y 表示模擬的船舶運動的位置與艏向組成的數組；該模擬值等于船舶運動模型計算得到的位置、艏向與相應噪聲的和；y3表示船舶運動模型計算得到的艏向值psi 與艏向噪聲psiw的和；xd表示船舶初始位置沿縱向方向的大??；yd表示船舶初始位置沿橫向方向的大??；psid表示船舶艏向的初始大??；etaref為船舶的初始位置和初始艏向組成的數組；eta 表示根據船舶運動模型計算得到的船舶運動的位置和艏向組成的數組；nu表示根據船舶運動模型計算得到的船舶縱向、橫向、艏向速度大小組成的數組，τ表示船舶推進器的扭矩大??；etaw表示慣性導航仿真器測量到的船舶運動位置噪聲與艏向噪聲組成的數組；psw表示慣性導航仿真器測量到的船舶艏向噪聲大??；D 表示度轉弧度；R 表示弧度轉度；u(3)表示取數組的第3 維數據。

圖5 DP 系統仿真模型

2.3 DP 控制系統的HIL 測試

建立DP 控制系統，并通過相關設備運行數據來采集數學模型參數。將HIL 仿真系統與現場設備（被測系統）連接，為現場設備提供真實信號，并開始進行測試。DP 控制系統的HIL 測試系統總體架構見圖6。試驗平臺的電力系統、推進系統、傳感器和位置參考系統的參數配置完全根據項目實際進行選取，在貼近真實環境下對DP 控制系統的設計理念、功能性、失效處理能力等進行測試評估。

圖6 HIL 測試系統總體結構

3 標準驗證結果

3.1 失效模式仿真

分別在母線、推進變壓器進線端及母聯電纜上選取故障點K1、K2和K3進行三相短路試驗。當K1短路時，同步發電機差動保護，brk1 跳閘；當K2短路時，推進電機變壓器過流保護，brk4 跳閘；當K3短路時，母聯方向比較式縱聯保護，brk6 和brk7跳閘。仿真試驗表明：當HIL 系統發生三相短路故障時，可將故障有效隔離，選擇性較好。

3.2 DP 系統仿真

在仿真測試過程中，DP 控制系統接收環境載荷、船舶運動參數、船舶位置、推進器狀態、電網狀態等信息，并輸出相應的指令至推進器系統。在不同風、浪、流的擾動情況下，DP 控制系統能夠自動控制艏向，使船體與定義運動軌跡間的偏差保持在合理范圍內。DP 控制系統與三維視景仿真系統的數據可進行實時交互（見圖7），以便多視角、多維度地進行仿真測試。結果表明：根據標準T/CSNAME 008—2020 中提出系統結構開發的HIL仿真系統能成功實現仿真測試，標準條款的內容是合理的。

圖7 DP 控制系統與3D 視景仿真系統的實時交互

4 結論

本文搭建了海工產品標準仿真試驗驗證平臺，建立了控制系統和通信系統的模型，并對模型進行了測試。研究結果表明：根據標準T/CSNAME 008—2020 中提出系統結構開發的HIL 仿真系統能成功實現仿真測試，標準條款的內容是合理的。