摘 要：根據(jù)海洋平臺安裝課題在實際教學中的需要，搭建實時交互的虛擬仿真實驗平臺。通過運用Unity 3D，GPU多線程渲染、WebGL等多項技術，實現(xiàn)了導管架海洋平臺滑移裝船、浮托安裝等場景的模擬。以實際教學操作為例，展示了整個海洋平臺安裝實驗的運行過程，將理論知識應用于實踐操作，有助于全方位地培養(yǎng)工程應用型人才。

　　關鍵詞：海洋平臺安裝;滑移裝船;浮托安裝;虛擬仿真

　　1 研究背景與意義

　　海洋平臺是開發(fā)海洋油氣資源、落實國家建設海洋強國戰(zhàn)略、保障國家能源安全的重要設施[1-2]。海洋平臺安裝是海上油氣田開發(fā)的重要環(huán)節(jié)，由于海洋平臺建設逐漸大型化與深水化，且海上作業(yè)環(huán)境復雜多變，因此海洋平臺安裝具有高難度、高風險、高成本的特點[3]。

　　對于海洋平臺安裝模擬實驗而言，由于海洋平臺安裝涉及專業(yè)面廣、協(xié)同程度要求高，以往的模型實驗難以還原復雜的海洋平臺安裝作業(yè)現(xiàn)場，不同的實驗條件和操作，特別是設計方案或操作步驟的錯誤可能造成的風險和后果無法在模型實驗中體現(xiàn)[4-7]，目前國內外尚缺乏此類虛擬仿真實驗平臺。

　　因此，本文基于交互規(guī)則，利用數(shù)字化與仿真技術搭建了海洋平臺安裝虛擬仿真實驗平臺，以構建“人在回路中”的虛擬仿真實驗為目標，以高精準的多系統(tǒng)耦合運動數(shù)值建模與實時解算技術為核心，以實時三維可視化虛擬仿真技術為手段，構建了高度逼真的虛擬實驗環(huán)境和實驗對象。將學生平時難以抵達的海上安裝作業(yè)現(xiàn)場引入逼真的三維虛擬世界，并對學生的實驗操作給予實時反饋，體現(xiàn)了多次重復、反饋及時、展示直觀等優(yōu)勢[8]。它為學生提供了探索海洋平臺安裝的思路與方法，實現(xiàn)了課堂教學與工程應用的無縫銜接，提升了學生對海洋平臺的專業(yè)認知和實踐水平。

　　2 海洋平臺安裝

　　虛擬仿真實驗的目標實時交互的海洋平臺安裝虛擬仿真實驗將難以感知的海上安裝現(xiàn)場以及抽象的專業(yè)知識進行三維可視化設計，使學生能完成工程認知、操作體驗、探索學習和實驗考核。主要目標如下。

　　一是通過三維模型的展現(xiàn)，讓學生直觀地認識海洋平臺安裝所涉及的裝備或系統(tǒng)，學習和掌握海洋平臺滑移裝船、浮托安裝等流程與規(guī)范要求。

　　二是利用交互式操作實驗，讓學生直觀地學習船舶浮態(tài)調節(jié)、系泊定位、載荷轉移等專業(yè)知識，了解船舶穩(wěn)性、運動性能等船海專業(yè)知識在海上施工作業(yè)中的實際應用，強化學生的工程實踐能力。

　　三是通過設定更高階的探索實驗，讓學生自主選擇實驗條件參數(shù)，利用耦合運動對模型進行實時解算，并第一時間給予學生實時反饋，培養(yǎng)學生自主創(chuàng)新設計能力和開展船海工程領域科研的興趣。此實驗最大的特點在于實時交互性，它使得學生在擁有較高操作自由度的同時，還能及時得到自己所做的每一步操作的反饋，為學生提供了嘗試、探索、思考的平臺。

　　3 海洋平臺安裝

　　虛擬仿真實驗內容海洋平臺安裝虛擬仿真實驗主要是基于船舶調載、船纜耦合運動響應等數(shù)值的仿真模型。利用Unity 3D建立了導管架平臺、駁船、碼頭、船上設備等的三維模型，并利用高清紋理貼圖技術進行模型渲染;同時應用最新的GPU多線程渲染和WebGL技術，實現(xiàn)導管架海洋平臺的滑移裝船、浮托安裝等虛擬仿真實驗場景的三維動態(tài)渲染和實時人機交互。

　　3.1 海洋平臺滑移裝船

　　虛擬仿真實驗該實驗要求利用千斤頂，將碼頭上的海洋平臺進行拖拉，沿著已經(jīng)鋪設好的滑道移動至駁船上。這一過程中需要考慮潮汐高度、海洋平臺載荷等的影響，利用排壓載水原理使駁船始終處于正浮狀態(tài)，并且需要保證碼頭滑道與駁船滑道高度差不大于25 mm，以確保海洋平臺能夠順利裝船。

　　裝船過程中需要根據(jù)海洋平臺對駁船施加載荷的大小及作用位置，考慮裝船過程中的危險情況、需進行的調載設計及施工的合理性，將整個滑移上船過程分為若干個階段。學生根據(jù)配載方案通過控制壓載水系統(tǒng)對駁船進行調載，調載過程中要使駁船的船舶浮態(tài)參數(shù)符合裝船流程和安全要求，從而完成動態(tài)作業(yè)過程。

　　本實驗基于壓載水調節(jié)數(shù)學模型和船舶浮態(tài)實時解算模型，實時計算船舶浮態(tài)，使學生所調即所得，能通過實時數(shù)據(jù)了解當前調載響應狀態(tài)，同時也將該數(shù)據(jù)傳給視景，以獲得直觀的視覺體驗。

　　3.2 海洋平臺浮托安裝

　　虛擬仿真實驗該實驗要求利用錨機對駁船的方位進行調節(jié)，讓駁船進入導管架槽口，完成海洋平臺組塊與導管架的對接安裝，要求學生利用錨系定位原理，調節(jié)8條錨纜的長度來控制駁船的艏向和位置，確保駁船沿著導管架槽口中心線完成進船、對接、退船，實驗流程。

　　基于船纜耦合運動數(shù)值仿真模型，快速計算纜繩在收放等操作時的張力變化，完成駁船縱蕩、橫蕩、垂蕩、縱搖、橫搖、艏搖6個自由度的運動參數(shù)實時解算，并完成進船、對接、退船等實驗步驟，讓學生直觀地認識到錨系對船舶運動的響應規(guī)律，從而掌握浮托安裝流程。

　　4 實驗考核與結果

　　在實驗過程中，共設置了工程認知、實驗操作、實驗考核3個環(huán)節(jié)。由于采用的是實時交互的虛擬仿真模型，能夠在學生做出每一步實驗操作后及時給予反饋，因此實驗考核與實驗操作環(huán)節(jié)同步進行，具體過程如下。

　　4.1　海洋平臺滑移裝船虛擬仿真實驗考核學生根據(jù)滑移裝船操作步驟和要求對駁船進行浮態(tài)調節(jié)。

　　實驗中，學生可通過設置不同參數(shù)來進行不同的調載操作。學生在設置每一步操作的參數(shù)時，如果調載過量或浮態(tài)超過閾值時，系統(tǒng)就會提示實驗失敗，并要求重新完成該環(huán)節(jié)。當實驗完成后，系統(tǒng)根據(jù)記錄的調載時間，對每個操作后浮態(tài)是否滿足要求進行校核，給出正確答案和失誤分析，并及時根據(jù)每一個步驟的目標完成度給學生評分。

　　4.2 海洋平臺浮托安裝虛擬仿真實驗考核學生根據(jù)實驗要求，通過調整各種參數(shù)實現(xiàn)駁船艏進入導管架槽口并完成對接。當實時解算的艏向和位置偏離進船方位時，系統(tǒng)會自動判定并提醒操作中出現(xiàn)的問題。若實驗失敗，則提示需要重新完成該環(huán)節(jié)。與海洋平臺滑移裝船虛擬仿真實驗類似，系統(tǒng)會根據(jù)學生每一步操作的目標完成度，依照考核標準，進行打分評價。

　　4.3 理論考核實驗完成后，將通過答題的方式對學生進行理論考核，檢查本次實驗課程的學習情況，顯示評分并給出正確答案和正誤分析。綜合學生在兩項虛擬仿真實驗中每一步操作的實時打分以及理論答題的評分，給出最終的考核成績。

　　5 結語

　　實時交互的海洋平臺安裝虛擬仿真實驗是現(xiàn)代模擬技術與實驗教學項目融合的一次實踐探索。圍繞海洋平臺安裝這一典型工程課題，以滑移裝船、浮托安裝為主要實驗內容，利用虛擬仿真技術，將在課堂或實驗室難以復現(xiàn)的海洋平臺及其安裝現(xiàn)場，通過逼真的三維虛擬場景實現(xiàn)，建立了可供學生進行實時人機交互的虛擬仿真實驗模型。

　　實驗主要著眼于學生的自由操作以及操作后系統(tǒng)給予反饋的實時性，將專業(yè)知識教學貫穿于整個安裝作業(yè)流程中，將理論教學和工程應用互相印證，讓學生真正了解海洋平臺安裝過程中每一步的意義，從而全方位梳理從設計到安裝的船海專業(yè)知識體系，使學生真正學有所得、學有所用、學有所思、學有所創(chuàng)，最終提升教學效果和效率，并進一步促進科研創(chuàng)新人才的培養(yǎng)。

　　參考文獻：

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　　[5] 陳曉惠.海洋平臺上部組塊浮托安裝數(shù)值模擬與實驗研究[D].青島:中國海洋大學,2012.

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　　[7] 桑運水,王允,郭剛.大型平臺滑移裝船和浮裝就位技術[J]. 中國造船, 2003(Z1):129-134.

　　作者：昝英飛1 白 旭2 袁利毫1*