深水铺管起重船作业视景仿真研究

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虚拟海洋环境仿真关键技术与应用研究

第53卷第7期 2023年7月中国海洋大学学报P E R I O D I C A LO FO C E A N U N I V E R S I T YO FC H I N A53(7):111~117J u l y,2023虚拟海洋环境仿真关键技术与应用研究韩勇1,2,黄家琛1,马纯永1,2,杨杰1,2,陈戈1,2(1.中国海洋大学信息科学与工程学部,山东青岛266000;2.青岛海洋科学与技术试点国家实验室区域海洋动力学与数值模拟功能实验室,山东青岛266237)摘要: 本文利用虚拟现实和可视化技术,对虚拟海洋环境仿真中海浪仿真㊁海风仿真与风海流仿真等关键技术进行研究,并基于研究成果开发了交互式虚拟海洋仿真系统㊂结合中国海洋大学丰富的海洋实践教学经验,对东方红2号海洋调查船进行三维建模,并运用体素化分析方法模拟其在海面的运动情况,构建了虚拟海洋环境观测载体㊂系统根据涉海专业出海实践内容设计观测实验,还原了海风观测实验和C T D 观测实验,能有效缓解当前涉海高校实践教学资源的不足,提高海洋人才的培养质量㊂关键词: 虚拟海洋;海浪仿真;船舶仿真;观测实验;实践教学中图法分类号: P 714;T P 391.9 文献标志码: A 文章编号: 1672-5174(2023)07-111-07D O I : 10.16441/j.c n k i .h d x b .20220075引用格式: 韩勇,黄家琛,马纯永,等.虚拟海洋环境仿真关键技术与应用研究[J ].中国海洋大学学报(自然科学版),2023,53(7):111-117.H a nY o n g ,H u a n g J i a c h e n ,M aC h u n y o n g ,e t a l .R e s e a r c h o f k e y t e c h n o l o g i e s a n d i m pl e m e n t a t i o n o n v i r t u a lm a r i n e e n v i -r o n m e n t s i m u l a t i o n [J ].P e r i o d i c a l o fO c e a nU n i v e r s i t y of C h i n a ,2023,53(7):111-117. ❋ 基金项目:国家重点研究发展计划项目(2020Y F B 1710400)资助S u p p o r t e d b y t h eN a t i o n a l K e y R e s e a r c h a n dD e v e l o p m e n t P r o gr a mo f C h i n a (2020Y F B 1710400)收稿日期:2022-02-09;修订日期:2022-03-10作者简介:韩勇(1969 ),男,教授㊂E -m a i l :y o n gh a n @o u c .e d u .c n 在海洋科学及技术类专业中,出海实践是专业学习的重要组成部分㊂出海实践的教学内容包含理论知识学习㊁仪器设备操作㊁海洋观测实验等内容,是培养涉海专业人才的必要环节㊂但由于教学船只紧张㊁设备费用昂贵及培训周期长等问题[1],许多涉海高校无法开展出海实践课程,难以满足涉海专业学生的培养需求㊂目前中国隶属于高等学校的海洋调查船大多需要承担繁重的科研任务,难以满足广大高校涉海专业学生的实践教学需求,难以保证涉海人才的培养质量㊂因此在船时不足的条件下,一些涉海高校积极寻找新的海洋实践教学方案㊂大连海洋大学为涉海专业建立了虚拟仿真实验教学中心,采用模拟设备与三维仿真相结合的方式实现了驾驶模拟㊁轮机工程模拟和船舶仿真等实训内容[2]㊂江苏海洋大学建立了占地面积3400m2的海洋工程技术研究中心,并配有多种常规海洋仪器和大型海洋仪器,使涉海专业学生能在学校内完成和实践教学相关的训练课程[3]㊂然而,采用搭建真实场景模拟海上实践环境的方式仍旧存在着场景搭建成本高昂㊁后期维护复杂等问题,而且以室内培训为主的教学方式很难还原真实的海洋实践教学环境,导致教学过程缺乏沉浸感,影响教学效果㊂虚拟海洋环境仿真以虚拟现实技术为核心,融合海洋相关学科知识内容,对一定范围内的海洋环境及其相关要素在视㊁听㊁触等方面进行还原㊂虚拟现实技术具有沉浸性㊁交互性㊁想象性的特点[4],能够逼真展现海洋场景中的海浪㊁海风及船舶等关键要素㊂当前对于虚拟海洋环境仿真的研究主要集中在宏观状态下的渲染模拟㊂王顺利等[5]提出一种自适应的深浅海网格模型对海浪进行模拟,郭晓非等[6]使用图标映射法和流线法将海洋环境要素可视化,R a m o s 等[7]提出一种G P U 多线程技术对海浪场景实现实时绘制㊂然而,宏观的虚拟海洋环境仿真普遍缺乏交互性,缺少个体视角对场景要素的观察互动,难以满足涉海高校海洋人才培养的需求㊂因此本文依托中国海洋大学丰富的海洋实践经验,对虚拟海洋环境仿真技术进行研究,在此基础上设计并实现了具有交互性的虚拟海洋仿真系统㊂1 海洋调查船建模及运动仿真海洋环境具有多维性㊁庞杂性的特点[8],为提高其仿真效率,需设置重点观测区域㊂本文将东方红2号海洋综合调查船作为虚拟海洋环境仿真中的主要观测Copyright ©博看网. All Rights Reserved.中国海洋大学学报2023年载体,实地采集其表面纹理和结构参数,并使用3d s M a x 软件对船体及其设备器材进行三维建模㊂构建船体及设备模型面片共74000余个,高度还原了东方红2号的船体外观及船上的起重机㊁救生艇㊁绞车等设备细节㊂船体建模效果如图1㊂图1 东方红2号三维模型F i g .1 3Dm o d e l s o f D o n g f a n g h o n g 2现实场景中船舶在海上运动时会受到周围海浪起伏的影响作用,导致船舶姿态发生改变[9]㊂本文采取一种基于浮力变化分析的船舶运动仿真方法,对在不断变化的海面环境中船舶的运动状态进行模拟㊂通过对主船体模型进行体素化,将随海浪高度变化的船体浮力通过分割出的体素矩体进行分析,从而实现对船体运动受力变化的仿真㊂体素化技术是一种将连续几何体分割为一组最接近连续对象体素的技术[10],常应用在各种复杂模型的处理中㊂本文对东方红2号主船体模型网格进行体素分割,以主船体中心为原点建立笛卡尔坐标系,生成最小坐标为(x m i n ,y m i n ,z m i n )㊁最大坐标为(x m a x ,y ma x ,z m a x )的矩体,然后分别沿x ㊁y ㊁z 轴将矩体分割成n 份,最终获得切割后的小型体素,体素的中心坐标(x i ,y j ,z k )如下:x i =x m i n +D x i +12æèçöø÷,i =0,1, ,n -1y j =y m i n +D y j +12æèçöø÷,j =0,1, ,n -1z k =z m i n +D z k +12æèçöø÷,k =0,1, ,n -1ìîíïïïïïïï㊂(1)式中:D x ㊁D y ㊁D z 分别为沿三个坐标轴的分割间隔,且D x =x m a x -x m i n ()/n ;D y =y m a x -y m i n ()/n ;D z =Z m a x -Z m i n ()/n ㊂但主船体模型不是规则的矩体,分割出的小型体素并未全部包含在船体模型网格范围内,因此在完成小型体素切割后,需对获得的体素集合进行筛选㊂本文使用射线检测法排除冗余体素,原理如下:从当前检测体素中心引出朝向主船体模型的射线,并检测碰撞点,若碰撞点为1,则保留当前体素;若碰撞点为0,则标记为冗余体素排除㊂重复以上步骤直到体素集合被遍历,完成筛选㊂完成体素筛选后,对船舶在海面所受的浮力进行分析㊂通过体素化分析,船舶所受的浮力F B 可以分解为所有体素受到的浮力F b i 的集合㊂通过比较体素中心点(x i ,y j ,z k )与同一水平位置(x i ,y j )的海面高度H 1的大小,体素所受浮力F b i可表示为:F b i =r i ρg V ㊂(2)式中:r 为当前体素的浮力系数;ρ为海水密度;V 为体素的体积㊂浮力系数r i 表示如下:r i =1,H 1-z k >L z 2H 1-z kL z2+12,H 1-z k ɤL z 20,z k -H 1>L z2ìîíïïïïïïïï ㊂(3)计算出每个体素的浮力后,通过力矩平衡可以计算出当前船舶的旋转力矩,从而实现对船舶在海面运动状态的模拟㊂系统使用R i g i d b o d y .A d d T o r q u e 函数控制船体首尾的摆动,其摆动幅度受船体所受合力矩大小的影响;使用R i g i d b o d y .A d d F o r c e 函数模拟船体的在垂直方向上的受力,其大小与方向受船体重力与浮力的影响㊂船舶的运动仿真效果如图2㊂图2 东方红2号在海浪中运动F i g .2 M o v e m e n t o f D o n g f a n g h o n g 2i n t h ew a v e s 2 海洋环境仿真技术研究2.1基于G e r s t n e r 波修正的F F T 海浪仿真海浪仿真是海洋环境仿真中的一个关键部分,是多种海洋要素仿真的基础,能极大地影响海洋环境仿真的真实感㊂常见的海浪仿真方法包括基于物理模型建模㊁几何模型建模和海浪波谱建模㊂物理模型模拟海浪计算复杂㊁耗时较长;几何模型仿真海浪真实感较差,难以充分还原真实海浪情况[11]㊂考虑到仿真效率和真实性要求,本文采用基于海浪波谱的仿真方法,使用G e r s t n e r 波模型对海浪进行仿真㊂具体实现步骤如下:211Copyright ©博看网. All Rights Reserved.7期韩勇,等:虚拟海洋环境仿真关键技术与应用研究(1)确定波数矢量k ң㊂在海浪仿真所需的空间网格平面x o y 上,沿x 轴和y 轴分别采样N 和M 个点㊂此时波数矢量k ң=(2πn /L x ,2πm /L y ),L x 和L y 分别代表网格平面沿坐标轴的长和宽,n ㊁m 为整数且-N /2ɤn <N /2,-M /2ɤm <M /2㊂(2)计算海面初始化高度场频谱H 0 (k ң)㊂H 0 (k ң)=1 2ε1+i ε2() φk ң()㊂(4)式中:ε1和ε2为均值方差相同(均值μ=0,方差σ2=1)㊁互相独立的高斯随机数;φk ң()为P h i l l i p s 谱,是常用于海面风浪模拟的波数谱[12],表达式为:φk ң()=A p k 4æèçöø÷k ң㊃r ң2e x p -1k 2l 2æèçöø÷㊂(5)式中:A p 为P h i l l i ps 谱常数;r ң表示风向;l 表示风速v 与海浪的关系且l =v 2/g ;g 为重力加速度㊂(3)用I F F T 算法反演空间域的海浪顶点高度H x ң,t ()㊂通过式(4)中求得的初始化高度场频谱H 0k (),计算傅里叶振幅值H k ң,t ():H k ң,t ()=H 0k ң()e x p i ωt ()+H *0(-k ң)e x p -i ωt ()㊂(6)式中:H *0是H 0k ()共轭复数;ω是角频率且ω= g k ,其中k 为波数矢量k ң的模㊂得到H k ң,t ()后,使用I F F T算法反演空间域中的海浪顶点高度㊂t 时刻海平面网格上某一点的瞬时波高H x ң,t ()表示为:H x ң,t ()=ð kH 0 (k ң,t )e x p (i k ң㊃x ң)㊂(7)式中:x ң=(x ,y )代表x o y 网格上点的坐标;x ㊁y 分别为采样点在X 轴和Y 轴的坐标数值,表示如下:x =n ㊃L x N ,-N 2ɤn <N 2y =m ㊃L y M ,-M 2ɤm <M 2ìîíïïïï ㊂(8)(4)使用G e r s t n e r 波模型对海浪顶点高度进行位移修正㊂G e r s t n e r 波模型是一种通过多个余弦波叠加而来的有限振幅波[13],适用于大范围海浪的仿真㊂相比使用正弦波海浪平稳的模拟效果,G e r s t n e r 波模拟的海浪波峰被压缩,波谷更宽,更接近真实的海浪波峰波谷情况㊂为实现对海浪受较强海风影响时浪尖受到挤压的效果模拟,根据G e r s t n e r 波模型理论,在t 时刻瞬时波高为H x ң,t ()的点坐标x ң=(x ,y )需要受到C h o p p y 波向量的位移修正,即点的真实位置坐标应当为(x ң+μD x ң,t (),H x ң,t ()),其中μ为偏移参数㊂偏移函数D (x ң,t )表示如下:D x ң,t ()=ð kk k ңH k ң,t ()e x p i k ң㊃x ң()㊂(9)(5)依据偏移修正过的海浪高度数据设置海浪网格平面,然后通过顶点着色器进行海面波纹渲染处理,实现海浪的仿真过程㊂海浪仿真效果如图3㊂图3 海浪仿真效果F i g.3 W a v e s i m u l a t i o n e f f e c t 2.2海风与风海流的粒子仿真2.2.1基于时变风速模型的海风仿真海风的仿真对海洋学的研究和系统有着至关重要的作用,是海洋观测的重要组成部分[14]㊂系统基于粒子渲染技术,结合矢量场原理模拟三维空间中的海风轨迹,对海风的运动轨迹进行仿真㊂根据风速的变化性质,时变风速模型包含基本风㊁阵风㊁渐变风和随机风四种成分[15]㊂基本风V B 表示在一段时间内的基础风速,其值为常数㊂随机风V N 表示风速的随机变化,系统采用R a n d o m.R a n ge 函数进行模拟㊂基本风与随机风的仿真可通过简单建模完成,因此本文着重介绍阵风与渐变风的仿真过程㊂阵风V G 表示风速的突变性质,用来模拟在短时间内风速的剧烈变化㊂阵风的数学模型为:V G =0,t <t g 或t >t g +T G v g m 1-c o s 2πt -t g ()T G æèçöø÷éëêêùûúú,t g ɤt ɤt g +T G {㊂(10)式中:t 代表当前时间;v g m 代表阵风的最大风速;t g 代表阵风开始时间;T G 代表阵风周期㊂渐变风V R 表示风速在一段时间内的平稳变化,渐变风的数学模型为:V R =0,t <t r 1v r m t -t r 1()/(t r 2-t r 1),t r 1ɤt ɤt r 2v r m ,t r 2<t ìîíïïïï㊂(11)式中:t 代表当前时间;v r m 代表渐变风的最大风速,t r 1代表渐变风的开始时间,t r 2代表渐变风的结束时间㊂本文基于时变风速模型,采用粒子系统P a r t i c l eS y s t e m 对海风进行仿真㊂系统通过S t a r tD e l a y 控制粒子的延迟发射,模拟海风的开始时间;通过S t a r tS pe e d 控制粒子的发射速度,模拟海风的实时风速;通过R o t a t e()函数控制粒子的发射方向,模拟海风的风311Copyright ©博看网. All Rights Reserved.中国海洋大学学报2023年向;通过在S h a d e r 中将M a ps 设置为白色箭头,以指示海风前进方向㊂海风仿真效果如图4㊂图4 海风仿真效果F i g.4 S e a b r e e z e s i m u l a t i o n e f f e c t 2.2.2基于粒子迹线绘制的表层风海流仿真风海流是指在风对海水的摩擦力与海面压力作用下,海水中形成的一种稳定海流[16]㊂根据‘海港水文规范“中对风海流的估算方法,近岸海区表层风海流的流速V u 可以近似为:V u =K V w ㊂(12)式中:V u 表示风海流的流速;V w 表示海面风速;K 代表流速系数,取K 的值为0.03㊂在浅海中,风海流的流向与风向的夹角较小,流向可近似为风的方向[17]㊂系统将2.1.1中的海风风速仿真结果作为输入,计算得出对应风海流的流速㊁流向与风向保持一致,并通过粒子系统进行仿真㊂粒子在场景的空间网格中按一定比例产生,并朝一定方向发射形成迹线,以模拟风海流的运动轨迹㊂在t 0时刻粒子方位表示如下:p t =p 0+ʏt 0vt()d t ㊂(13)式中:vt ()为粒子在t 时刻的运动速度;p 0为粒子发射时的初始位置;t 0代表粒子产生的时间㊂为描述风海流的运动轨迹,在粒子运动时保存其行动迹线,将粒子系统中的T r a i l s 模块的状态设置为激活,将贴图模式设置为拉伸状态S t r e t c h ,以实现粒子的拖尾效果,记录粒子的运动轨迹㊂在W i d t h O v e r T r a i l 中设置拖尾宽度随时间的变化趋势,实现对海流随时间的渐变效果模拟㊂在N o i s e 模块中设置噪声的频率与强度,以模拟实际情况下风海流的不规则运动㊂风海流仿真效果如图5所示㊂图5 风海流仿真效果F i g.5 W i n d c u r r e n t s i m u l a t i o ne f f e c t 3 交互式虚拟海洋仿真系统3.1虚拟海洋环境仿真系统架构本文基于海浪仿真和船舶运动仿真研究,结合中国海洋大学丰富的海洋实践教学经验,开发了虚拟海洋环境仿真系统㊂系统的结构可分为用户层㊁表现层㊁业务逻辑层和数据层(见图6)㊂用户层对应参与教学的用户角色,包含负责教学引导工作的教师和参与教学实验的学生;表现层包含系统各功能模块,主要有逻辑管理模块㊁用户界面模块㊁动画控制模块㊁用户交互模块㊁仿真实现模块和光学定位模块,通过组件式模块开发实现系统的低耦合度,提高系统的开发测试效率;业务逻辑层包含三维仿真逻辑和观测教学逻辑两大内容,其中三维仿真逻辑主要包含海洋环境仿真过程中的仿真算法逻辑实现,观测教学逻辑主要包括船体参观㊁海风观测和温盐深观测教学的逻辑实现;数据层对应数据存储和数据访问,包含模型数据㊁定位数据和仿真数据㊂图6 交互式虚拟海洋仿真系统结构F i g .6 S t r u c t u r e o f i n t e r a c t i v e v i r t u a lm a r i n e s i m u l a t i o n s ys t e m 3.2系统功能模块系统采用组件式架构,对特定模块的功能和数据进行封装㊂系统具体功能模块划分如下:(1)逻辑管理模块㊂逻辑管理模块主要功能是将各仿真模块按照一定的逻辑顺序组合后统一管理,并提供可与各模块通信的接口㊂逻辑管理模块中实现了系统启动运行及观测教学的逻辑设计,可设置系统的运行状态,编辑教学流程㊂在编辑界面中,可通过设置411Copyright ©博看网. All Rights Reserved.7期韩勇,等:虚拟海洋环境仿真关键技术与应用研究S t e p N u m 参数改变流程的步骤数量,拖动O b je c t 设置流程的步骤排序㊂在脚本中调用G e t C o m p o n e n t 函数可获取场景中对象的属性或组件,从而更改对象或组件的状态㊂通过逻辑管理模块,系统实现了教学流程构建,并设计完成了海风观测和C T D 观测的实验逻辑流程㊂(2)用户界面模块㊂用户界面(U s e r i n t e r f a c e ,U I )模块的主要功能是控制系统中U I 的状态开闭与位移旋转㊂系统使用U G U I 系统,制作了主界面登录U I 和场景中的交互U I㊂用户在登录界面登录后,可进入船舱的初始位置开始教学㊂在教学过程中,用户通过V R手柄与U I 上的按钮面板进行交互,即可触发对应的U I 事件,包括知识学习㊁教学考核㊁步骤推进等㊂通过用户界面模块,系统实现了文本㊁影音知识的教学,和教学内容的递进引导㊂(3)动画控制模块㊂动画控制模块的主要功能是控制系统中的动画播放状态㊂系统使用动画控制器A n i m a t o r C o n t r o l l e r 对动画片段C l i p s 进行管理㊂通过设置动画状态的控制参数及不同动画间转换条件,实现对不同C l i ps 的播放切换㊂系统通过动画控制器,实现了对海风观测实验中风向风速仪旋转动画,和C TD 观测实验中的C T D 下放(见图7(a ))收回㊁采水器的开闭等动画播放控制㊂(4)用户交互模块㊂用户交互模块的主要功能是设置场景中用户的手柄触发操作㊂通过V RC o n t r o l l e r 设置虚拟现实手柄的交互方式,用户在场景中可通过手柄进行近距离点按交互和远程射线交互㊂场景中可交互的物体通过标签T a g s 进行标记,当用户的手柄进入其触发范围内时,可激发物体的对应事件,如移动㊁变色㊁消失等㊂当手柄发出的射线接触到地面的传送标记(见图7(b ))时,松开扳机键可触发场景传送功能,实现用户在船舱㊁过道和甲板上的便捷传送㊂此外,通过N e t w o r k i n g 网络框架,系统可实现多终端用户间的协同交互,极大提高了系统的互动性和趣味性㊂图7 C T D 下放(a )及传送标志(b)F i g .7 P l a c i n g C T D (a )a n dm o v i n gi c o n (b ) (5)仿真实现模块㊂仿真实现模块主要负责系统中海洋环境仿真及船舶运动仿真中的运算及渲染功能㊂海浪仿真通过将计算所得网格高度值实时更新到对应的海面渲染器中,实现了对动态变化海浪的模拟㊂船舶运动仿真在物体的包围盒B o u n d s 中生成指定大小的正方体体素,通过射线检测保留在物体网格M e s h 内的体素,并实时分析每个体素与海面的位置关系,最终实现对海面船舶运动的模拟㊂海风仿真基于风速数学模型,将实时计算结果赋予粒子系统的E m i s s i o n 模块,实现对风速时变的海风模拟㊂风海流仿真在海风仿真的基础上,添加粒子拖尾迹线和随机误差,实现对海面表层风海流的模拟㊂(6)光学定位模块㊂光学定位模块主要负责场景中光学定位功能的实现㊂整个光学定位系统由12部F l e x 13摄像头组成,系统可在5mˑ6m 大空间内对多个目标的光学定位㊂视觉定位技术可以分为主动式视觉定位与被动式视觉定位[18]㊂系统采用的被动定位技术是由不同位置的相机拍摄同一场景,并通过对多幅图像中同一点的位置进行计算,来获得该点在空间内的三维坐标㊂本文定位系统使用多目立体视觉模型(见图8),其优势在于弥补了双目立体视觉定位易受环境干扰的缺陷,捕获的图像信息可以经过多次计算,可降低空间点的坐标估计误差㊂图8 多目立体视觉模型F i g.8 M u l t i -v i e ws t e r e o v i s i o n -b a s e dm o d e l 3.3基于虚拟海洋环境的观测实验3.3.1海风观测海风观测实验使用风向风速仪(见图9(a))作为测量工具,模拟了对东方红2号顶部甲板的风速风向测量㊂在海风速测量实验中,学员通过操作手中的V R 手柄进行风速测量学习㊂实验开始后,虚拟场景中的V R 手柄将会替换为风向风速仪模型,晃动风向风速仪即可开始对场景内的风速㊁风向进行测量㊂风向风速仪的中央屏幕会显示当前位置的实时风速,单位为m /s,同时风杯旋转指示风力大小㊂风向风速仪上方的风标旋转指示风向,单位为(ʎ)㊂如图9(b)所示,学员在场景中手握风向风速仪并保持高举1m i n ,记录风向风速仪显示的平均风速和观察到的最多风向,完成风向风速测量实验㊂511Copyright ©博看网. All Rights Reserved.中国海洋大学学报2023年((a )风向风速仪,(b )应用场景㊂(a )A e r o v a n e ;(b )A p pl i c a t i o n s c e n a r i o s .)图9 海风观测F i g.9 S e a b r e e z em e a s u r e m e n t 3.3.2虚实结合的C T D 观测实验温盐深是海洋物理学的重要参数,是海洋水文观测的基本要素[19]㊂温盐深测量仪(C o n d u c t i v i t y ,t e m p e r a t u r e ,d e p t h ,简称C T D )是海洋研究观测中的重要设备,能够精确获取水体的温盐深数据[20]㊂C T D 由水下单元㊁甲板单元和采水系统三部分组成,其主要功能是采集不同层位的海水㊂实验采用的S B E -911型C T D 采水系统,其搭载的各类高精度传感器可以采集海水的温度㊁盐度㊁压力㊁叶绿素㊁溶解氧等基础观测要素[21]㊂实验设计了C T D 观测实验,包含甲板单元介绍㊁采水单元安装㊁C T D 下放回收等内容㊂实验采用动作捕捉技术设计虚实结合的互动模式,在场景内配置了实体的C T D 采水系统,并放置多个光学M a r k 点进行标记㊂实验过程中深度相机捕获M a r k 点标志,并与M o t i v e 软件中的光学刚体端点进行匹配,将M a r k 点在现实坐标系中的坐标同步给空间坐标系中的光学刚体,然后将光学刚体坐标同步给仿真场景中对应三维模型,从而实现C T D 采水系统在现实场景与仿真场景中的状态同步㊂图10中,学员通过佩戴动作捕捉手套,可实现对现实场景和虚拟场景中C T D 采水设备的同步操作㊂虚实结合的互动方式能极大增强交互的真实感和交互性,从而提高观测实验的系统效果㊂图10 虚实结合交互F i g .10 C o m b i n a t i o n i n t e r a c t i o n o f v i r t u a l i z a t i o n a n d r e a l i t y4 结语本文将虚拟现实技术应用在海洋环境仿真中,通过船只建模及其运动仿真构建虚拟海洋环境观测载体,研究了以海浪仿真㊁海风仿真㊁海流仿真为核心的虚拟海洋环境仿真技术,并在此基础上设计实现了交互式虚拟海洋仿真系统,逼真还原了出海实践教学中海风观测和C T D 观测两大实验内容,扩展了海洋实践教学的形式,提高了海洋人才的培养质量㊂本文通过研究虚拟海洋环境仿真中的多项关键技术,实现了基于实践教学的海洋仿真交互式系统,对涉海高校实践教学的新型模式进行了探索㊂交互式虚拟海洋仿真系统在一定程度上弥补了当前高校海洋调查船难以满足人才培养需求的缺陷,避免了真实海洋实践过程中可能的安全隐患㊂虽然现阶段虚拟仿真系统无法完全取代真正的出海实践教学,但它可作为高校出海实践的有效补充,以提高教学资源的利用效率并缩短海洋人才的培训周期㊂随着海洋环境仿真技术与交互技术的进一步发展,虚拟海洋仿真技术将在高校海洋实践课程中获得更广泛的应用㊂参考文献:[1] 林昆勇.中国海洋科技创新发展的历程㊁经验及建议[J ].科技导报,2021,39(20):19-32.L i nKY .T h e c o u r s e o f i n n o v a t i o n a n d d e v e l o p m e n t o f C h i n a 'sm a r i n e s c i e n c ea n d t e c h n o l o g y :Ar e v i e wo f e x p e r i e n c ea n dc o u n t e r m e a s u r e s [J ].S c i e n c e&T e c h n o l o g y R e v i e w ,2021,39(20):19-32.[2] 隋江华,李昕,张堂伟.海上专业虚拟仿真教学中心建设的实践探讨[J ].航海教育研究,2015,32(3):70-75.S u i JH ,L iX ,Z h a n g T W.P r a c t i c ea n dd i s c u s s i o no nt h ec o n -s t r u c t i o n o f v i r t u a l s i m u l a t i o n t e a c h i n g c e n t e r f o rm a r i n e s p e c i a l t y [J ].M a r i t i m eE d u c a t i o nR e s e a r c h ,2015,32(3):70-75.[3] 田慧娟,周立,汤均博,等.海洋实践教学观测平台的建设与应用探索[J ].实验技术与管理,2020,37(11):261-263.T i a nHJ ,Z h o uL ,T a n g JB ,e t a l .E x pl o r a t i o no nc o n s t r u c t i o n a n d a p pl i c a t i o n o f o b s e r v a t i o n p l a t f o r mf o rm a r i n e p r a c t i c a l t e a c h -i n g [J ].E x p e r i m e n t a lT e c h n o l o g y a n d M a n a ge m e n t ,2020,37(11):261-263.[4] D a n g x i a oW ,Y u a nG ,S h i y i L ,e t a l .H a p t i c d i s p l a yf o r v i r t u a l r e -a l i t y :P r og r e s sa n dch a l l e n g e s [J ].Vi r t u a lR e a l i t y &I n t e l l i ge n t H a r d w a r e ,2019,1(2):136-162.[5] 王顺利,康凤举,徐建华.通用化海浪仿真关键技术研究[J ].系统仿真学报,2017,29(2):381-386.W a n g SL .K a n g FJ,X u JH.R e s e a r c ho n g e n e r a l o c e a n s i m u l a -t i o n t e c h n o l o g y [J ].J o u r n a l o f S y s t e mS i m u l a t i o n ,2017,29(2):381-386.[6] 郭晓非,朱俊利,万剑华,等.基于C e s i u m 的海洋环境要素三维可视化研究[J ].海洋科学,2021,45(5):130-136.G u oXF ,Z h u J L ,W a n JH ,e t a l .3Dv i s u a l i z a t i o n o fm a r i n e e n -v i r o n m e n t a l e l e m e n t s b a s e d o nC e s i u m [J ].M a r i n e S c i e n c e s ,2021,45(5):130-136.[7] P u i g -C e n t e l l e sA ,R a m o sF ,R i p o l l e sO ,e ta l .V i e w -d e pe n d e n t t e s s e l l a t i o na n ds i m u l a t i o no fo c e a ns u rf a c e s [J ].T h eS c i e n t i f i c W o r l d J o u r n a l ,2014(2014):1-12.[8] 薄文波.海洋环境仿真系统的若干问题分析[J ].电子世界,2018(23):43-44.B oW B .A n a l y s i so f p r o b l e m s i n m a r i n ee n v i r o n m e n t s i m u l a t i o n 611Copyright ©博看网. 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ROV在深水铺管中的应用

25一、ROV支持船和铺管作业船之间的视频传输ROV在进行实际铺管作业支持时，如果海管着泥点距离铺管船较近，ROV可以从铺管船（被称为主作业船）下水进行着泥点监控，并将视频信号直接传输给铺管船中央控制室。

如果海管着泥点距离铺管船较远，则ROV需搭载至另一艘动力定位船（被称为辅作业船）进行监控作业，主辅作业船之间通常采用高频对讲机实时工作沟通，并通过无线传输的方式实现水下监控视频实时传输至主作业船。

1.实时视频传输技术要求。

（1）水下结构物的多视角呈现，即主视图、左视图、右视图同时显示；（2）在海管后调查过程中，使用旁扫声纳检查海管悬空等数据信息，并与视频图像同时显示；（3）ROV水下作业视频要从辅作业船实时传输至主作业船的中央控制室，不受传统视频信号缆的传输方式限制。

2.ROV在深水海管铺设中采用的定位方式。

（1）LBL——长基线声学定位基阵。

在进行PLET（管线终端）、MUDMAT(防沉板)和ILTA（三通）安装时，安装位置精度要求较高，采用预布置LBL长基线声学定位基阵，利用其定位精度与水深无关的特性，实现厘米级的高精度定位，实现高精度安装。

图1 LBL基阵（2）ROV实时位置定位系统。

传统的USBL（超短基线）定位系统使用、安装方便，但是由于其定位原理和其声学基阵尺寸的限制，其定位的精度受到很大的限制，其定位的理论精度通常为主探头到信标距离（斜距）的0.5%。

这就意味着，其精度随着距离定位目标物的距离增加而减小，无法满足深水铺管对定位精度的要求。

因此，在深水海管铺设中的ROV定位采取了惯性导航支持，即ROV上搭载Octans 3000水下光纤罗经(为ROV 提供高精度艏向和姿态)、DVL多普勒速度计（计算ROV 运动速度）、SVP测声速仪器（提供声音在海水介质中的传播速度），通过对ROV水下运动实时姿态与对海底相对速度的测量，测算出其运动的轨迹，再结合USBL系统提供的位置，使用Finetrack软件系统得出实时的ROV 水下运动位置，为深水铺管作业提供实时而精确的定位支持。

深水海底管道铺设技术研究进展

深水海底管道铺设技术研究进展+李志刚, 王琮, 何宁, 赵冬岩摘要：海底管道作为最重要的海洋石油天然气的运输方式，发展速度逐步加快，对于海底管道的铺设方法和主要铺设工具——铺管船，也提出了更高的要求。

本文介绍了目前普遍使用的几种铺管方法以及世界先进的不同类型铺管船的发展和使用情况，并作了比较与讨论。

作者认为我国在铺管技术以及铺管船的研发及应用方面与国外先进水平相比存在相当大的差距，特别是在深海铺管技术方面差距更为明显，应当充分学习消化已有的成功经验，开展相关领域的研究工作。

关键词：深水, 海底管道, 铺管方法, 铺管船An Overview of Deepwater Pipeline Laying TechnologyLI Zhi-gang, WANG Cong, HE Ning, ZHAO Dong-yan,(Offshore Oil Engineering Co., Ltd., Tanggu, Tianjin)Abstract: The subsea pipeline, regarded as the most important transportation way of offshore oil and gas, is developing rapidly. Consequently, the pipe laying techniques and vessels are considered as critical and characteristic in its application. In the context, the latest deepwater pipeline laying technologies and the various advanced pipe laying barges are introduced and the corresponding comparison and discussion are presented as well. The authors suggest that China should absorb and digest the internationally advanced pipeline laying techniques and pipe laying facilities to make up for the gap existed in the research and application of pipeline laying technologies, especially in the deepwater field.+国家863计划资助课题(2006AA09A105)。

轮机工程专业论文题目

轮机工程专业论文题目轮机工程专业论文题目轮机工程培养的学生就是管理船舶所有机电设备和动力装置的机电全能工程师。

下面，小编为大家分享轮机工程专业论文题目，希望对大家有所帮助!1、船用燃气轮机盘-叶耦合系统固有振动特性研究2、基于航海职业能力培养的高职院校轮机工程技术专业课程标准构建3、轮机协同训练平台中的角色问题及协同策略4、船舶发电用三轴燃气轮机控制仿真研究5、表面换热器在舰船燃气轮机间冷系统中的应用6、现代轮机管理与船舶安全航行7、舰用航改燃气轮机通用控制系统研制及应用8、模糊神经网络在轮机故障诊断中的应用与研究9、船用燃气轮机发电机组动态性能仿真10、大数据在轮机故障诊断系统设计中的应用11、基于五种能力要求、四种体系支撑的轮机工程人才培养模式12、基于云模型的轮机模拟器效能评价13、基于虚拟现实技术的轮机英语环境仿真研究14、海洋环境条件对船舶间冷循环燃气轮机性能的影响15、舰船燃气轮机气路测量参数的理论选择方法16、基于模糊综合评判的轮机模拟器智能评估系统17、GT25000型船用燃气轮机振动监测阈值分析18、船用燃气轮机发电系统建模与仿真研究19、板式换热器在船舶轮机中的应用20、深水铺管起重船轮机管道系统设计研究21、北极航线开通之轮机部对策22、船用三轴燃气轮机气路故障建模与聚类诊断技术23、新型轮机仿真平台实操考试自动评估算法24、部件性能退化对船用三轴燃气轮机性能的影响25、舰用燃气轮机发电机组发展概述26、试论现代轮机管理及船舶安全航行27、一种基于控制图的燃气轮机压气机性能评价方法28、轮机工程专业创新人才培养模式及其实训平台建设29、“人-机”一体化模式在轮机管理中的应用分析30、航改大功率、高效率舰船燃气轮机的技术发展途径探讨31、船舶燃气轮机发电机组实时仿真新方案32、船舶轮机常见的检验问题及对策分析33、轮机模拟器中机舱资源管理培训及评估功能34、轮机缺陷导致的河船事故分析与对策研究35、用于舰船综合电力推进的燃气轮机关键技术36、轮机模拟器考核自动评分算法研究37、舰用燃气轮机抗冲击时域模拟研究38、轮机故障模拟及仿真训练系统39、船舶轮机检验常见缺陷及排除措施分析研究40、船舶电力推进三轴燃气轮机动态性能仿真及控制策略研究41、STCW公约马尼拉修正案对轮机工程专业人才培养的影响及对策42、浅析“11规则”下高职轮机专业课程设置改革43、船用燃气轮机回热器设计的数值研究44、基于LabVIEW的船用燃气轮机数字控制器软件设计45、进排气压力损失耦合作用下的船用燃气轮机性能研究46、浅谈现代船舶轮机安全管理47、“虚实结合”轮机工程专业船员实操模式探究48、俄罗斯船用及工业燃气轮机的发展和应用现状49、轮机模拟器及其关键技术50、现代船舶轮机模拟器的应用与发展51、世界航改舰船用燃气轮机的发展趋势52、船舶轮机模拟器CAVE系统设计与关键技术研究54、Foran软件在轮机设计中的应用55、浅析内河船舶轮机常见故障56、舰用燃气轮机抗冲击性仿真评估方法57、舰船燃气轮机间冷器优化设计与性能分析58、一种分布式船舶轮机模拟器59、基于轮机模拟器的“机舱资源管理”研究与实践60、Quest3D虚拟现实技术在轮机模拟器开发中的应用61、轮机自动化的发展现状及特征62、现代船舶轮机安全管理研究63、船用间冷循环燃气轮机供油规律仿真研究64、船用三轴燃气轮机起动特性研究65、海洋环境下航改燃气轮机腐蚀防护与控制66、WR-21舰船用燃气轮机的设计特点67、现代舰船燃气轮机发展趋势分析68、间冷回热燃气轮机发展现状69、国外舰船航改燃气轮机的发展特点70、船用燃气轮机启动过程仿真71、船舶轮机设备管理72、船用燃气轮机间冷器流路的数值计算分析73、21世纪的澎湃动力从新型水面舰艇看舰用燃气轮机的发展74、船舶轮机模拟训练装置技术现状及发展趋势75、机电复合型轮机管理人才培养方案的研究与探索76、舰船燃气轮机技术的发展途径77、轮机管理中情景意识的培养78、某船用燃气轮机故障的动力学分析79、大型轮机模拟器中船舶电力系统的建模与仿真80、IC循环船用燃气轮机的'可行性研究81、船舶轮机送审图纸计算机辅助设计82、四海一心美国LM2500舰用燃气轮机技术解析84、船舶轮机备件管理85、复杂循环船用燃气轮机间冷器的数值模拟86、轮机资源管理中情景意识对安全的影响87、浅谈浮船坞轮机系统设计88、轮机模拟器辅锅炉仿真系统的设计与实现89、船用燃气轮机建模技术研究90、舰船燃气轮机变几何动力涡轮三维粘性流场的数值分析91、DMS-2002型轮机模拟器船舶电力系统故障模拟的研制与实现92、基于虚拟现实技术的轮机模拟器视景研究93、轮机模拟器的现状和发展趋势94、船舶燃气轮机技术和应用的展望95、浅谈轮机模拟器的应用及前景96、现代集装箱船舶轮机模拟器主机仿真建模97、计算机网络与轮机仿真训练器98、船用燃气轮机进气过滤系统的计算流体力学(CFD)研究99、WR-21--新一代的船用燃气轮机100、轮机模拟器柴油主机动态过程实时仿真。

码头工程施工新技术

码头工程施工新技术随着现代航运业的发展，越来越多的港口需要进行扩建和改造，以适应更大型船舶的停靠和货物的装卸。

而这些工程的施工需要采用最先进的技术和设备，以确保工程质量和进度。

在码头工程施工中，新技术的应用对提高工程施工效率、减少成本、提高安全性等方面发挥着重要作用。

本文将介绍一些在码头工程施工中常用的新技术。

1. 海底水下作业技术海底水下作业技术是指在海洋底部进行建筑、维修和安装工作的技术。

这些工作包括盖桩、挖泥、铺管等。

海底水下作业技术可以分为潜水作业和遥控器械作业两大类。

潜水作业是指潜水员带着呼吸器或潜水服，进行海底作业。

而遥控器械作业是指使用遥控器械进行海底作业。

海底水下作业技术可以实现深水海底工程施工的自动化和智能化，提高施工效率和质量。

2. 海事测量技术海事测量技术是指使用声学、卫星遥感等技术进行海洋测量。

这些技术可以对海洋深度、海底地形、水下管线等进行精确测量。

在码头工程施工中，海事测量技术可以为船舶导航、码头设计、海底管线铺设等提供精确的数据支持，提高工程施工的准确性和效率。

3. 岩石爆破技术在码头工程施工中，常常需要进行岩石爆破作业，以清除岩石障碍物和为码头基础的打桩作业提供清理基础。

传统的岩石爆破技术存在噪音大、粉尘污染等问题，而且爆破作业的安全性也受到影响。

现在，一些新的岩石爆破技术已经得到应用，如液压爆破技术、流式爆破技术等，这些新技术可以减小噪音、减少粉尘污染，提高安全性。

4. 模块化建造技术模块化建造技术是指将建筑结构按照模块，进行离岸制造，然后通过海上运输方式将模块运输到工地进行安装。

在码头工程中，利用模块化建造技术可以大大减少施工现场的作业量，加快工程进度。

同时，模块化建造技术还可以提高建筑质量和整体使用寿命。

5. 三维建模和虚拟现实技术在码头工程施工中，使用三维建模和虚拟现实技术可以对整个工程进行全方位的模拟和仿真。

这样可以在设计阶段就发现潜在的问题，提前解决，减少施工过程中的修改和调整。

舰船抗沉损管训练仿真系统研究

舰船抗沉损管训练仿真系统研究
随着我国经济的高速发展和保卫国家海洋安全的需要,近年来远洋货轮和各种现代化舰艇得到了快速发展,这些舰船的航行需要具有良好的稳性和抗沉性。

为此需加大对损管人员的训练,而大型舰船的损管系统往往较为复杂,修建实体模拟舱室进行损管训练费用昂贵。

本文采用虚拟现实技术进行舰船虚拟仿真损管训练系统的研究,不仅可以降低成本,而且训练更加灵活,故选题具有重要的现实意义。

本文设计开发的舰船抗沉损管仿真训练系统,注重真实感和实时性方面的研究,重点研究了对海洋环境的仿真,同时也对舰艇内部漫游进行了仿真,开发了损管训练系统的交互界面。

在海洋环境仿真部分,本文以Phillips海浪谱模型为基础,通过FFT算法实现海浪的高度场的计算,大大减小了计算量。

本文比较分析了常用的海浪绘制模型,综合其中几种的特点,提出了一种改进的海浪分级网格绘制方法,在保证具有较高真实性的前提下,改善了海洋环境模拟的实时性问题。

同时,本文使用着色器语言进行海面光照效果的仿真,提高了光照仿真效果。

对舰船仿真方面,本文综合使用Solidworks、3dsmax和OpenGL等软件进行了舰船建模和舱内环境渲染,并提出了一种简单的漫游方法和拾取机制,实现了舱内漫游和物品识别。

最后,根据抗沉损管的操作流程,利用Delphi软件强大的控件功能,实现了对操作面板的仿真。

本文开发的舰船抗沉损管训练仿真系统界面友好、画面逼真、实时性好、操作方便,为大型舰船的损管训练提供了一种解决方法。

仿真技术在船舶设计中的应用

仿真技术在船舶设计中的应用一个成功的船舶设计，是依靠先进的仿真技术做出的。

从设计到制造到测试，仿真技术在船舶制造业中扮演着不可或缺的角色。

他们包括从气动、水动力学到结构力学等各种仿真应用，并具有协同和完整的过程。

本文将介绍仿真技术在船舶设计中的应用。

1. 水动力学仿真水动力学仿真技术在船舶设计中是非常重要的。

在介绍水动力学之前，我们要明白海洋和内陆水域的物理特性。

水动力学模拟运用数学和物理学的原理，将水下运行过程所产生的水流及水动力学性能模拟为数字数据。

例如，船舶的速度、推力、减阻、阻力、强度以及舵效等属性，都可以使用水动力学仿真技术来预测和优化。

水动力学仿真是一种运用CFD（计算流体力学）来模拟水动力学效应的技术手段。

CFD的核心是将流体动力学问题转化为求解数值问题，从而实现对复杂流动问题的数值模拟。

在应用了CFD技术后，人们能够更为准确地识别哪些处于船体表面或母线处的流体是湍流，哪些是层流。

由于产生湍流所要消耗的能量比产生层流所需的能量要多，因而湍流会增加船的阻力。

预测水动力学性能需要取得段面曲线、曲线互动数据等数据。

可以运用CFD方法求解得到粘性水流欧拉方程或非粘性水流伪欧拉方程，将风洞测试所获得的数据转化为船舶所需数据进而进行优化设计。

2. 结构力学仿真在船舶工业中，结构力学仿真是一项基本技术，它使用计算机模拟技术评估结构所承受的重量和载荷。

结构力学仿真的目的是预测和改进船体各个部件的结构性能。

除此之外，它还可以检测部件之间的相互作用和发现任何可能的设计漏洞，这样可以避免错误的结构设计引起的整体性能下降。

仿真技术还能在现实测试之前掌握一些关键特性的信息，如应力分布、挠度、温度集中度等。

可以先对设计结构进行有限元模拟分析来评估有效性，此模拟模型基于实际建造，但需结合有关标准，以确保一定的可靠性。

3.模拟生产流程仿真技术不仅可以优化船舶的设计和结构，还可以模拟船舶的生产流程。

这种技术通常被称为“数字化孪生技术”，是指通过模拟仿真和虚拟测试对现实生产过程进行优化。

起重铺管船概况及设计技术

480t×18.5m 725t×27.5m 8×11t 铰接/直线式 10×15t 30
8.2、自航船型
船名船型 L (m) B (m) D (m) d (m) 人员 ETPM 1601 起重、敷管 185.06 35.06 15.24 工作10/航行6.5 276 THOR 起重、敷管 166 40 15 11.5 57000 180 敷管流水线位置可敷水深 (m) 可敷管径（寸）可敷管径（张紧器 (kg) 焊接站起重机中部 300 48 3×45000 包括X站 12 1200t×30.5m 舷边 300 2000t×30m 8×15t
22
5.3、铺管船法前国外广泛使用专门铺管船铺设海底管线。铺管船铺设海底管线始于1940年，首先是美国用于墨西哥湾，到目前为止世界上大型铺管船已有百余艘。用铺管船铺设海底管线的特点是，利用管线允许的弹性变形，以铺管船为中心，组成铺管船队，并配以必要的船机设备，如起重船、潜水设备等；单节钢管或双节钢管由制管厂按照规格加工好，在铺管船上再一根根地接起来，并按照要求加工制作防腐绝缘层、隔热保温层和外包混凝土防护层；加工好的钢管直接在船甲板上焊接，边加工边利用托管架铺设入海底。
24
1965年在开发大西洋的北海油气田时，这种类型的铺管船因抗风浪能力差，不能适应北海区的海况，作业经常被中断,经过改革船体结构,制成半潜式铺管船，加强了抗风浪能力。70年代初期“乔克陶Ⅰ”号半潜式铺管船在澳大利亚的巴斯海峡投入使用，证明半潜式铺管船稳定性好，并能在120～180米深海中进行铺管作业。1979 年半潜式“卡斯特罗”号铺管船，在建设由非洲阿尔及利亚经突尼斯穿过突尼斯海峡通向欧洲意大利的输气管道时,成功地在608米深的海域中铺设了500毫米管径的管道。

半潜式起重铺管船SSCV的发展现状及应用

5.4 5.5 5.6 6 7 8 9 10
项目主尺度船长船宽型深调遣吃水最大操作吃水立柱数量
动力系统配置
定位系统动力定位系统
定位等级
推进器
锚泊定位系统定位锚机数量
锚机能力缆绳长度缆绳直径起重能力
主钩
吊重能力
最大吊高
水下吊重能力
联合起吊能力辅钩
吊重能力
水下吊重能力小钩
吊重能力铺管能力铺管型式适用管径工作站数量
图 2 Heerema Thialf 图 4 Heerema Balder
图 3 Saipem 7000 图 5 Heerema Hermod
收稿日期：2017-05-02 作者简介：袁汝华（1964-），男，天津人，海洋石油工程股份有限公司，从事海洋工程工作。基金项目：由中海油总公司课题“半潜式起重铺管船关键技术研究”资助，项目编号：CNOOC-KJ 125 ZDXM 05 GC 00
14,200Te
同功能船形作业船具有更好的运动性能，从而可提高该型船对恶劣海况的适用性。由于 SSCV 船型形体巨大，其配备的吊机的吊重能力可大幅提升，较船型浮吊具有较大优势。图 1 展示了典型半潜式起重铺管船（SSCV）船体结构形式，以及主要设备的布置。
本文从半潜式起重铺管船的发展历史及所具备的作业性能，阐述了半潜式起重铺管船在超大型结构物安装、深水 J-Lay 海管铺设、深水水下油气设施安装等方面的技术特点及功能，并从专业角度对半潜式起重铺管船与常规起重铺管船的各项特性进行了深入分析对比。
无 --
2×1,470kW 可伸缩电力推进器 2×4,400kW 可调桨
有 12 台破断拉力 386Te 2,400m

船舶运动视景仿真系统研究

ｆｔｈｅｅｅｒｈ．ｕｒｒｒｓａｃ
ＫＥＹＷＯＲＤＳ：ｈｐｍｏｉｎ；ｓａｍｕａｉｎＭｏｉｎｃｎｒｌＳｉｔｏＶｉｕｌｅｌｔｏ；ｔｏｔｏｏ
的初步研究的要求。
１引言
船舶的运动仿真形式主要有物理仿真，物理仿真和计半算机仿真。随着计算机技术的不断发展和船舶运动理论研究的不断深入，舶的运动及计算机数值仿真研究也日趋成船
２船舶运动方程的建立
船舶在规则波中的一阶速度势可以写成如下的复数形
式：
熟。但这些数据和表格只有专家学者才能看懂，不利于科技
的推广。虚拟现实技术将这一问题很好地解决了。能将一它系列的物理模型，数据结果用逼真的三维图形动态地显示出来（即视景仿真）不仅增强数据结果的可观易懂性，，同时还
ＴｈｙｔｍｏｎｙｓｖｓｔｅｃｓｏｔｄｕｌｏｈｓａｇｏｉｕｌｅｆｃＩｍａｅｏｄｐｅａａｉｎｆｒｅｓｓｅｎｔｏｌａｅｈｏｔｆｓｕｙｂｔａｓａｏｄｖｓａｆｅｔ．ｔｋｓａｇｏｒｐｒｔｏｏ
维普资讯
第４第８２卷Ｏ期
文章编号：０６—９４（０７０１０３８２０）８—０９１８—０３
计算机仿真
２７８０年０月０
船舶运动视景仿真系统研究
何金花，彭侠夫，王莺
ｃ，＝Ｒ｛・一１９ｅ，ｅⅫ ｝＝Ｒ［ｂ・／００ｅ］ｅＡ－ｅ（ｃ＋ｓ）・一￣ｅｋｏｙｉｘｓｎ

海底管线立管登平台分析

５４卷
增刊２
张
贺：海底管线立管登平台分析
ｚ墨：Ｑ盟
堡盛
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垫平面
图３管线通过导管架水平撑登平台布置图
这种布置方式其优点较为明显，利用现有构件，不增加较大的结构，现场施工工作量相对比较小，
破坏。
：
（３）
Байду номын сангаас
式中，为涡旋释放频率；Ｕ为水流速度；Ｄ为圆柱体直径；Ｓ为斯托哈罗数。
１
一］］ｊ
…
～
Ｌ：．阻
一
、／
（４）
’
式中：为自振频率；Ｃ为阻尼系数；Ｋ为管道两端支承条件系数；为悬跨长度；Ｅｌ为管道刚度；
工艺布局也提供了一定的便利。利用平台水平支撑的方式，投资低是其明显优势；但是，水平支撑上
不宜布置过多的管线立管，以避免冬季时造成冰堵塞，从而对原平台结构产生不利影响。水下支撑桩方式施工较为方便，但是通过文中分析可见，这种布置方式适用的水深较浅。对于海底管线立管工程而言，平台的结构、海洋的环境条件以及平台附近管线布局等，都是制约因素。针对不同工程采用适用的工程方案，才是合理且经济的选择。
投资低。但是也有其弊端，导管架水面上和水面下两层水平撑间，为了避免增加平台水平方向的冰的

半潜式修井平台的模型试验与仿真分析

半潜式修井平台的模型试验与仿真分析潜水井作为石油开发过程中必不可少的一环，对于油田的开发和生产起着至关重要的作用。

而半潜式修井平台作为潜水井修井的重要工具，也越来越受到石油行业的关注。

本文将对半潜式修井平台的模型试验与仿真分析进行探讨，以期提供理论和实践上的指导。

半潜式修井平台是一种具有半潜水能力的海上作业平台，能够满足深海或波浪较大的海域中潜水井修井的需求。

模型试验与仿真分析是研究、发展和验证这种修井平台的重要手段。

首先，模型试验是指通过制作一个缩小比例的实物模型，在模拟实际环境中进行各种实验，以便获得有关装置性能、受力情况以及稳定性等方面的数据。

对于半潜式修井平台而言，模型试验可以一定程度上模拟实际的海况和作业条件，通过对模型平台的测试和观测，获得其受力情况、摇摆角度以及动态性能等相关数据。

在半潜式修井平台的模型试验过程中，首先需要确定实验的比例尺。

比例尺的选择要综合考虑试验目的、资源投入以及实验设置等多种因素，确保试验结果能够有效地应用于实际工程。

然后，在实验开始前，需要精确测定模型的各项物理参数，例如平台的重心、几何形状、液体动力特性等。

这些物理参数对于模型的受力计算和平衡分析至关重要。

接下来，在模型试验中，需要模拟不同的海况和作业工况。

海况包括波浪、潮流、风力等因素，而作业工况则与修井平台在潜水井施工、维护和检修过程中的动作和力学有关。

通过对这些因素的模拟和实验测试，可以得到修井平台在不同环境下的受力情况和稳定性表现。

除了模型试验外，仿真分析也是研究半潜式修井平台的重要手段。

仿真分析是指通过计算机模拟和数值计算的方法，对平台的结构和作业特性进行分析和预测。

与模型试验相比，仿真分析具有成本低、时间短、数据准确等优势，在一定程度上能够替代模型试验。

在仿真分析中，首先需要建立适当的数学模型。

这个模型应包括修井平台的结构、液体动力特性、船体运动特性以及海况和作业工况等参数。

然后，基于这个数学模型，利用数值计算方法，通过程序的运算和模拟，得到修井平台在各种条件下的响应和性能。

【国家自然科学基金】_船舶运动数学模型_基金支持热词逐年推荐_【万方软件创新助手】_20140730

科研热词灰色预测pid控制潜艇运动水下坞舱回收无人水下航行器数学模型数值模拟对线控位非线性追越边界元方法船间水动力干扰船舶模型船舶时域运动船舶操纵性船舶操纵船舶减摇船舶、舰船工程船舶航向控制航向保持自由面效应自动舵耦合运动综述神经网络(nn) 矩形脉冲灵敏度分析液舱晃荡测试波浪增阻水动力导数水冢水下自重构机器人模型试验最少学习参数(mlp) 敏感性指数操纵控制控制算法拖曳系统拓扑构形描述快速计算强机动平台导流缆圆柱体同宿轨道参量微扰匹配数学模型势流理论动态面(dsc) 动力定位实验室动力学建模
2012年序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52
科研热词船舶运动数学模型水路运输风频谱非线性鲁棒控制非线性零航速减摇鳍闭环增益成形锚链锚泊运动通气空泡运动响应幅值算子输出反馈起重船解耦控制观测器船舶运动响应船舶旋回性船舶操纵性船舶参数横摇船舶、舰船工程船舶船用柴油机精确反馈线性化粒子群优化算法稳心神经网络磁阻传感器特征模型滑行艇海浪方向谱海洋机器人海上拖带浅水修正活塞环磨损横摇减摇枢纽通航最小安全距离数学模型数值模拟操纵性损量监测多相流垂直发射反馈控制动网格动态反馈线性化动力定位系统内河航道低速柴油机仿真交通流
推荐指数 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

关于海底S型管道铺设形态分析仿真研究

ＲｅｓｅａｒｃｈｏｎＣｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎｏｆＳ ——ＬａｙｉｎｇＰｉｐｅｌｉｎｅ
ＺＡＮＹｉｎｇ — ｆｅｉ，ＨＡＮＤｕａｎ — ｆｅｎｇ，ＹＵＡＮＬｉ—ｈａｏ（ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＳｈｉｐｂｕｉｌｄｉｎｇＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＨａｒｂｉｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，ＨｅｉｌｏｎｇｊｉａｎｇＨａｒｂｉｎ１５０００１，Ｃｈｉｎａ）
第３３卷第Ｏ２期
文章编号：１００６—９３４８（２０１６）０２—０３０８—０５
计算机底Ｓ型管道铺设形态分析仿真研究
昝英飞，韩端锋，袁利毫
（哈尔滨工程大学船舶工程学院，黑龙江哈尔滨１５０００１）
摘要：ｓ型管道铺设形态分析一直是进行海底管道铺设的首要问题，由于管道各部分的受力不同影响了管道各部分形态，从而导致准确计算管道形态具有很大的难度。基于ｓ型管道的形态特点将管道划分为五个部分，提出多分段形态模型数值方法，根据各部分的受力特点建立微分方程，利用管道的几何与力学连续性边界条件通过牛顿迭代法求解管道形态。通过将计算结果与商业软件Ｏｒｃａｆｌｅｘ进行对比，以保证所采用分析方法的准确性。然后考虑了管道嵌入土壤的形态情况，针对管道参数对ｓ型管道形态的影响进行了仿真分析，仿真结果表明管道壁厚与管道直径的变化对ｓ型管道的形态有重要的影响，而且管道嵌入土壤的形态也随着参数的变化具有显著差别。采用多分段形态模型数值方法进行的ｓ型铺管的形态与仿真，对实际的ｓ型铺管作业的管道构形具有很好的指导作用。关键词：Ｓ型铺管；管道形态；管土作用；数值分析中图分类号：ＴＰ３９１．９文献标识码：Ｂ

大型深水导管架千斤顶系统装船分析

第7期张平,等:大型深水导管架千斤顶系统装船分析-137 •大型深水导管架千斤顶系统装船分析张平，张林，黄先超，刘全刚（海洋石油工程（青岛）有限公司，山东青岛266555）摘要:导管架是油气田开采的基础平台之一,是由导管、拉筋和各类附件连接组成的三维空间框架钢结构，在滑道上建造完成后通过装船作业移动到驳船上。

南海某CEP 深水导管架采用750 t 拉力千斤顶系统拖拉装船,装船作业前准备工作需要综合考虑导管架重量重心、摩擦系数、系泊系统布置、潮汐水文情况等多种因素，并对各项因素进行分析和风险控制。

关键词：中心导管架;千斤顶系统;装船中图分类号：TE95 文献标识码：B文章编号：'008-02'X （202'）07-0'37-03近年来，油气田开采项目水深逐渐增加，导管架的尺寸吨位也随之提升，传统的装船方式已不能满足大型导管架装船牵引力需求，千斤顶系统装船的应用则愈加增多。

千斤顶装船需要在准备阶段对影响装船的各项因素进行分析和计算,本文结合此导管架，对千斤顶系统装船方法进行探讨。

1导管架建造阶段南海某气田群项目坐落于南海西部海域，作业水深110- 140m,属于深水油气田项目。

以其项目群中的导管架为例，其共有8根导管，六层水平片，底部标高尺寸为76 mx66叫水深 117.6叫设计吊重约12000 t 。

图1南海某CEP 导管架模型此导管架是典型的深水导管架,根据导管架设计重量，选择30000 t 级滑道的4#滑道纵向卧式建造;其结构形式复杂、附件多、自重大，对地基承载力要求较高，在建造前应进行承载力复核:根据滑道承载力计算书，在应力相对集中的靠近码头前沿的区域，其K9轴-K13轴的105 m 范围内的荷载标准值为表1200 t/m 2；在K13轴到码头前沿21 m 的范围内荷载标准值为350 t/m 2,满足要求。

建造时在滑道特氟龙板上涂抹特氟龙润滑剂，并在滑靴木头上涂抹黄油,以提供合理的摩擦系数。

铺管船最全ppt学习资料PPT培训课件

应用领域拓展
深海铺管
随着深海资源的开发利用，未来铺管船将更多地应用于深海管道铺设，满足深海油气开发等需求。
跨洋通信光缆铺设
随着全球互联网和通信技术的发展，跨洋通信光缆的需求不断增加，铺管船将在此领域发挥重要作用。
核废料处理
核废料处理是全球面临的难题，未来铺管船可能被用于海底核废料储存和处理设施的建设。
正常使用。
管道检测
利用先进的检测设备对海底管道进行检测，及时发现和排除各种故障
和隐患。
海洋工程
除了管道铺设外，铺管船还可以用于海洋石油平台的建设和维护等工
程。
性能参数
航速
铺管船的航速一般在10-15节左右，根据需要可以进行调整。
排水量
根据船型和任务需求，排水量可以从几百吨到上万吨不等。
分类
根据管道直径的大小、铺设水深的深浅以及作业海域的难易程度等因素，可以对铺管船进行更加细致的分类。不同类型的铺管船具有不同的特点和适用范围，选择合适的铺管船是保证管道铺设工程顺利完成的关键。
02
铺管船结构与功能
主要结构
01
02
03
04
船体
提供浮力，支撑整个铺管船的重量，保证其稳定性和安全性
THANKS
素和经验。
06
未来铺管船发展趋势与展望
技术创新与升级
自动化技术
智能化决策支持系统
随着自动化技术的不断发展，未来铺管船将更加依赖自动化系统，实现更高效、精准的管道铺设。
通过智能化决策支持系统，铺管船能够根据实时数据和历史数据，自动调整施工参数，提高施工效率。
新型材料应用
新型材料如高强度轻质材料、耐磨材料等将被应用于铺管船的制造，提高其性能和寿命。

SPMT工艺装船船体实时姿态测量方法研究

SPMT工艺装船船体实时姿态测量方法研究SPMT（Self-Propelled Modular Transporter）是一种现代化的工艺装船设备，用于将大型结构如船体、桥梁等从陆地运输到水中。

在使用SPMT进行船体装船时，为了确保装船过程中船体的安全和稳定性，需要对船体的实时姿态进行精确测量。

本文将探讨SPMT工艺装船船体实时姿态测量方法的研究。

首先，为了实现船体的实时姿态测量，需要在船体上安装一定数量的传感器。

这些传感器可以记录船体的姿态变化，并将数据传输到监控中心进行处理。

常用的传感器包括倾斜传感器、加速度传感器、陀螺仪等。

这些传感器可以测量船体的倾斜角度、旋转角度等参数，帮助监控人员了解船体的实时状态。

其次，监控中心通过处理传感器数据，可以实时监测船体的姿态变化。

监控中心通常配备有专门的软件，可以对传感器数据进行实时处理和分析，从而得出船体的实时姿态。

监控中心还可以设置警报机制，一旦发现船体姿态超出安全范围，就会发出警报提醒操作人员及时采取措施。

此外，为了提高实时姿态测量的准确性，可以采用多传感器融合的方法。

通过结合不同类型的传感器，并利用融合算法对传感器数据进行融合，可以消除传感器误差，提高姿态测量的精度。

同时，还可以利用模型预测技术，根据传感器数据和船体动力学模型，预测船体未来的姿态变化，从而更好地控制船体装船过程。

最后，为了验证实时姿态测量方法的有效性，需要对其进行实际应用和验证。

通过在实际装船场景中使用SPMT工艺进行船体装船，并实时监测船体姿态变化，可以验证实时姿态测量方法的准确性和可靠性。

通过不断改进和优化实时姿态测量方法，可以提高船体装船的安全性和效率，为大型结构的运输提供更好的技术保障。

综上所述，SPMT工艺装船船体实时姿态测量方法是一个重要的技术问题，通过在实际应用中不断探索和改进，可以为大型结构的运输提供更好的技术支持，确保装运过程安全和顺利进行。

希望本文的研究成果能够为相关领域的专业人士提供有益参考，推动该领域的进一步发展和创新。

HYSY201深水铺管起重船吊机旋转平衡系统制造工艺

HYSY201深水铺管起重船吊机旋转平衡系统制造工艺吴志星;高指林;张国中;商长树【摘要】论述了我国首条深水铺管船HYSY201号起重船吊机旋转平衡系统的制造工艺,并提出了制造精度控制要点,针对制造过程中出现的问题提出了解决办法.%This paper discusses the manufacturing technology of the slewing system for the first HYSY201 deep water pipe-laying vessel in China, comes up with the control points for manufacturing accuracy, and then puts forward the solution for the problems in the manufacturing process.【期刊名称】《起重运输机械》【年(卷),期】2012(000)005【总页数】3页(P93-95)【关键词】旋转平衡系统;制造工艺;精度控制;激光跟踪仪【作者】吴志星;高指林;张国中;商长树【作者单位】海洋石油工程股份有限公司天津 300452;海洋石油工程股份有限公司天津 300452;海洋石油工程股份有限公司天津 300452;海洋石油工程股份有限公司天津 300452【正文语种】中文【中图分类】TH16深水铺管起重船HYSY201号，是我国第一条设计作业水深为3 000 m的深水铺管船，吊机全回转最大起重能力为4 000 t，由中国海洋石油总公司投资。

其中吊机由荷兰GUSTO公司总承包并负责详细设计和监造，海洋石油工程股份有限公司制造。

吊机主结构主要由底座环、旋转平台、扒杆、A字架、旋转平衡系统和其他辅助结构组成。

如图1所示，在竖直方向，旋转平衡系统的顶板与旋转平台通过螺栓连接。

在径向，通过连接板与旋转平台的扇形翅连接，旋转平台通过直径为1 470 mm的KINGPIN(销轴)与底座环中心连接，通过驱动系统使吊机绕中心销轴全回转，使旋转平衡系统在吊机底座环的上下轨道运行。

沉管隧道管节浮运操纵运动模拟

管节拖航浮运系统包含拖轮控制、航迹显示、数据存储等模块，是管节拖航浮运仿真实验平台，能够获得航道、转向区、基槽区浮运模拟轨迹和实验数据，可直观分析拖船和管节的拖航运动过程，利用航迹推算，提供航迹预判功能。在条件允许的情况下，管节实际拖航过程中，该系统能实时接收现场风、浪、流及 GPS 等数据，进行现场仿真实验，为拖船的拖力使用和拖带角度提供科学依据。 3.1 系统运行流程根据系统框架设计运行流程，如图 2 ，主要包括：“ 信息输入 ”、“ 仿真实验 ”、“ 结果输出 ” 三个部分。桌面系统采用 ADO 技术绑定后台数据库，自动采集实验过程中管节的经纬度、航速等动态信息和拖轮操作信息存储到 ACCESS 数据库中，以便数据分析。 “信息输入 ”：用户将设计的实验工况信息或实测数据输入系统，主要包括管节的初始位置、姿态和水文气象信息。桌面系统预留串口通性接口，用于接入外部实测数据。 “ 仿真试验 ”：用户通过控制拖轮的档位、拖带角度和长度等，操纵管节运动，使管节的运抵目的地。 “ 结果输出 ”：仿真实验结束后，选择航迹显示，可以保存管节和拖轮航迹，并测量航迹带宽度。查找复制 ACCESS 数据库，保存仿真实验数据。
力和力矩在计算单个拖轮的合力和力矩最后得出拖轮组合的合力及力矩。
1
项目背景
本文以港珠澳沉管隧道工程为背景，研究管节在航道、转向区、基槽内浮运的操控性。港珠澳大桥，跨越珠江口伶仃洋海域，是集路、桥、岛、隧为一体的工程。全长 49.968 公里，总投资为 729.4 亿（追加至 900 亿）。港珠澳大桥岛隧工程是港珠澳大桥主体工程技术最复杂、建设难度最大的部分。为适应沉管隧道各部分管节顺利浮运与沉放，工程预制两条浮运航线，现截取其中基槽转向的某一段重点研究。

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第一作者简介：吴有力（１９８１一），男，大学，工程师研究方向：船舶与海洋工程操纵性研究
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波浪仿真海洋特效仿真大气环境仿真碰撞检测场景调度与管理三通道显示
定位）、常用特效设置（如云、雾、雨、火和声效等）
管起重船，该项目是国内自主设计和建造的第一个深水海洋工程船舶装备项目。船长２０４．６５ｍ，型宽３９．２ｍ，型深１４ｍ，设有世界上最先进的ＤＰ３动力定位系统，全电力推进并设置了７个推进器，具备３０００ｍ级深水铺管能力和４０００ｔ级重型起重能力。该船不仅可适用于海上石油平台上部模块等大件的吊装与拆除、导管架的辅助下
关键词：深水铺管起重船；视景仿真；三维建模；程序开发
中图分类号：Ｕ６７４．３文献标志码：Ａ文章编号：１６７１－７９５３（２０１３）０２－０１３９－０５
海洋石油２０１船是中国首艘３０００ｍ深水铺
深水铺管起重船作业视景仿真研究
吴有力，袁利毫，徐家哲，周小龙，徐文
（中国舰船研究设计中心，武汉４３００６４）
摘
要：基于三维建模软件ＭｕｌｔｉＧｅｎＣｒｅａｔｏｒ、实时仿真软件ＶｅｇａＰｒｉｍｅ和程序开发软件ＶｉｓｕａｌＳｔｕｄｉｏ
驾驶模拟视景仿真子系统Ｊ。
１系统总体设计
１．１系统原理概述
视景仿真程序设（ｖｅｇａｐｒｉｍｅ应用）
基于ＶｅｇａＰｉｒｍｅ视景仿真主要包括三部分。视景模型的预处理、ＬｙｎＸＰｉｒｍｅ图形界面设计和视景仿真程序设计。视景模型的预处理主要有两个部分即ＭｕｈｉＧｅｎＣｒｅａｔｏｒ三维建模软件和Ｃｒｅａ．ｔｏｒＴｅｒｒａｉｎＳｔｕｄｉｏ（ＣＴＳ）大面积地形建模；ＬｙｎＸＰｉｒｍｅ图形界面设计主要包括基本环境设置、模型初始位置（主要指精细模型在大场景模型中的
视点切换
场景渲染
景输出显
收稿日期：２０１２— ０６—１１修回日期：２０１２—０７— ０２
图１基于ＭｕｌｔｉｇｅｎＣｒｅａｔｏｒ和ＶｅｇａＰｒｉｍｅ的视景仿真开发流程
水与就位，最重要的将用于深海海底油气管道的
和大场景应用设置等内容；视景仿真程序设计主
要完成整个仿真过程，为用户提供实时流畅的视景仿真结果，它可以通过ＶｅｇａＰｉｒｍｅ提供的ＡＰＩ函数直接调用视景模型预处理生成的模型库，还
２００５开发深水铺管起重船驾驶模拟系统的视景仿真子系统，结合深水铺管起重船实际作业环境特点和训练要求，逼真模拟了深水铺管起重船的航行环境，以三通道视景显示技术直观再现船舶海上航行状态和作业场
景，包括场景漫游、波浪仿真、海洋特效、大气环境仿真和碰撞检测，为驾驶人员的桌面级驾驶培训提供感官上真实生动的虚拟场景。
第４２卷
第２期
船海工程
ＳＨＩＰ＆ＯＣＥＡＮＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ
ＶｏＩ．４２ＮＯ．２Ａｐｒ．２０１３
２０１３年０４月
ＤＯＩ：１０．３９６３／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７１－７９５３．２０１３．０２．０４１
换和渲染场景等内容。基于ＶｅｇａＰｒｉｍｅ视景仿真
铺设、维修等作业。基于先进的仿真技术、网络技术、系统集成技术和多媒体技术，研究直观地反应深水铺管起重船海上航行及作业的特点和规律的
三部分之间的关系及仿真框架设计见图１。
可以调用由ＬｙｎＸＰｉｒｍｅ图形界面设计生成的．
ａｅｆ文件实现对视景模型库进行控制，通过接收仿
真数据对整个场景进行驱动。主要内容包括波浪
仿真、海洋特效仿真、大气环境仿真、碰撞检测与响应、目标船运动仿真、场景调度与管理、视点切