第1章 概述
　　相对于水面各种形式的浮式系统来讲，在深水油气资源开发中，使用水下系统可以避免建造昂贵的海上采油平台，节省大量建设投资，且受灾害天气影响较小，可靠性强。随着技术的不断成熟和发展，水下生产系统在深水工程中的应用越来越多[1]。典型的水下生产系统[2，3]如图1.1所示。随着国际深水油气资源的大规模勘探开采，水下工程技术[4-6]得到了很大的发展。但是，水下工程技术具有的高风险、高科技的特点，尤其是深水的复杂环境，使水下系统事故带来的后果更严重，对事故、故障的应急处理更复杂、更重要。2010年，“深水地平线”平台爆炸导致的墨西哥湾漏油事故[7]，导致当地的海洋生态环境受到严重威胁，英国石油公司(BP)经过长期的努力，虽然尝试了各种办法，但很多预案都没能成功阻止原油泄漏。油田的所有者英国石油公司(BP)不仅面临美国政府的巨额罚款，而且公司股票大幅下跌，造成了异常严重的经济损失。因此，为了尽可能将水下生产系统设施发生故障后的影响降到*低，需要对水下设施应急维修系统开展深入研究，以保障深水油气资源的安全开发。
　　图1.1 典型的水下生产系统(文后附彩图)
　　PLET：管道终端；PLEM：管汇终端；UTA：脐带缆终端；FPS0：浮式生产储油轮
　　水下设施应急维修系统中*核心的内容是水下作业装备[8，9]、工具[10]和水下作业技术与工艺。近年来，世界水下工程技术的研究开发重点已从常规有人潜水技术向大深度无人遥控潜水方向发展，水下机器人(remote operated vehicle，ROV)[11]、载人潜水器(human occupied vehicle，HOV)[12]、单人常压潜水装具(atmospheric diving suit，ADS)[13]等被广泛应用于深水海洋工程的勘探、开采、监测、检测和维修。目前，在大深度情况下，ROV与自主式水下运载器、HOV的联合作业已成为深海作业的一种重要手段。
　　在我国，经过多年的发展、建设和实践，已基本具备了研制各种不同类型HOV的能力；ROV的研制和应用也取得了较大的进展，我国已经研制开发多种观察型或轻作业型ROV；同时，也初步具备开发、研制常规潜水装具、装备及饱和潜水设备系统的能力。但是，国内的深水作业装备总体开发水平还比较低，没有系统地进行工程化应用，国产化、产业化程度均不高，还没有拥有系统的深水水下作业能力。国内目前研发的水下作业工具绝大多数属于潜水员人工操作类型，且深水水下作业工具的研发刚刚起步[14]。目前，深水水下作业装备和工具几乎被少数几个发达国家垄断，购买、使用、维护和维修费用昂贵，加之国外对我国实施技术封锁与保密措施，严重制约了我国深水油气田的开发，因此我国急需研发深水水下作业装备和工具。
　　针对海上油气田水下设施应急维修作业需求，需要开发由HOV、ROV、ADS、饱和潜水等设备和水下作业工具系统组成的、*大工作水深为1500m的深水水下作业装备及相关作业工艺与技术，实现水下生产系统设施的安装更换与维修、紧急工况下水下阀门操作、海底管道巡检与维修及深水钻井支持与生产服务，将为海上油气田安全生产提供有力保障，并形成具有自主知识产权的深水水下工程维修技术及相关能力，填补我国深水工程作业技术的空白。
　　我国南海油气资源丰富，但深水油气勘探开发装备与技术还远远落后于国际先进水平。深水油气开发面临复杂的油气藏特性及恶劣的海洋环境条件，因此必须加强深水海洋工程装备和技术的攻关。随着海洋工程技术的发展和海上油田水深的增加，水下生产系统研发已经成为国际深水油气资源开发的重要趋势。水下设施应急维修系统是水下生产系统安全生产的重要保障，是深水水下工程必不可少的环节，也是深水油气资源开发体系不可或缺的重要组成部分。水下设施应急维修系统的研究将为我国深水油气资源的开发提供有力的支撑和保障，也必将为我国海洋工程企业走向国际提供技术和装备支持。
　　要设计开发新的工艺和设备，对已有案例的深入研究和分析必不可少，只有在此基础上，才能使所设计的新工艺更加合理，所开发的新设备更加高效。既要对国内外案例进行调研分析，包括对工艺、维修设备和工具的合理性和有效性进行分析，也要结合现有技术发展，对维修工艺进行改进，对新工艺所需维修设备和机具的性能进行研究。这些是其他研究任务顺利进行的前提条件，并保证其他各项任务的研究朝正确的方向进行。研发水下应急维修半物理仿真系统可以大幅提高相关资料与信息的管理效率，整体提升事故应对能力。
　　第2章 水下应急维修半物理仿真原理
　　2.1 水下应急维修半物理仿真系统总体架构
　　水下应急维修半物理仿真系统总体架构不仅确定了系统的组织架构和拓扑结构，还显示了系统需求和构成系统各元素之间的对应关系。在进行系统架构设计时，要遵循如下原则。
　　(1)*大化服用原则。服用包括构件的服用和设计模式的使用等多方面。
　　(2)复杂问题简单化原则。这也是中间件和多层技术的根本目标。
　　(3)灵活扩展性原则。具备灵活的可扩展性是指用户可以在架构上进行二次开发或更加具体的开发。
　　水下应急维修半物理仿真系统是面向超大规模复杂场景的分布式虚拟现实系统，体现在以下三个方面：①应急维修仿真系统虚拟场景并发访问数多，需要大量的硬件输入设备对场景进行操作；②客户端虚拟程序实时绘制的数据量大，在水下应急维修半物理仿真系统中，需要绘制大面积的三维海洋及各种设备；③水下应急维修半物理仿真系统的场景数据不仅包括基础地理数据(地形高程数据、海洋高程数据和影像数据)，还有大量的应用业务数据(二维几何模型、三维几何模型、音视频、图像、矢量图形和文字等)的超量聚合。因此，根据水下应急维修半物理仿真系统的需求分析，遵循项目建设的技术原则，充分考虑水下应急维修半物理仿真系统的可用性、实用性、可维护性、先进性、可扩展性和安全性等各方面，系统采用多层逻辑架构设计。系统的实际架构如图2.1所示。表2.1对水下应急维修半物理仿真系统的架构层次进行了说明。
　　2.2 水下应急维修半物理仿真系统硬件集成原理
　　水下应急维修半物理仿真系统是面向超大规模复杂场景的分布式虚拟现实系统[15]，在一台服务器上无法完成如此大的场景，因此在网络体系上要采用分布式的网络架构来实现分布式的场景图，在以上水下应急维修半物理仿真系统多层架构的基础上，网络、服务器及图形等设备之间通过千兆以太网连接。本书提出的水下应急维修半物理仿真系统硬件部署如图2.2所示。水下应急维修半物理仿真系统房间部署如图2.3所示。
　　图2.1 水下应急维修半物理仿真系统架构图
　　表2.1 水下应急维修半物理仿真系统架构层次说明
　　图2.2 水下应急维修半物理仿真系统硬件部署图[A3]
　　24口千兆网络交换机：进行与相连设备间的网络数据交换；图形工作站：分布式场景图绘制，并输出视频信号；主动立体投影机：采用主动立体投影方式进行视频输出；教练员站：教练员进行操作的工作站；操作员站：操作员进行培训考核的工作站
　　图2.3 水下应急维修半物理仿真系统房间部署图
　　音箱：音频处理与输出；计算服务器：负责接收操作控制数据并进行水下动力学等物理仿真数据的实时计算，并将计算结果传递给视景仿真系统；数据中心：用于存储、查询和备份仿真训练中的数据

目录
丛书序
前言
第1章 概述 1
第2章 水下应急维修半物理仿真原理 4
2.1　水下应急维修半物理仿真系统总体架构 4
2.2　水下应急维修半物理仿真系统硬件集成原理 4
2.3　水下应急维修半物理仿真系统软件集成原理 7
2.4 水下应急维修半物理分布式仿真原理 9
2.4.1 分布式虚拟仿真 10
2.4.2 场景管理和资源管理 13
2.4.3　并行场景绘制 14
2.5　水下应急维修半物理仿真系统通信与控制原理 17
2.6　运动控制模拟子系统集成原理 20
2.7 水下应急维修半物理仿真系统测试原理 25
2.7.1 测试指标体系与测试方法 26
2.7.2 系统单元测试 27
2.7.3 系统集成测试 30
2.7.4 系统测试平台 31
第3章 水下应急维修半物理仿真系统关键技术 32
3.1 虚拟现实技术 32
3.1.1 虚拟现实技术的基本概念 32
3.1.2　虚拟现实的3I特性 33
3.1.3　虚拟现实系统分类 34
3.1.4 虚拟现实技术的发展 37
3.1.5 虚拟现实系统组成 38
3.1.6 典型虚拟现实系统 39
3.1.7 虚拟现实交互技术 40
3.1.8　增强现实技术 43
3.2　水下应急维修半物理仿真系统软件 46
3.2.1　虚拟现实建模语言 46
3.2.2 虚拟现实建模软件 47
3.2.3 虚拟现实开发软件 47
3.2.4 虚拟现实软件接口 54
3.2.5 虚拟现实平台对接方案 56
3.3 水下应急维修半物理仿真系统硬件 58
3.3.1 输入设备 58
3.3.2 输出设备 65
3.3.3 服务器 72
3.3.4 图像边缘融合与无缝拼接设备 73
3.3.5 主被动立体信号转换器 73
3.3.6 图像数字几何矫正设备 74
3.4 多通道三维视景仿真原理 75
3.4.1 三维立体视景仿真 75
3.4.2 三通道分布式绘制 75
第4章 水下应急维修半物理仿真系统软硬件集成 79
4.1 分布式仿真系统网络开发及集成 79
4.1.1 HLA技术简介 79
4.1.2　面向分布式仿真的开发框架 82
4.1.3　分布式仿真中的数据管理体系结构 84
4.1.4 分布式仿真中的交互数据管理 88
4.1.5　联邦成员内部的数据管理 91
4.1.6 分布式网络的测试 94
4.2 三维视景仿真原理 96
4.2.1 三维视景系统总体设计 96
4.2.2 三维视景系统的开发环境 98
4.2.3 水下维修三维视景 101
4.2.4 三维视景系统开发路线 104
4.2.5 维修工具三维视景仿真建模技术 112
4.3　动力学仿真原理 118
4.3.1　基于Vortex的实时动力学仿真 118
4.3.2 动力学仿真的实现 128
4.4　水下应急维修半物理仿真系统硬件平台 138
第5章 水下应急维修半物理仿真系统接口设计方法 140
5.1 系统结构设计方法 140
5.1.1 系统逻辑结构设计 140
5.1.2 联邦成员的功能划分 140
5.2 分布式动力学仿真的交互设计方法 141
5.3 第三方软件接口 144
第6章 水下应急维修方法及工机具 146
6.1 水下应急维修方法 146
6.1.1 海底管道点泄漏的夹具快速止漏法 146
6.1.2 海底管道破损段的跨接管替换方法 148
6.1.3 海底管道破损段的不停产抢修方法 151
6.1.4 海底管道法兰连接修复方法 153
6.1.5 立管点泄漏的夹具快速止漏法 155
6.1.6 立管断裂应急处理抢修方法 156
6.1.7 水下管汇密封泄漏的应急维修方法 158
6.1.8 刚性跨接管破坏的应急处理与抢修方法 160
6.1.9 柔性跨接管破坏的应急处理与抢修方法 162
6.1.10 水下采油树各部件失效的快速置换方法 163
6.1.11 海底管道破损的紧急封堵方法 167
6.1.12 海底管道漏油应急收集方法 170
6.2 水下应急维修工机具功能和结构 172
6.2.1 作业船 172
6.2.2 吊机 173
6.2.3 绞车 174
6.2.4 ROV 175
6.2.5 多功能切割机具 184
6.2.6 提管架 190
6.2.7 ADS 194
6.2.8 封堵机 198
6.2.9 HOV 202
6.2.10 控油罩 205
第7章 水下应急维修水动力分析及风险评估方法 207
7.1 水下设备在海洋环境中的水动力仿真 207
7.2 水下设备的风险评估 211
第8章 水下应急维修半物理仿真运动控制模拟方法 215
8.1 吊机仿真模拟器系统架构 215
8.2 吊机仿真模拟器系统硬件平台开发 215
8.2.1 硬件系统的组成 215
8.2.2 吊机仿真模拟器设计 216
8.2.3 元件选择与功能实现 221
8.2.4 PLC系统配置与选型 223
8.2.5 控制柜内PLC布局设计 224
8.2.6 数据库服务器 224
8.2.7 模型解算服务器 225
8.3 吊机仿真模拟器软件平台开发 225
8.3.1 吊机仿真模拟器软件功能介绍 225
8.3.2 吊机仿真模拟器软件架构 226
8.3.3 吊机仿真模拟器软件实现 228
8.3.4 数据通信协议OPC(通信模块) 230
8.3.5 OPC转换程序详细设计 232
8.3.6 系统网络配置图 232
8.3.7 系统主要软件配置 232
8.4 绞车仿真子系统总体架构 234
8.5 绞车仿真子系统硬件平台开发 237
8.5.1 绞车仿真子系统硬件组成 237
8.5.2 模拟器设计 237
8.5.3 元件选择与功能实现 241
8.5.4 PLC控制系统配置与选型 241
8.6 绞车仿真子系统软件系统开发 242
8.7 水下机器人运动模拟系统设计 244
第9章 水下应急维修半物理仿真模型库管理方法 250
9.1 模型库管理子系统程序系统的结构 250
9.2 模型库管理子系统详细设计 251
9.2.1 程序设计 251
9.2.2 功能 254
9.2.3 性能 256
9.2.4 输入项 257
9.2.5 输出项 258
9.2.6 算法 258
9.2.7 流程逻辑 258
9.2.8 接口 263
9.2.9 注释设计 263
9.2.10 限制条件 263
9.2.11 测试计划 264
第10章 水下应急维修半物理仿真考核评分方法 266
10.1 考核评分系统结构设计 266
10.2 考核评分系统功能设计 266
10.3 考核评分系统工作流程 267
10.4 考核评分系统软件实现 268
10.4.1 典型案例步骤分解 268
10.4.2 评分方法 269
10.5 系统开发平台 271
10.5.1 MFC 271
10.5.2 Microsoft SQL Sever 272
10.5.3 HLA 273
第11章 水下应急维修半物理仿真系统教练员站 274
11.1 教练员站系统的结构及数据交互设计 274
11.2 教练员站系统详细设计 275
11.2.1 程序设计 275
11.2.2 功能 281
11.2.3 性能 282
11.2.4 输入项 284
11.2.5 输出项 284
11.2.6 算法 284
11.2.7 流程逻辑 284
11.2.8 接口 286
11.2.9 注释设计 286
11.2.10 限制条件 286
11.2.11 测试计划 287
第12章 水下应急维修半物理仿真的应用 288
12.1 水下应急维修半物理仿真系统主场景配置 288
12.2 海底管道破损段的不停产抢修的仿真实施 289
12.2.1 主场景配置 289
12.2.2 仿真所需模型 289
12.2.3 作业工序 290
12.3 水下采油树底部密封失效应急维修的仿真实施 301
12.3.1 主场景配置 301
12.3.2 仿真所需模型 302
12.3.3 作业工序 302
第13章 水下应急维修半物理仿真测试 319
13.1 系统集成测试 319
13.1.1 系统测试所用的设备 319
13.1.2 系统测试科目及技术指标 324
13.1.3 系统运行检测 325
13.1.4 系统功能测试 325
13.1.5 系统实时性测试 326
13.1.6 系统时空一致性测试 327
13.1.7 系统仿真精度测试 327
13.1.8 系统稳定性测试 331
13.2 系统评价指标体系 333
13.2.1 指标体系的建立遵循的原则 333
13.2.2 指标体系架构及系统总体评价方法 334
13.2.3 单元评价体系 335
13.2.4 系统评价体系 338
参考文献 341
彩图