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水下應急維修半物理仿真方法及系統應用 版權信息
- ISBN:9787030656506
- 條形碼:9787030656506 ; 978-7-03-065650-6
- 裝幀:一般膠版紙
- 冊數:暫無
- 重量:暫無
- 所屬分類:>
水下應急維修半物理仿真方法及系統應用 內容簡介
本書從半物理仿真系統設計、開發及測試等方面進行全面、深入的系統分析和研究,提出水下應急維修半物理仿真系統的系統結構、接口、軟硬件平臺、測試平臺及測試標準體系等,對我國半物理仿真技術的研究具有重要的參考價值。 本書不但能作為半物理系統仿真和海洋工程交叉領域科研工作者的理論指導用書和計算機、自動化及海洋工程專業研究生的教學用書,而且還能作為半物理仿真設計開發者的指導手冊。
水下應急維修半物理仿真方法及系統應用 目錄
叢書序
前言
第1章 概述 1
第2章 水下應急維修半物理仿真原理 4
2.1 水下應急維修半物理仿真系統總體架構 4
2.2 水下應急維修半物理仿真系統硬件集成原理 4
2.3 水下應急維修半物理仿真系統軟件集成原理 7
2.4 水下應急維修半物理分布式仿真原理 9
2.4.1 分布式虛擬仿真 10
2.4.2 場景管理和資源管理 13
2.4.3 并行場景繪制 14
2.5 水下應急維修半物理仿真系統通信與控制原理 17
2.6 運動控制模擬子系統集成原理 20
2.7 水下應急維修半物理仿真系統測試原理 25
2.7.1 測試指標體系與測試方法 26
2.7.2 系統單元測試 27
2.7.3 系統集成測試 30
2.7.4 系統測試平臺 31
第3章 水下應急維修半物理仿真系統關鍵技術 32
3.1 虛擬現實技術 32
3.1.1 虛擬現實技術的基本概念 32
3.1.2 虛擬現實的3I特性 33
3.1.3 虛擬現實系統分類 34
3.1.4 虛擬現實技術的發展 37
3.1.5 虛擬現實系統組成 38
3.1.6 典型虛擬現實系統 39
3.1.7 虛擬現實交互技術 40
3.1.8 增強現實技術 43
3.2 水下應急維修半物理仿真系統軟件 46
3.2.1 虛擬現實建模語言 46
3.2.2 虛擬現實建模軟件 47
3.2.3 虛擬現實開發軟件 47
3.2.4 虛擬現實軟件接口 54
3.2.5 虛擬現實平臺對接方案 56
3.3 水下應急維修半物理仿真系統硬件 58
3.3.1 輸入設備 58
3.3.2 輸出設備 65
3.3.3 服務器 72
3.3.4 圖像邊緣融合與無縫拼接設備 73
3.3.5 主被動立體信號轉換器 73
3.3.6 圖像數字幾何矯正設備 74
3.4 多通道三維視景仿真原理 75
3.4.1 三維立體視景仿真 75
3.4.2 三通道分布式繪制 75
第4章 水下應急維修半物理仿真系統軟硬件集成 79
4.1 分布式仿真系統網絡開發及集成 79
4.1.1 HLA技術簡介 79
4.1.2 面向分布式仿真的開發框架 82
4.1.3 分布式仿真中的數據管理體系結構 84
4.1.4 分布式仿真中的交互數據管理 88
4.1.5 聯邦成員內部的數據管理 91
4.1.6 分布式網絡的測試 94
4.2 三維視景仿真原理 96
4.2.1 三維視景系統總體設計 96
4.2.2 三維視景系統的開發環境 98
4.2.3 水下維修三維視景 101
4.2.4 三維視景系統開發路線 104
4.2.5 維修工具三維視景仿真建模技術 112
4.3 動力學仿真原理 118
4.3.1 基于Vortex的實時動力學仿真 118
4.3.2 動力學仿真的實現 128
4.4 水下應急維修半物理仿真系統硬件平臺 138
第5章 水下應急維修半物理仿真系統接口設計方法 140
5.1 系統結構設計方法 140
5.1.1 系統邏輯結構設計 140
5.1.2 聯邦成員的功能劃分 140
5.2 分布式動力學仿真的交互設計方法 141
5.3 第三方軟件接口 144
第6章 水下應急維修方法及工機具 146
6.1 水下應急維修方法 146
6.1.1 海底管道點泄漏的夾具快速止漏法 146
6.1.2 海底管道破損段的跨接管替換方法 148
6.1.3 海底管道破損段的不停產搶修方法 151
6.1.4 海底管道法蘭連接修復方法 153
6.1.5 立管點泄漏的夾具快速止漏法 155
6.1.6 立管斷裂應急處理搶修方法 156
6.1.7 水下管匯密封泄漏的應急維修方法 158
6.1.8 剛性跨接管破壞的應急處理與搶修方法 160
6.1.9 柔性跨接管破壞的應急處理與搶修方法 162
6.1.10 水下采油樹各部件失效的快速置換方法 163
6.1.11 海底管道破損的緊急封堵方法 167
6.1.12 海底管道漏油應急收集方法 170
6.2 水下應急維修工機具功能和結構 172
6.2.1 作業船 172
6.2.2 吊機 173
6.2.3 絞車 174
6.2.4 ROV 175
6.2.5 多功能切割機具 184
6.2.6 提管架 190
6.2.7 ADS 194
6.2.8 封堵機 198
6.2.9 HOV 202
6.2.10 控油罩 205
第7章 水下應急維修水動力分析及風險評估方法 207
7.1 水下設備在海洋環境中的水動力仿真 207
7.2 水下設備的風險評估 211
第8章 水下應急維修半物理仿真運動控制模擬方法 215
8.1 吊機仿真模擬器系統架構 215
8.2 吊機仿真模擬器系統硬件平臺開發 215
8.2.1 硬件系統的組成 215
8.2.2 吊機仿真模擬器設計 216
8.2.3 元件選擇與功能實現 221
8.2.4 PLC系統配置與選型 223
8.2.5 控制柜內PLC布局設計 224
8.2.6 數據庫服務器 224
8.2.7 模型解算服務器 225
8.3 吊機仿真模擬器軟件平臺開發 225
8.3.1 吊機仿真模擬器軟件功能介紹 225
8.3.2 吊機仿真模擬器軟件架構 226
8.3.3 吊機仿真模擬器軟件實現 228
8.3.4 數據通信協議OPC(通信模塊) 230
8.3.5 OPC轉換程序詳細設計 232
8.3.6 系統網絡配置圖 232
8.3.7 系統主要軟件配置 232
8.4 絞車仿真子系統總體架構 234
8.5 絞車仿真子系統硬件平臺開發 237
8.5.1 絞車仿真子系統硬件組成 237
8.5.2 模擬器設計 237
8.5.3 元件選擇與功能實現 241
8.5.4 PLC控制系統配置與選型 241
8.6 絞車仿真子系統軟件系統開發 242
8.7 水下機器人運動模擬系統設計 244
第9章 水下應急維修半物理仿真模型庫管理方法 250
9.1 模型庫管理子系統程序系統的結構 250
9.2 模型庫管理子系統詳細設計 251
9.2.1 程序設計 251
9.2.2 功能 254
9.2.3 性能 256
9.2.4 輸入項 257
9.2.5 輸出項 258
9.2.6 算法 258
9.2.7 流程邏輯 258
9.2.8 接口 263
9.2.9 注釋設計 263
9.2.10 限制條件 263
9.2.11 測試計劃 264
第10章 水下應急維修半物理仿真考核評分方法 266
10.1 考核評分系統結構設計 266
10.2 考核評分系統功能設計 266
10.3 考核評分系統工作流程 267
10.4 考核評分系統軟件實現 268
10.4.1 典型案例步驟分解 268
10.4.2 評分方法 269
10.5 系統開發平臺 271
10.5.1 MFC 271
10.5.2 Microsoft SQL Sever 272
10.5.3 HLA 273
第11章 水下應急維修半物理仿真系統教練員站 274
11.1 教練員站系統的結構及數據交互設計 274
11.2 教練員站系統詳細設計 275
11.2.1 程序設計 275
11.2.2 功能 281
11.2.3 性能 282
11.2.4 輸入項 284
11.2.5 輸出項 284
11.2.6 算法 284
11.2.7 流程邏輯 284
11.2.8 接口 286
11.2.9 注釋設計 286
11.2.10 限制條件 286
11.2.11 測試計劃 287
第12章 水下應急維修半物理仿真的應用 288
12.1 水下應急維修半物理仿真系統主場景配置 288
12.2 海底管道破損段的不停產搶修的仿真實施 289
12.2.1 主場景配置 289
12.2.2 仿真所需模型 289
12.2.3 作業工序 290
12.3 水下采油樹底部密封失效應急維修的仿真實施 301
12.3.1 主場景配置 301
12.3.2 仿真所需模型 302
12.3.3 作業工序 302
第13章 水下應急維修半物理仿真測試 319
13.1 系統集成測試 319
13.1.1 系統測試所用的設備 319
13.1.2 系統測試科目及技術指標 324
13.1.3 系統運行檢測 325
13.1.4 系統功能測試 325
13.1.5 系統實時性測試 326
13.1.6 系統時空一致性測試 327
13.1.7 系統仿真精度測試 327
13.1.8 系統穩定性測試 331
13.2 系統評價指標體系 333
13.2.1 指標體系的建立遵循的原則 333
13.2.2 指標體系架構及系統總體評價方法 334
13.2.3 單元評價體系 335
13.2.4 系統評價體系 338
參考文獻 341
彩圖
水下應急維修半物理仿真方法及系統應用 節選
第1章 概述 相對于水面各種形式的浮式系統來講,在深水油氣資源開發中,使用水下系統可以避免建造昂貴的海上采油平臺,節省大量建設投資,且受災害天氣影響較小,可靠性強。隨著技術的不斷成熟和發展,水下生產系統在深水工程中的應用越來越多[1]。典型的水下生產系統[2,3]如圖1.1所示。隨著國際深水油氣資源的大規模勘探開采,水下工程技術[4-6]得到了很大的發展。但是,水下工程技術具有的高風險、高科技的特點,尤其是深水的復雜環境,使水下系統事故帶來的后果更嚴重,對事故、故障的應急處理更復雜、更重要。2010年,“深水地平線”平臺爆炸導致的墨西哥灣漏油事故[7],導致當地的海洋生態環境受到嚴重威脅,英國石油公司(BP)經過長期的努力,雖然嘗試了各種辦法,但很多預案都沒能成功阻止原油泄漏。油田的所有者英國石油公司(BP)不僅面臨美國政府的巨額罰款,而且公司股票大幅下跌,造成了異常嚴重的經濟損失。因此,為了盡可能將水下生產系統設施發生故障后的影響降到*低,需要對水下設施應急維修系統開展深入研究,以保障深水油氣資源的安全開發。 圖1.1 典型的水下生產系統(文后附彩圖) PLET:管道終端;PLEM:管匯終端;UTA:臍帶纜終端;FPS0:浮式生產儲油輪 水下設施應急維修系統中*核心的內容是水下作業裝備[8,9]、工具[10]和水下作業技術與工藝。近年來,世界水下工程技術的研究開發重點已從常規有人潛水技術向大深度無人遙控潛水方向發展,水下機器人(remote operated vehicle,ROV)[11]、載人潛水器(human occupied vehicle,HOV)[12]、單人常壓潛水裝具(atmospheric diving suit,ADS)[13]等被廣泛應用于深水海洋工程的勘探、開采、監測、檢測和維修。目前,在大深度情況下,ROV與自主式水下運載器、HOV的聯合作業已成為深海作業的一種重要手段。 在我國,經過多年的發展、建設和實踐,已基本具備了研制各種不同類型HOV的能力;ROV的研制和應用也取得了較大的進展,我國已經研制開發多種觀察型或輕作業型ROV;同時,也初步具備開發、研制常規潛水裝具、裝備及飽和潛水設備系統的能力。但是,國內的深水作業裝備總體開發水平還比較低,沒有系統地進行工程化應用,國產化、產業化程度均不高,還沒有擁有系統的深水水下作業能力。國內目前研發的水下作業工具絕大多數屬于潛水員人工操作類型,且深水水下作業工具的研發剛剛起步[14]。目前,深水水下作業裝備和工具幾乎被少數幾個發達國家壟斷,購買、使用、維護和維修費用昂貴,加之國外對我國實施技術封鎖與保密措施,嚴重制約了我國深水油氣田的開發,因此我國急需研發深水水下作業裝備和工具。 針對海上油氣田水下設施應急維修作業需求,需要開發由HOV、ROV、ADS、飽和潛水等設備和水下作業工具系統組成的、*大工作水深為1500m的深水水下作業裝備及相關作業工藝與技術,實現水下生產系統設施的安裝更換與維修、緊急工況下水下閥門操作、海底管道巡檢與維修及深水鉆井支持與生產服務,將為海上油氣田安全生產提供有力保障,并形成具有自主知識產權的深水水下工程維修技術及相關能力,填補我國深水工程作業技術的空白。 我國南海油氣資源豐富,但深水油氣勘探開發裝備與技術還遠遠落后于國際先進水平。深水油氣開發面臨復雜的油氣藏特性及惡劣的海洋環境條件,因此必須加強深水海洋工程裝備和技術的攻關。隨著海洋工程技術的發展和海上油田水深的增加,水下生產系統研發已經成為國際深水油氣資源開發的重要趨勢。水下設施應急維修系統是水下生產系統安全生產的重要保障,是深水水下工程必不可少的環節,也是深水油氣資源開發體系不可或缺的重要組成部分。水下設施應急維修系統的研究將為我國深水油氣資源的開發提供有力的支撐和保障,也必將為我國海洋工程企業走向國際提供技術和裝備支持。 要設計開發新的工藝和設備,對已有案例的深入研究和分析必不可少,只有在此基礎上,才能使所設計的新工藝更加合理,所開發的新設備更加高效。既要對國內外案例進行調研分析,包括對工藝、維修設備和工具的合理性和有效性進行分析,也要結合現有技術發展,對維修工藝進行改進,對新工藝所需維修設備和機具的性能進行研究。這些是其他研究任務順利進行的前提條件,并保證其他各項任務的研究朝正確的方向進行。研發水下應急維修半物理仿真系統可以大幅提高相關資料與信息的管理效率,整體提升事故應對能力。 第2章 水下應急維修半物理仿真原理 2.1 水下應急維修半物理仿真系統總體架構 水下應急維修半物理仿真系統總體架構不僅確定了系統的組織架構和拓撲結構,還顯示了系統需求和構成系統各元素之間的對應關系。在進行系統架構設計時,要遵循如下原則。 (1)*大化服用原則。服用包括構件的服用和設計模式的使用等多方面。 (2)復雜問題簡單化原則。這也是中間件和多層技術的根本目標。 (3)靈活擴展性原則。具備靈活的可擴展性是指用戶可以在架構上進行二次開發或更加具體的開發。 水下應急維修半物理仿真系統是面向超大規模復雜場景的分布式虛擬現實系統,體現在以下三個方面:①應急維修仿真系統虛擬場景并發訪問數多,需要大量的硬件輸入設備對場景進行操作;②客戶端虛擬程序實時繪制的數據量大,在水下應急維修半物理仿真系統中,需要繪制大面積的三維海洋及各種設備;③水下應急維修半物理仿真系統的場景數據不僅包括基礎地理數據(地形高程數據、海洋高程數據和影像數據),還有大量的應用業務數據(二維幾何模型、三維幾何模型、音視頻、圖像、矢量圖形和文字等)的超量聚合。因此,根據水下應急維修半物理仿真系統的需求分析,遵循項目建設的技術原則,充分考慮水下應急維修半物理仿真系統的可用性、實用性、可維護性、先進性、可擴展性和安全性等各方面,系統采用多層邏輯架構設計。系統的實際架構如圖2.1所示。表2.1對水下應急維修半物理仿真系統的架構層次進行了說明。 2.2 水下應急維修半物理仿真系統硬件集成原理 水下應急維修半物理仿真系統是面向超大規模復雜場景的分布式虛擬現實系統[15],在一臺服務器上無法完成如此大的場景,因此在網絡體系上要采用分布式的網絡架構來實現分布式的場景圖,在以上水下應急維修半物理仿真系統多層架構的基礎上,網絡、服務器及圖形等設備之間通過千兆以太網連接。本書提出的水下應急維修半物理仿真系統硬件部署如圖2.2所示。水下應急維修半物理仿真系統房間部署如圖2.3所示。 圖2.1 水下應急維修半物理仿真系統架構圖 表2.1 水下應急維修半物理仿真系統架構層次說明 圖2.2 水下應急維修半物理仿真系統硬件部署圖[A3] 24口千兆網絡交換機:進行與相連設備間的網絡數據交換;圖形工作站:分布式場景圖繪制,并輸出視頻信號;主動立體投影機:采用主動立體投影方式進行視頻輸出;教練員站:教練員進行操作的工作站;操作員站:操作員進行培訓考核的工作站 圖2.3 水下應急維修半物理仿真系統房間部署圖 音箱:音頻處理與輸出;計算服務器:負責接收操作控制數據并進行水下動力學等物理仿真數據的實時計算,并將計算結果傳遞給視景仿真系統;數據中心:用于存儲、查詢和備份仿真訓練中的數據
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