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用于海上起重机设计和操作的虚拟样机
Yingguang Chu，Lars Ivar Hatleda，Houxiang Zhang ，Vilmar AElig;soslash;y，Souml;ren Ehlers
【摘要】本文介绍了用于海上起重机设计和操作的虚拟原型系统的实现。该研究旨在弥补海上起重机系统仿真中的以下空白。一、虚拟样机系统引入面向整个产品和系统设计、建模、仿真和可视化的开放灵活的平台。二、通过物理和动力学的高保真模型增强了基于所提出框架的虚拟操作模拟器。本文从现代复杂工程系统设计、多域动态系统建模与仿真、通信与可视化的大数据交换等方面论述了复杂多域系统虚拟样机的挑战。该系统的软件体系结构是基于功能模拟接口标准的应用。这利用了当前可用的建模和仿真工具，并允许模型的交换和重用。虚拟环境中的仿真允许从早期设计阶段评估多个权衡和备选解决方案。转向节臂起重机系统的实施作为此案例研究和验证。仿真结果表明，所提出的虚拟样机系统能够有效地解决复杂多域系统仿真中存在已久的问题。
【关键词】虚拟样机 海上起重机 动力学 水力学 可视化 联合仿真
1 引言
海上起重机是海上和水下作业的主要甲板机械，用于搬运、起重和搬运作业。海上起重机设计是一个跨学科的过程，包括机械、液压、动力和控制相关的任务。过去几十年来，在整个产品开发和验证过程中涉及了更多的建模和仿真。然而，与航空航天、汽车等其他工程行业相比，航运业在利用计算机辅助技术进行产品和系统设计方面仍然落后。这部分是由于对这些动态子系统的物理建模和仿真本身就不是简单的任务。更重要的是，不同用户所偏爱的软件工具的首选项为系统模型集成带来了许多挑战[1]。模拟完整系统的集成模型甚至更具挑战性，特别是对于实时操作应用程序。
全球市场日益激烈的竞争环境要求在更短的时间内以更低的成本进行高质量的设计。然而，目前的起重机设计过程远远不能满足频繁变化的要求。海上起重机系统的典型设计过程从客户需求，概念设计和实施设计开始，再到用于测试和评估的系统建模和仿真，以及操作培训模拟器的开发。许多计算机辅助软件工具在设计、建模、分析仿真和3D虚拟现实动画几个阶段中被使用。一方面，计算机辅助工具的使用提高了工作效率，从而节省了时间和成本。另一方面，顺序设计过程的时间和成本仍然有很大的潜力可以被压缩。目前，建模和仿真并不早于设计的实质性完成，即使基本的功能参数(如几何尺寸、工作空间和约束、负载能力)从一开始就已经知道。由于来自不同领域的物理系统模型的复杂性以及不同领域支持的建模工具之间的接口，基于模型的仿真是相互依赖和难以集成的。
海上起重机模拟的另一个关键领域与操作应用有关，由于起重、定位精度、负载摇摆和安全性等固有问题，要求海上起重机操作兼顾工作效率和安全性。与固定式工作平台的陆上起重机不同，海上起重机的工作受到船舶运动和摆锤载荷的影响。如今，起重机操作仍然依赖于经验丰富的操作人员的技能，这通常需要花费大量的时间和成本来为各种类型的起重机和操作场景培训操作人员。文献[2-6]中提出了几种补偿方法。然而，先进的海上起重机智能控制还需要模拟软件和硬件性能的测试和分析。现有的海洋起重机操作中心，如海上模拟中心(OSC)，几乎专门用于船员培训以降低人为事故的潜在风险[7]。动力学仿真场景只是部分集成，通常是简化的，包括惯性特性、接触边界、柔性线、简单的液压策略和流体动力学。建立物理系统的高保真动态模型用于实时仿真是至关重要的，但实现起来相当困难。
为了解决这些问题，本研究介绍了一个通用起重机设计和动态系统仿真的虚拟样机(VP)框架。先前在描述模型集成部分提出了一个延伸的概念[8]。虚拟环境中的仿真依赖于复杂的物理系统模型以及同样复杂的模型交互环境。主要的挑战是能够在短时间内开发出合适的保真度模型，以便能够有效地对设计概念进行评估。虚拟样机系统提供了一个开放灵活的仿真环境，允许进行预测试、故障查找、分析和控制算法验证。这将通过合作的方式提高海运业的工作效率。基于虚拟样机框架的操作模拟器也通过集成物理系统的动态模型得到增强。
论文的其余部分组织如下。第2节简要回顾工程系统发展过程的演变。它着重于计算机辅助技术的支持，复杂多领域动态系统建模和仿真中的挑战以及备选方案的优缺点。这就引导了在一般情况下虚拟样机的采用以及虚拟样机在工程系统设计中的应用。第3节介绍了拟议的用于海上起重机设计和操作的虚拟样机系统框架。第4和第5节介绍了基于节臂式起重机（KBC）系统的动力学模型的开发和集成。第6节介绍了在虚拟样机仿真中操作起重机的仿真结果，以显示起重机系统的行为以及可视化场景。讨论了通信方面的挑战，包括联合仿真和可视化软件的数据交换。最后，第7节概述了本研究的结论和未来工作。
2 文化背景
2.1工程系统设计过程的演变
工程设计起源于一个概念，通过数字模型或物理原型的形式表示，直到它成熟并可以实现为一个满足某些功能的产品。当物理原型必须在每次不成功的试验后建立、测试和重建时，传统的产品开发过程的顺序模型会变得冗长而昂贵。在设计过程的早期阶段，错误的决定会对随后的阶段产生深远的影响。糟糕的设计实践导致高成本和长时间的产品交付，这对发展中公司来说是毁灭性的。
计算机的出现和发展在许多方面极大地改变了设计过程。曾经只能创建几何模型的计算机辅助设计工具，现在可以创建实体和功能模型[9]。计算机辅助工具(CAx)及其用户界面有了显著改进。但是数学模型仍然只反映物理系统的某些特性。不同的子系统通过不同的方法进行建模，模型的实现和处理通常在不同的工具中执行。没有单个建模方法或软件工具适合集成化建模和模拟所有的子系统,CAx工具只能用于整个系统的建模与仿真的具体方面。目前，基于计算机辅助模型的计算机辅助工程通过有限元分析、多体动力学和计算流体动力学等仿真来支持设计。由于领域所青睐的软件工具的通信和互操作性，人们对多领域系统集成模拟的兴趣有所增长，特别是在机械领域以外的系统设计方面。讨论了不同领域的模型集成和不同工具之间的接口所面临的挑战。具体来说，海上起重机系统的仿真包括机械系统、液压系统和控制算法以及环境因素,如船舶、波浪和风的流体力学。
2.2动态系统建模与仿真
实际大小对于像飞机、汽车和海上起重机这样的系统来说，开发物理样机或进行现场测试涉及许多其他方面，并且受到环境条件的严格限制。虚拟环境中的模拟不仅减少了与测试物理原型相关的时间和成本，而且允许设计者尽可能早地预测和防止不充分的设计选择。因此，设计权衡可以通过与客户的合作来评估，并且复杂的多领域系统的物理和动力学的模拟是单独进行的，并且由不同领域偏好的软件工具来支持。
目前代表某一领域内有趣性质的数学模型通常是简化的，其余的影响则被理想化、简化甚至忽略。由于大规模复杂动态模型之间的相互作用，这些异构模拟的组装是困难的，特别是在模拟的实时性能是至关重要的情况下。必须根据目的来定义不同数据尾模型级别中不同模拟场景的分类。模型的另一个重要方面是描述动态系统的灵活性，这意味着模型的设计应该对用户开放和可调整。在过去的几十年中，许多好的工具被用来建模和模拟动态系统。特别是更好地理解日益复杂的现代系统的兴趣已经导致软件开发人员在同一环境中用几个软件包、扩展和工具箱对多领域系统进行建模和模拟（例如:Matlab/Simulink, SimulationX和20-sim）。这些软件工具已被证明对支持系统的设计和分析是相当有用的。
复杂多域系统建模有两个发展趋势[10]。首先，用一种一致的方法对整个系统建模有利于加深对基于方程的模型的理解和修改的灵活性。这要求模式语言适用于各种物理领域。理论上，由于使用了相同的一般状态变量，所以可以组合多域动力学模型；然而，当模型变得复杂时，模拟的实时性能的挑战可能会出现。作者明确提出了一个使用键合图方法的海上起重作业综合模型，并在20-sim中实现[11]。当同时处理所有复杂模型时，由于描述物理子系统非线性特性的动力学方程的计算，例如液压统的流体动力学和起重机紧耦合刚体的多体动力学，模拟变得相当僵硬。
另一种选择是分配这些子模型的计算，并为模型交换或联合仿真定义统一的接口标准。这为处理异构模拟工具的交互提供了一种有效的方法，并允许使用针对不同物理领域的专用工具进行模型开发。主要的挑战是不同建模工具支持的这些子模型之间的接口，以及在同一环境中解决集成模型。与海事系统相关，Chin基于环境扰动下钻井船推力优化设计和控制的动态定位提出了Matlab和Simulink模型的仿真[12]。Terashima结合计算流体力学和机械动力学展示了一个船载起重机的虚拟工厂[13]。Ku为多体系统开发了一个动力学核心，考虑了离岸起重机操作外部静液压和流体动力影响[14]。Lee介绍了考虑静水压力非线性效应的浮吊和悬挂重物的动态响应[15]。李和王使用开放图形库(OpenGL)和VC 对船舶起重机控制提出了一个可视化仿真系统[16]。Thekkedan等人利用Matlab和Simulink对水下定位控制进行了仿真[17]。它包括一个六自由度机器人车辆(URV)的动力学模型，以及用于定位机器人车辆的模糊逻辑控制器。3D可视化是使用虚拟现实建模语言(VRML)开发的，该语言可以导入CAD模型来创建虚拟场景。Simulink的输出数据通过虚拟现实接收器连接到虚拟现实模型。
这些研究指出了所讨论的多域系统模拟中的几个常见挑战，并针对它们的具体情况提出了不同的解决方案。然而，需要一个通用和灵活的框架来实现整个操作系统。例如，Matlab/Simulink有利于控制系统的建模和仿真，并提供多种硬件支持。更重要的是，一般来说模拟器或模拟通常是在系统设计完成后实现的，并且基于感兴趣的简化模型和原始的详细设计，当模拟的实时性能处于更高的优先级时，通常太复杂而无法计算。迄今为止，完整系统的开放、灵活和集成的实时仿真还不存在，对海上起重机来说，无论是仿真的实时性能还是在建模中重用现有的知识，建立统一的接口格式并由软件工具支持似乎是一个更合理的选择。因此，子系统和组件的模型可以根据它们的规则和用户的偏好在不同的工具中开发。模型集成，或者说系统建模，需要一个单独的工具或者一个集成环境。将复杂系统模块化为子系统也便于模型的修改、交换和重用，以及不同部门和公司之间的协作。
最近在仿真模型交换方面取得了重大进展。汽车工业尤其具有创新性，比如欧洲模型合成研究项目，该项目导致了功能模拟接口(FMI)规范以及其他一些东西[18]。FMI 1.0和2.0现在在模拟和交换两个概念中部分或完全由100多个软件工具支持，即模型交换和协同模拟。主要区别在于，联合仿真需要功能实体模型单元(FMU)与数值求解器的组合，而模型交换的FMU只实现模型本身，计算依赖于集成工具的解。它已经表明，对于强耦合系统，使用FMI联合仿真可以以降低精度损失为代价重新获得显著的计算时间加速[19]。Erdelyi等人介绍了他们对车辆动力学案例的实施。空气弹簧FMU由Modelica代码编译而成，用于与LMS Motion中模拟的车辆前悬架进行模型交换[20]。Neema等人提出了一个基于模型的集成平台，称为网络物理系统的FMI联合仿真。一种车辆热管理系统被实现用于研究车辆内的热管理系统的相互作用[21]。Drenth和Henningsson在FMI工具箱中实现了一个车辆的发动机模型和发动机冷却系统模型，以供在Matlab中使用。这两个系统都在Dymolaand中建模，并作为电动车组导入，在Matlab中与控制器相连[22-23]。FMI标准提供了一个多学科系统仿真模型交换和联合仿真的强大解决方案。
2.3工程设计中的虚拟样机
虚拟样机需要在设计过程中集成动态建模和仿真，以分析设计权衡对整个系统性能的影响[24]。因为原型被定义为一类设计的代表，所以虚拟原型应该包括物理原型所能提供的所有功能。虚拟产品本质上是对产品、系统或系统的所有相关方面的建模和模拟。虚拟人还扩展了传统的模拟以包括人类的互动。在工程领域，目前的技术只能在视觉、触觉和触觉(力反馈)以及听觉(在某些情况下至关重要)方面提供有限的实现。触觉技术在起重机操作中的应用也增加了操作者的触觉，从而提高了安全性[25-26]。航空航天和汽车工业在产品设计制造、量产和仿真方面发挥了主导作用[27-28]。Chin和Lum[29]在Matlab和Simulink中介绍了基于动态模型的水下机器人(URV)的驱动控制系统原型。该系统还包含了水下机器人的控制器（运行该软件的工业计算机）。通过以太网链路实现了与Matlab/Simulink模型的通信。此外，Prats等[30]人开发了一个叫做UWSim的开源工具来模拟水下机器人。模拟器在C 中实现，并使用开放场景编辑器(OSG)和开放海洋库进行渲染。它还通过机器人操作系统(ROS)为外部体系结构(如控制程序和动态模型)提供接口。接触物理学是用OSG使用包裹在osgBullet的物理引擎子弹推动的。
一个系统设计和操作的虚拟产品的概念图如图1所示。在设计过程中，如果有一个平台能够尽早地处理所有相关用户的输入和输出，产品开发过程就会变得更加高效和有效。从前面关于多领域系统建模和物理系统模拟的讨论中，可以认识到一些共同的特征，包
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