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海上起重机虚拟样机设计和操作
摘 要
本文介绍了海上起重机虚拟样机系统的设计和操作是如何实现的。本研究旨在将海上起重机系统仿真中的下列特点联系起来。首先，虚拟样机系统引入了一个面向所有产品和系统设计、建模、仿真及可视化的开放、灵活的平台。其次，建立在拟议框架上的可用于操作的虚拟仿真器由于有高保真度的物理和力学模型而得到增强。本文从现代复杂工程系统设计、多域动态系统建模与仿真、大规模数据交换通信和可视化技术等方面论述了复杂多域系统内虚拟样机技术所面临的挑战。该系统的软件体系结构是建立在功能仿真接口标准的应用上的。它利用了当前可用的建模和仿真工具，并可以实现模型的交换和重复使用。在虚拟环境下进行的仿真可以对早期设计阶段的多种折衷方案和替代解决方案进行评估。转向节臂起重机系统作为其案例研究和取证得以实施。虚拟起重机仿真器证明了该虚拟样机系统在解决复杂多域系统仿真中长期存在的困难这一方面是有效的。
关键词：虚拟样机；海上起重机；动力学；水力学；可视化；协同仿真
- 介绍
海上起重机是海上和海底移动、起吊和装卸作业的主要机械设备。海上起重机设计是一个跨学科的过程，涉及到机械，液压，动力和控制等相关方面的任务。在过去的几十年里，越来越多的建模和仿真参与了整个产品开发和检验的过程。然而，与航空航天和汽车等其他工程行业相比，航海业在利用计算机辅助技术进行产品和系统设计方面仍然有所滞后。部分原因是由于这些动态子系统的物理建模和仿真本身就是不平凡的任务。而且，不同用户对软件工具的不同偏好给系统模型集成带来了许多挑战[1]。因此要模拟整个系统的集成模型，特别是在有实时操作应用的要求下，更是挑战重重。
日益激烈的全球市场竞争环境要求要能在更短时间内以更低成本进行高品质的设计。但是，目前的起重机设计过程远远不能满足频繁变换的需求。海上起重机系统的典型设计过程，包括从客户要求开始，到概念设计、实施方案设计，到系统建模和仿真，然后进行测试和评估，除此之外还有操作训练仿真器的开发。许多计算机辅助软件工具分设计、建模、仿真分析和3D虚拟现实动画这几个阶段进行使用。一方面，使用计算机辅助工具可以提高工作效率，从而节省时间和成本。 另一方面，顺序设计过程的时间和成本仍有很大的压缩潜力。目前，尽管从一开始就已经知道基本的功能参数（例如，几何尺寸，工作空间和约束，负载能力），但建模和仿真仍不能在设计实际完成之前实现。由于不同领域的物理系统模型的复杂性以及不同领域优先建模工具之间的接口不同，基于模型的仿真在这二者上相互依赖且难以集成。
另一个关于海上起重机仿真的关键领域与操作应用相关。由于重型吊装、定位精度、负载摇摆、安全等遗留问题，海上起重机作业要求兼顾工作效率和安全性。与固定工作平台的陆基起重机不同，海上起重机的操作受到船舶运动和摆锤载荷的影响。即使到今天，起重机的操作仍然依赖于经验丰富的操作人员的技能水平，这往往需要花费大量的时间和成本来训练对应于各种起重机和各类操作情形的操作人员。文献[2-6]中提出了几种补偿方法。然而，对海上起重机的先进智能控制还需要对软件和硬件性能的测试和分析进行仿真。现有的海上起重机操作中心，例如海上仿真中心(OSC)，甚至进行专门的海员培训，以减少人为事故造成的潜在风险[7]。 仿真场景的动力学包括惯性特性，接触边界，软线，简单的水力学和流体力学，只是部分地整合和简化。对于实时仿真来说，拥有高保真动态模型的物理系统是至关重要的，但要实现这一点也相当困难。
为了解决这些问题，本文介绍一种用于通用起重机设计和动态系统仿真的虚拟样机(VP)框架。之前在[8]中提出过的一个扩展的摘要，描述的就是仿真集成这一部分。虚拟环境中的仿真不仅依赖于物理系统的复杂模型，还依赖于交互环境的复杂模型。而主要的挑战是是否能够在短时间内开发出有足够保真度的模型，以便能够有效地对设计概念进行评估。VP系统便提供了这样一个开放和灵活的仿真环境，允许进行预测试、故障查找、分析和控制算法验证。通过将这二者协作应用的方式将大大提高海洋产业的工作效率。而集成物理系统中的动态模型，同时也能增强基于VP框架的操作仿真器。
论文的其余部分组织如下。第2节简要回顾了该工程系统开发过程的演变过程。这一部分重点研究了计算机辅助技术的支持、复杂多域动态系统建模与仿真的挑战以及替代解决方案的优缺点。紧接着会阐述在工程系统设计中的VP的总体介绍和VP的实际应用。 第3节描述了海上起重机设计和操作的VP框架。第4节和第5节介绍了基于转向节臂起重机(KBC)系统的动态模型的设计和集成。第6节给出了在VP仿真器中运行起重机的仿真结果，以显示起重机系统在三维可视化场景之外的行为。讨论中出现的困难包括数据交换的协同仿真和可视化软件的讨论。最后，第7节概述了本研究的结论和今后工作的展望。
- 现状
2.1 工程系统设计过程的演变
工程设计源于一个概念，通过对数字模型或实物原型的方式对其进行重新表达，直到它成熟，并可以实现成为一个满足某些功能的产品。在传统产品开发过程中的相继出现的模型，在每一次不成功的试验后，都要经历构建-测试-再构建的过程，这使得这一过程繁琐且成本高昂。在设计过程的早期阶段，错误的决定会对后续的设计产生深远的影响。而糟糕的设计实践导致高成本和长时间的产品交付时间，这对发展中的公司是毁灭性的。
计算机的出现和发展在许多方面大大改变了设计过程。计算机辅助设计(CAD)工具，原来只能创建2维图形和几何模型，现在可以创建三维实体和功能模型[9]。计算机辅助工具（CAx）和他们的用户界面有了明显的改善。但数学模型只能反映物理系统的某些特性。不同的子系统需要通过不同的方法建模，模型实现和处理通常也在不同的工具中执行。如果没有一个适合于对所有子系统建模和模拟的唯一建模方法或软件工具，CAx工具只能用于对整个系统的特定方面进行建模和仿真。目前，基于计算机辅助模型的计算机辅助工程通过例如有限元分析、多体动力学和计算流体动力学等仿真来支持设计。由于各领域所偏爱使用的软件工具具有可交流和通用操作性，人们对多域系统集成仿真的兴趣特别是在机械领域之外的系统设计已经逐渐增加。不同领域模型集成的挑战以及不同工具之间的交互作用之前已经讨论过。具体来说，海上起重机系统的仿真包括机械系统系统、液压系统和控制算法，以及对船舶、波浪和风的流体动力学等环境影响。
2.2动态系统建模与仿真
对于飞机、汽车和海上起重机等系统，开发物理原型或进行现场测试涉及到许多方面，并且受到环境条件的严格限制。虚拟环境中的仿真不仅可以减少与测试物理原型相关的时间和成本，而且还允许设计人员尽可能早地预测和防止不充分的设计方案。因此，设计的平衡性可以通过客户和系统工程师一起合作来评估。
目前，复杂多域系统的物理和动力学仿真是分别进行的，并由不同领域的软件工具支持。在一个特定领域中人们感兴趣的数学模型通常被简化，而其余的效果被理想化、简化甚至被忽略。 由于要在大型复杂动态模型之间，特别是在模拟的实时性能必不可少的情况下进行相互作用，所以异构仿真的装配十分困难。不同详细建模级别的不同模拟场景的分类必须根据不同目的来进行定义。建模的另一个重要方面是描述动态系统的灵活性，这意味着模型应该被设计为开放式的，并且可以由用户进行调整。在过去的几十年中，许多优秀的工具已经被用于建模和模拟动态系统领域。为了更好地满足人们对日益复杂的先进系统下的特殊兴趣，软件开发人员利用几个软件包、扩展和工具箱(例如，Matlab/Simulink、SimulationX和20-sim)，使得对多域系统进行建模和仿真能在同一环境下进行。这些软件工具已经被证明对支持系统设计和分析非常有用。
复合多域系统的建模有两种发展趋势[10]。第一种是用一种连续的方法对整个系统进行建模，其优点有利于对基于方程的模型的深入理解和修方便灵活修改。这就要求建模语言适用于各种物理领域。在理论上，由于使用了相同的一般状态变量可以采用多域动力学模型，; 然而，当模型变得复杂时，仿真的实时性能可能会遇到困难。作者之前通过使用键合图（BG）方式提出了一种用于海上起重机操作的集成模型，并在20-sim中实现[11]。由于用计算的动态方程去表达物理子系统中的非线性特性,如液压系统的流体动力学和多体动力学中紧密耦合的视为刚体的起重机，所以当所有复杂模型同时处理时，仿真变得相当僵硬。
另一种趋势是分配这些子模型的计算并为模型交换或协同仿真定义统一的接口标准。这提供了一种有效的方式来处理异构仿真工具之间的交互，并允许使用专门的工具对不同的物理域进行模型开发。主要的难点在于不同建模工具所支持的这些子模型之间要能进行相互作用，以及要在相同的环境中解决集成模型。由于与海上系统相关，Chin提出了基于Matlab和Simulink动态定位(DP)的钻井船在环境扰动下的推力优化设计与控制的仿真模型[12]。Terashima提出了一个船用起重机的虚拟装置，将CFD与机械动力学结合起来[13]。Ku开发了一种多体系统的动力学内核，对近海起重机的外部流体静力和水动力效应进行了研究[14]。李开复考虑到静水力的非线性效应，提出了浮式起重机和悬吊重货的动力响应[15]。Li和Wang提出了一种利用开放图形库(OpenGL)和vc [16]进行舰载起重机控制的可视化仿真系统。Thekkedan 等人介绍了利用Matlab和Simulink进行水下定位控制的仿真[17]。它包括6-DoF水下机器人(URV)的动力学模型，以及用于URV定位的模糊逻辑控制器。三维可视化是使用虚拟现实建模语言(VRML)来实现的，它可以导入CAD模型来创建虚拟场景。Simulink的输出数据通过VR接收器块连接到VRML模型。
这些研究指出了在多领域系统仿真中所讨论的几个共同的挑战，并针对具体的情况提出了不同的解决方案。然而，仍然需要一个通用的和灵活的框架来实现整个操作机器系统的一体化。例如，Matlab/ Simulink很契合控制系统的建模和仿真，并且提供了不同的硬件支持。此外，一般来说，模拟器或仿真通常是在系统设计完成之后，并基于感兴趣的子系统的简化模型实现的。具有原始详细设计的模型通常过于复杂，当仿真的实时性能达到更高的优先级时，就无法计算了。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，对于海上起重机操作来说仍然具有挑战性。考虑到仿真的实时性能和在建模中重新利用已有的知识，建立一个统一格式的接口和支持软件工具似乎是一个更合理的选择。由此，子系统和组件的模型可以根据他们的学科和用户的偏好用不同的工具开发。模型集成或系统建模则需要单独的工具或集成环境。将复杂系统模块分解为子系统，也便于模型的修改、交换和重新利用，以及不同部门和公司之间的协作。
近年来，仿真模型的交流取得了显著的进展。在欧洲Modelisar等项目中，汽车行业尤其具有创新性，该项目引入了功能模型接口(FMI)规范和其它一些新东西[18]。FMI 1.0和2.0现在部分或完全由超过100个软件工具支持，这两个概念用于仿真交换，即模型交换和协同仿真。主要的区别在于，协同仿真需要用一个数字求解器来编译功能模型单元(FMU)，而模型交换的FMU只实现模型本身，计算则依赖于集成工具的求解器。结果表明，采用FMI协同仿真[19]的强耦合系统，可以在一定程度上降低对强耦合系统的精度损失。Erdelyi 等人则介绍了有关车辆动力学情况的实现。空气弹簧FMU是用Modelica代码编译的，并与与LMS Vir-tual.Las Motion [20]中提到的所仿真的车辆前悬架进行模型交换。Neema等人提出了一个基于模型的集成平台，称为C2WT，用于FMI联合仿真网络物理系统。他们为研究车辆内部热管理系统的相互作用，还使用了车辆热管理系统[21]。Drenth和Henningsson在FMI工具箱中实现了一个发动机模型和一个发动机冷却系统模型，以便应用于Matlab上。这两个系统都在Dymola中建模并作为FMU导入，并在Matlab中与控制器耦合进行模拟[22,23]。FMI标准为多学科系统仿真模型的交换和协同仿真提供了有力的解决方案。
2.3 在工程设计中的虚拟样机
VP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]。既然原型被定义为设计上的表述，虚拟样机应该包括物理原型的所有功能方面。VP本质上是对产品、系统或系统的所有相关方面的建模和仿真。VP还扩展了传统的模拟，包括人机之间的交互。在工程领域，目前的技术只能提供有限的视觉感知、触觉和触觉(力反馈)和音频(对某些情况至关重要)的实现。在起重机操作中应用触觉技术也增强了对操作人员的触觉感受，以改善操作使其更加安全[25,26]。航空航天和汽车工业在产品设计、制造和仿真方面占据了主导地位[27,28]。Chin和Lum基于Matlab和Simulink中的动态模型提出了一种水下机器人车辆（URV）的快速控制系统原型[29]。对Matlab/Simulink模型的通信则是通过以太网实现。此外,Prats等人开发了一种名为UWSim的开源工具，用于模拟URV应用[30]。这种仿真器在c 中实现，并使用开放scenegraph (OSG)和osgOcean库进行呈现
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