(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202211031686.1 (22)申请日 2022.08.26 (71)申请人 哈尔滨工程大 学 地址 150001 黑龙江省哈尔滨市南 通大街 145号 (72)发明人 昝英飞　袁利毫　韩端锋　贾辉　 (74)专利代理 机构 北京睿智保诚专利代理事务 所(普通合伙) 11732 专利代理师 杜娟 (51)Int.Cl. G06F 30/20(2020.01) G06T 17/00(2006.01) G06F 111/02(2020.01) G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 一种导管架拖航作业智能仿真系统及建模 方法 (57)摘要 本发明公开了一种导管架拖航作业智能仿 真系统及建模 方法， 应用于海洋工程与虚拟仿真 技术领域， 包括： 分布式协同仿真子系统， 为各子 系统提供通信接口； 综合管理与评估子系统， 生 成并发布仿真科目； 操作控制仿真子系统， 生成 操作指令； 运动仿真子系统， 接收科目的参数 以 及操作指令， 对导管架、 拖轮及拖缆运动状态进 行实时模拟并传输至视景仿真子系统； 视景仿真 子系统， 对导管架、 拖轮及拖缆运动状态的实时 模拟进行三维显示。 本发明具备人机交互性， 既 可以用于海上拖航作业人员协同训练与技能培 训， 也可以实现导管架拖航安装仿真预演与方案 验证， 可有效保障作业人员与装备的安全性， 降 低海上作业风险， 提高作业效率， 具备明显的经 济效益与社会效益。 权利要求书2页 说明书9页 附图3页 CN 115392026 A 2022.11.25 CN 115392026 A 1.一种导管架拖航作业智能仿真系统， 其特征在于， 包括： 分布式协同仿真子系统、 综 合管理与评估子系统、 操作控制仿真子系统、 视景仿真子系统以及运动仿真子系统； 所述分布式协同仿真子系统用于为各 所述子系统提供通信接口； 所述综合管理与评估子系统用于生成并发布仿真科目； 所述操作控制仿真子系统用于生成操作指令； 所述运动仿真子系统用于接收所述仿真科目的参数以及所述操作指令， 对导管架、 拖 轮及拖缆运动状态进行实时模拟并传输 至所述视景仿真子系统； 所述视景仿真子系统用于对所述导管架、 拖轮及拖缆运动状态的实时模拟进行三维显 示。 2.根据权利要求1所述的一种导管架拖航作业智能仿真系统， 其特征在于， 所述分布式 协同仿真子系统具体为： 基于HLA分布式仿 真架构， 利用RTI接口对 各联邦成员进 行通信， 并 通过联邦运行监控 模块监控各联邦成员的运行状态。 3.根据权利要求1所述的一种导管架拖航作业智能仿真系统， 其特征在于， 所述综合管 理与评估子系统包括： 教练员控制台以及综合管 理评估功能， 用于 设定海洋环 境参数、 导管 架初始位置及拖轮初始 位置、 拖缆物理属性参数并生成、 发布仿 真培训科目， 控制系统仿真 启停， 同时记录并可视化显示所述 运动仿真子系统产生的仿真数据。 4.根据权利要求3所述的一种导管架拖航作业智能仿真系统， 其特征在于， 所述操作控 制仿真子系统包括： 拖轮控制台及绞车控制台， 所述拖轮控制台设定拖轮航向、 航速基本操 作参数， 所述 绞车控制台设定拖 缆收放速度。 5.根据权利要求4所述的一种导管架拖航作业智能仿真系统， 其特征在于， 所述运动仿 真子系统包括： 导管架六自由度运动仿真模型、 拖轮六自由度运动仿真模型及拖缆运动仿 真模型， 通过接 收综合管理与评估子系统产生的流速、 流向、 浪向海洋环境参数、 拖轮初始 位置及导管架初始位置、 拖缆直径、 干重、 湿重初始参数， 以及操作控制仿真子系统产生的 目标航向、 航速、 绞车速度操作指 令， 实时解算导管架六自由度运动数据及拖轮六自由度运 动数据、 拖缆形态及 张力， 并将仿真数据提供给所述视景仿真子系统及所述综合管理与评 估子系统。 6.根据权利要求5所述的一种导管架拖航作业智能仿真系统， 其特征在于， 所述视景仿 真子系统包括： 导管架拖航作业三维模型库以及视景仿真软件， 并通过模型仿真数据驱动 三维视景， 对导管架运动状态及拖轮运动状态、 拖 缆形态、 海洋环境进行实时渲染。 7.一种导管架拖 航作业智能仿真方法， 其特 征在于， 包括： 步骤(1)： 启动分布式协同仿真子系 统， 为各子系统软硬件通信提供保障， 并监控各联 邦成员运行状态； 步骤(2)： 应用综合管理与评估子系统， 选择仿真训练科目并设置海况条件及导管架初 始位置、 拖轮初始位置、 拖缆初始参数， 参数设置完成后发送给运动仿真子系统， 并通过网 络控制系统仿真进程的启停； 步骤(3)： 应用操作控制仿真子系统， 根据仿真需求， 通过操作手柄及控制软件设定绞 车速度以及拖轮操控指令， 并发送给运动仿真子系统； 步骤(4)： 应用所述运动仿真子系统， 包含导管架六自由度运动仿真模型、 拖轮六自由 度运动仿真模型以及拖缆运动仿真模型， 根据所述综合管理与评估子系统及所述操作控制权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 115392026 A 2仿真子系统发送的控制指令驱动所述六自由运动仿真模型模型并对耦合系统运动状态进 行实时结算， 同时将仿真数据传至所述综合管理与评估子系统及视景仿真子系统； 步骤(5)： 应用所述视景仿真子系统， 基于所述综合管理与评估子系统发布的海洋环境 数据及所述运动仿真子计算得到的仿真数据， 对训练场景及作业装备进行实时渲染， 三维 显示。 8.根据权利要求7所述的一种导管架拖航作业智能仿真方法， 其特征在于， 步骤(4)中， 将拖缆对于导管架的作用力以及对于拖轮的作用力分别计入到导管架及拖轮运动方程中， 将拖缆末端看作与导管架固连在一起， 顶端看作与拖轮固连在一起， 求解过程拖缆末端和 顶端的节点速度及空间位置 分别与导管架和拖轮的节点速度及空间位置保持一致， 将所述 导管架、 拖轮、 拖 缆看作一个整体进行耦合 求解； 导管架六自由度运动仿真模型及拖轮六自由度运动仿真模型均考虑海洋环境作用力 及拖缆运动仿真模型产生的拉力。 9.根据权利要求7所述的一种导管架拖航作业智能仿真方法， 其特征在于， 步骤(4)中， 所述拖缆运动仿真模型通过 所述综合管理与评估子系统设置的拖 缆初始参数 供模型解 算。 10.根据权利要求7所述的一种导管架拖航作业智能仿真方法， 其特征在于， 步骤(4) 中， 所述导管架六自由度运动仿真模型为： 其中： 为惯性力； 为拖拽力； 为浮力； 为附加质量； 所述拖轮六自由度运动仿真模型为： 其中： Ms为拖轮系统惯性矩阵， 包括船舶质量矩阵和附加质量矩阵； Ds(vs)为拖轮阻尼 矩阵； gs( ηs)为由重力、 浮力引起的力和力矩的矢量； Cs(vs)为科氏向心力矩阵； τes是拖轮所 受推力； 所述拖缆运动仿真模型为： 其中： mi为节点i的质量矩阵； ai为节点i的附加质量矩阵； T为节点张力； C为节点内部阻 尼力； Wi为单位长度净浮力； 为节点处横向阻尼力； 为节点处切向阻尼力。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 115392026 A 3