（检测技术与自动化装置专业论文）智能型铺管船移位监控平台的设计与应用.pdf

人迮理i ：人学硕十学位论文 摘要 我国海洋资源丰富，其中近海油气资源占有很大比重，对这一资源的开采需要通过 海洋油气管道来进行输送，而铺管船便是铺设海洋管道的主要设备，它在海洋工程建设 中占有至关重要的位置。铺管船在正常作业时后面托有很长的管线，并且要严格地沿预 定航线进行铺设，但其整体受风、浪、涌的干扰强烈，一般的涡轮动力系统很难满足要 求。为了解决这一问题，需要在船头和船尾分别装备多台锚机并抛出多条锚缆，然后通 过收放各个锚缆来控制船体的方位。铺管船的移位控制系统正是建立于各锚缆的综合调 节之上。 由于各锚缆的作用以及船体本身之间具有非线性、耦合性、大惯性、时变性和一些 其它不确定的复杂运动特性，使得执行机构与被控对象的数学模型难以建立，严重阻碍 了自动控制在铺管船上的应用。目前，国内外正在使用的铺管船，绝大多数只提供手动 控制平台，需要同时对多组按钮进行反复操作，使用很不方便。该平台的监控数据不能 形象展示，可读性差，各种信息很难融合。随着现代科技的发展，数据处理设备和自动 控制方法都有了突破性进步，一些计算机监控系统和智能控制方法正在逐步走向应用并 日趋成熟。本课题所研究的智能型铺管船的移位控制平台，在这种趋势中应运而生，它 能够兼容手动控制平台并弥补其不足，将多方面信息集中于上位机主控单元中进行综合 处理。 本论文基于“组态王并结合v c + + 开发了一套适用于智能型铺管船的上位机移位 控制软件，包括人机对话界面和操作信息处理、操作流程控制、系统功能扩展和数据通 信等功能模块，提供了一个多功能仿真与应用平台。该系统功能齐全，界面友好，运行 稳定，能够满足用户的需求。本文在智能控制方法上有一些新的探讨，初步提出了模糊 控制器与神经网络独特的并联调节模式，这对智能控制在其它复杂系统中的应用具有借 鉴、指导作用。 关键词：铺管船；集散控制系统；人工神经网络；模糊逻辑；组态王 智能矸! 铺管船移何控制系统的方法与廊川 t h em e t h o da n da p p l i c a t i o no fs h i f tc o n t r o ls y s t e mi nt h ei n t e l l i g e n t p i p e l a y i n gv e s s e l a b s t r a c t t h em a r i n er e s o u r c e so fo u rc o u n t r ya r ev e r ya b u n d a n t ，e s p e c i a l l yt h eo f f s h o r eo i la n d g a sr e s o u r c ew h i c ht a k eag r e a tp r o p o r t i o n t oe x p l o i tt h e s er e s o u r c e s ，t h ep i p e sw h i c ha r e u s e dt ot r a n s p o r to i la n dg a si nt h eb o t t o mo ft h es e am u s tb el a i ds a f e l y s o ，a st h em a i n l a y i n ge q u i p m e n t ，p i p e l a y i n gv e s s e lt a k e s t h ei m p o r t a n tp l a c ei nt h i s s p e c i a lo c e a n e n g i n e e r i n g t h ep i p e l a y i n gv e s s e ld r a g sav e r yl o n gp i p eb e h i n di t s e l fa tw o r k b o t ht h es h i p h u l la n dt h el o n gp i p es u f f e rs t r o n gd i s t u r b a n c ef r o mt h ew i n d ，w a v ea n ds u r g ew h i c hm a k e t h a tt h ep i p e l a y i n gv e s s e lc a nn o ts a i la l o n gt h ep l a n e dr o u t ea n da l s ot h et u r b i n ep o w e r s y s t e mc a nn o tm e e ti t sd e m a n d t os o l v et h i sp r o b l e m ，s o m ea n c h o rw i n d l a s s ss h o u l db e i n s t a l l e db o t ha tt h eb o wa n dt h es t e r nb yw h i c hp i p e l a y i n gv e s s e l sa z i m u t hc a nb ec o n t r o l l e d t h ep i p e l a y i n gv e s s e l sm o v i n gc o n t r o ls y s t e mw o r kw e l lb a s i n go nt h er e g u l a t i o no ft h o s e a n c h o rc a b l e s t h em o d e lo ft h ee x e c u t i v eb o d ya n dt h ec o n t r o l l e do b j e c ti sd i f f i c u l tt ob u i l db e c a u s eo f i t sn o n l i n e a r i t y , c o u p l i n g , l a r g ei n e r t i a , t i m ev a r i a t i o na n do t h e ru n c e r t a i nc o m p l e xm o t i o n c h a r a c t e r i s t i c s8 0t h a tt h et r a d i t i o n a lc o n t r o lm e t h o dc a nn o tb eu s e ds c u c e s s f u l l yi nt h e p i p e l a y i n gv e s s e l m o s td o m e s t i cp i p e l a y i n gv e s s e l sa r ee q u i p p e dw i t hm a n u a lp l a t f o r m s w h i c hh a v ei n c o n v e n i e n to p e r a t i o n ，t h eb a dr e a d a b i l i t ya n dd a t am e r g e ，a tt h es a m et i m e ，t h e m o n i t o r i n gw i n d o wd i s p l a yq u i t es i m p l e w i t ht h ea d v a n c eo fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y , b o t h d a t ap r o c e s s i n gu n i ta n da u t o m a t i o nm e t h o dh a v eg r e a ti m p r o v e m e n tw h i c hm a k e si tp o s s i b l e t oa p p l yt h e mi ne n g i n e e r i n g t h ei n t e l l i g e n tp i p e l a y i n gv e s s e l ss h i f tc o n t r o lp l a t f o r ms t u d i e d i nt h ep a p e rf o l l o w st h et r e n d i ti sc o m p a t i b l ea n dt om a k eu pm a n u a lp l a t f o r m sf u n c t i o n s t h ep a p e rd e v e l o p e sas e to fs h i f tc o n t r o ls o f t w a r eu s e di nt h eh o s tc o m p u t e ro ft h e i n t e l l i g e n tp i p e l a y i n gv e s s e l i ti n c l u d e st h em a i l m a c h i n ed i a l o gi n t e r f a c ea n ds o m ef u n c t i o n m o d u l e ss u c ha so p e r a t i o ni n f o r m a t i o np r o c e s s ，o p e r a t i o nf l o wc o n t r o l ，s y s t e mf u n c t i o n e x t e n s i o n ，t h ed a t ac o m m u n i c a t i o na n ds oo n i t o f f e r sam u l t i f u n c t i o n a ls i m u l a t i o na n d a p p l i c a t i o np l a t f o r mw j t hf r i e n d l ym a n m a c h i n ei n t e r f a c e i nt h ep a p e r , a ni n t e l l i g e n tc o n t r o l m e t h o di st e n t a t i v e l yp r o p o s e dt om a k eau n i q u ep a r a l l e lc o n n e c t i o nr e g u l a t i o nw i t hf u z z y c o n t r o l l e ra n da r t i c l en e u r a ln e t w o r k t h i sh a sg r e a tr e f e r e n c ea n dg u i d a n c es i g n i f i c a n c ei n o t h e rc o m p l e xi n t e l l i g e ns y s t e m k e yw o r d s ：p i p e l a y i n gv e s s e l ；d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ；n e u r a ln e t w o r k ；f u z z yl o g i c ； k i n g v i e w i i 人迕理i ：人学硕十学位论文 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目：垒丝丝丝篁垒丝逖至垒鱼退进鱼型 作者签名：壅幽日期：圭! 塑年生月生日 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文题目：掣协誓南舞钮錾譬手孝乡9 亟让鱼趔 作者签名： 导师签名： 日期：乏! 里星年j 三月j 量日 日期：羔竺竺蕴年止月臣乙日 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 课题背景及意义 在我国大陆沿岸和海岛附近蕴藏着丰富的海洋资源，仅海洋石油资源就达2 4 1 亿吨， 天然气资源超过1 0 亿立方米，约占世界海洋石油资源量的1 0 。其中近海油气资源量 约占全国的三分之一，已探明的储量为5 亿吨，但至今却尚未得到充分的开发与应用i l j 。 2 0 0 7 年中国海洋石油总公司加大了在近海的勘探力度，自营探井数量超过以往任何一 年，二维地震和三维地震采集量也大副度增加，勘探工作全面展开，在渤海、南海东部、 南海西部共获得1 8 个油气新发现，其中大中型油气发现4 个，储量发现创近年来新高， 掀起了新一轮的近海油气勘探与开采高潮【7 1 。在当前国际能源紧缺，海洋经济在国民经 济中所占的比重越来越大，因此，对我国海洋油气资源的合理开采与有效利用已经显得 尤为重要。 海上油气田开采出的油气除少数在海上直接装船外运外，多数是通过管道转输至陆 上加工并分别输送到用户。随着海洋石油天然气开发的不断深入，铺管船的关注程度也在 不断提高，其更新换代的速度明显加快，专业化程度越来越高t 引。特别对于深水油气田开 发工程建设来说，海底管道铺设更是一个重要组成部分，须采用深水铺管作业船及船载 铺管设备进行施工。目前，国内还不具备该类工程船舶的设计能力，深水海底管道铺设 技术的研究也刚刚起步，现有工程设计能力、设备状况和作业能力等都不能满足我国开 发深海油气资源的战略发展要求。因此，研究和开发深水海底管道铺设技术是非常必要 也是十分迫切的。为此，中国海洋石油总公司在“十一五”期间将建造深水铺管起重船， 并正在开展深水海底管道铺设技术和装备的研究，逐步形成了我国深水海底管道铺设能 力【8 】o 本论文正是针对以上国情，从油气输送管道的铺设问题入手，着重研究铺管船的移 位控制，应用在我国海上油气资源开采的实际工程。另外，该课题面临的是海洋作业， 其工作环境复杂多变，风、浪、涌所带来的干扰具有随机性、快速性、时变性、不确定 性，而铺管船控制系统又具有一定的非线性、耦合性、大惯性、滞后性，这正是当前国 际复杂控制系统研究并处理的重点问题，而智能控制方法在解决这类系统难题的过程 中，已经起到良好的作用并在逐渐走向成熟【3 】。本课题的研究力求在模糊神经网络( f n n ) 上有所创新，特别是在神经网络学习的快速性上有所改进，使这一理论更进一步与工程 实际结合。 1 2 铺管船简介与发展概况 在海上油田开发过程中，管线铺设是其重要内容之一，而如何经济有效地提高铺管 速度，节约费用，这是当前人们在进行海上铺管时所要考虑的重要问题。目前，人们正 智能犁铺管船移位控制系统的方法与应用 不断地研制和设计大型铺管船，在满足其功能要求与运行特点的基础上，加速海t 铺管 进程，提高铺管质量【4 】。 12 1 铺管船的结构特点 铺管船的特殊用途，赋予它特殊的结构，除去作为船舶应该必备的基本部件之外， 它还包括：张紧器及其控制系统，管线收、放绞车，焊接器，托管架，8 1 2 组船舶移 位锚机等：另外，铺管船在止常作业时，还需伴随若干台抛锚机协同工作。铺管船整体 结构组成如图1 1 所示。 圈1 1 铺管船的结构绗成 f i g 11t h es t r u c t u r eo f t h ep i p e l a y l n g v e s s e l 图中所小为某深海铺管船的铺管船的总体布局。铺管船在正常作业时，后面拖有很 长的管线，管线越长，船体受风、浪、涌的干扰越强烈，使得铺管船的定位与移动受到 很大阻力，如果仅靠普通船舶的轮机系统米维持其方位，那么船体移位控制将是件非 常凼难的事，甚至、可能实现。利用多组锚缆定位町以解决这问题。这t f 是论文中要 研究的近海船型铺管船的典型结构特点。各部件的名称如表11 所示。 大连理工大学硕士学位论文 表1 1 铺管船结构名称列表 t a b 1 1t h es t r u c t u r el i s to ft h ep i p e l a y i n gv e s s e l 铺管船移位系统为消除外界复杂多变的干扰所带来的影响，首先让若干组锚定机构 针对铺管船的方位进行粗调，然后，再由张紧器协同进行方位的微调，双环方位调节系 统在很大程度上减少了锚定机构的负担，提高了方位控制精度，为下一步管线焊接提供 一个稳定而灵活的工作平台。 当管线焊完毕后，不能直接拖放到海中，必须根据当前所处地点的海况以及管线铺 设要求，经由托管架来选择适当的下管角度1 1 6 】，从而安全准确地将其向海底铺设。在焊 接过程中，铺管船可以同时移动作业，当它即将前行到锚缆允许范围的边界时，抛锚机 会将相应的锚拉起，向前运送到指定地点重新抛下，从而维持铺管系统的连续运行，提 高作业效率，这是船型铺管船的优点之一。船型铺管船的其它优点不但包括在背流面对 管架的保护及负荷能力的提高，而且其航行速度较高，并能在有限地理区域进行铺管作 业。诸多良好的结构特点，加上各功能单元相互配合作业的高效方案，使得对近海船型 铺管船的研究更具有现实意义。 智能型铺管船移位控制系统的方法与应用 1 2 2 铺管船的功能要求 对于一项铺管船工程来说，其功能要求主要体现在船体设计与运行施工两个阶段， 具体来讲要满足环保、法律【9 】、技术、经济等多项指标的严格要求，由于篇幅限制，在 这里不能展开全面细致的讨论，只能就其重要的几点内容作一下简单说明： 首先，铺管船应保证铺管质量，力求安全环保，避免影响到其施工海域内的其它正 常活动。 其次，铺管船移位控制系统应该能够克服海上复杂干扰情况以及船自身的调度困 难，使运行航线能够在一定精度要求下不偏离原计划航线，稳定运行 最后，铺管船在保证系统运作稳定的基础上，综合调度各个功能环节，协调工作， 提高作业效率，赢得更高的经济价值。 针对以上所提出的安全、稳定、高效三大方面的内容，可以将铺管船的一些主要具 体技术要求归纳如表1 2 所示。 表1 2 铺管船的功能要求 t a b 1 2t h ef u n c t i o nd e m a n do ft h ep i p e l a y i n gv e s s e l 要求项目性能指标 符合最高安全作业标准 对现有海底电缆和管线没有造成潜在损坏的可能 安全环保对平台附近其它施工活动造成的影响少 严格遵守有关允许管线应力及应变限制范围的条件 在出现恶劣天气情况下可迅速弃管 按计划航线稳健运行 拥有比较大的张紧能力 稳定有裕在恶劣气候情况下，可以进行作业 锚扩展处理限制因素不能造成天气停工现象 机械停工现象比较少 针对大口径管线而言，具有6 k m d 的稳定铺管速度 世界范闱内的作业航速为2 6 8 3 k m h 古湛j e 可以在钻机及系泊船的锚定结构之内进行操作 向舣灭7 舀 在选择启动和停止位置方面具有灵活性 铺管船在铺管期间可连续移动 启动和停止的耗时短 另外，针对装有方位推进器( 在船龙骨下伸出4 m 长) 的铺管船而言，其动态定位 装置的不足之处是需要该船有较深的吃水深度；同时，海岸施工方法还不能使用，因为 需要的吃水深度大约为1 5 m 。如果铺管船不装有收缩性推进器及锚定系统，那么在使用 吃水深度比较浅的小型优化平底船情况下，使用海岸施工方法比较经济可行1 4 j 。 1 2 3 国内外铺管船现状 国内外海洋石油开发的程度不同，铺管船的区别也比较大【2 】。特别是国外一些发达国 一4 一 大连理工大学硕士学位论文 家，海洋石油开发时间早，技术先进，不断向深海发展，铺管能力已接近30 0 0m 。1 9 8 2 年成 立中国海洋石油总公司，目前最深的海洋管道也只有3 3 0m 。鉴于在铺管船上的投资费用 高昂，我国的铺管船大多趋向于多功能发展，以期最大限度地利用铺管船，但在一定程度上 限制了铺管船本身的铺管能力，特别是在一些特定环境下的使用。 目前国内最先进的铺管船“蓝疆”号的铺管最大深度也只能达到1 5 0m 1 5 j 。国内首艘 3 0 0 0 米深水铺管船开建，由上海船舶研究设计院自主完成详细设计的国内第一艘3 0 0 0 米深水铺管起重船“海洋石油2 0 1 ”号，9 月1 6 日正式开工建造。该船预计2 0 1 0 年上半 年交付使用。该船总投资约3 0 亿元，船体主尺度为2 0 4 米x 3 9 2 米1 4 米，吃水7 1 0 8 米，作业管径6 6 0 英寸，航速1 2 节，最大作业水深可达3 0 0 0 米，铺管速度5 公里 天，海上最大起重能力达4 0 0 0 吨，能在除北极外的全球无限航区作业，入中国船级社 和美国船级社双船级【6 j 。 国外铺管船正向专业化发展，在不同的海域应用不同的技术，例如应用于非常浅水 域的低起吊“s ”型或直线型铺管船，以及专用于深海的卷筒式( r e e l ) 铺管船。其形式也较 为多样，既有纯粹的铺管船，也有起重能力非常强的起重铺管船等等，根据不同的方面可 以将铺管船作以下分类【2 j ： 从铺管方式上，可以分为“s ”型、“j ”型以及卷筒式铺管船。多数铺管船都属于“s ”型 铺管船，此类铺管船多用于较浅海域：j ”型铺管船用于深海海域作业；而卷筒式铺管船既 可以用于深海，也可用于浅海，但是管道直径不宜过大。一般而言，管道因受自身承应力的 限制，用于卷筒式铺管的刚性管管径最大不能超过4 0 6 4r n n l 。随着技术的进步，目前已有 少数卷筒式铺设船突破了这个限制。 在国外，技术工程师们通过将多功能运输船舶进行改造，在其先进的船舶技术基础， 可以快速制造出性能较好铺管船。具备多功能运输能力的“t o gm o r 号”已经在技术功能 上得以改造转换，完全可以运用在浅海铺管作业领域，并已经在爱尔兰海域的国际海洋 管线铺设工程中得以成功实践。该铺管船可以同时容纳1 1 2 人和6 0 根海底管道的载重 l j ；为了将工程领域扩展到深海区，世界最大的铺管船“s o l i t a i r e 号”已经接受改造，包 括增加排水量，提高浮力特性，安装三个新的张紧器和一套新的信息跟踪定位系统l l ； 另外，早在上世纪末，位于摩洛哥和西班牙之间的直布罗陀海峡上已经展开大型的铺管 工程，当时的技术已经细化到可以实时通过分析管道压力来优化铺设操作控制i l 引。这表 明国外铺管船技术早已步入专业化领域。不仅如此，若从工程应用上来看，国外一艘铺 管船“a u d a c i a ”在全海域大型深水铺管作业中做出了重大贡献，仅在2 0 0 7 年夏就有欧洲、 中东和加勒比三个地区的施工任务在等候【1 5 】，可见国外铺管船技术已经走向成熟稳定的 发展道路。 总之，铺管船已成为海洋管道铺设非常重要的工具，在海洋设施建造方面起着举足轻 重的作用。我国的铺管船与国际上发达国家相比，还存在着不小的差距。特别是在深海铺 智能型铺管船移位控制系统的方法与应用 管船和技术方面，几乎还是空白，需要业界进行深入研究，努力缩小与国外的差距。 1 3 本文的研究工作 第一步，分析铺管船移位控制系统在工程应用中的需求： 第二步，设计d c s 控制界面； d c s 控制界面是用户与系统的操作接口，也是用户面向系统的终端，几乎所有的移 位控制操作都要经过控制界面将信息传达到下位机。这一部的工作务需要和用户协调商 议，设计出用户满意的友好界面。 第三步，设计移位控制算法； 控制铺管船的移位控制有三种方法可以实现，包括手动控制、专家自动控制和智能 学习控制三个功能模块。第一小节的内容是模拟当前铺管船的操作平台，设计出手动控 制界面。第- - d , 节主要完成专家自动控制和算法设计，通过对系统的分析，应用自动控 制技术来代替某些重复而频繁的操作，在不影响工程安全与质量的前提下，减少操作人 员的工作量，提高工作效率；第- - 4 , 节是该论文的闪光点，要在理论与实践方面有所突 破，从智能控制着手，克服海上复杂的干扰环境，研究设计一种新的铺管船移位控制方 法，并结合专家自动控制，使控制大幅度脱离人工干预，实现真正的自动化作业。 第四步，编辑控制系统程序代码； 程序代码的编辑在“组态王6 5 ”环境中完成，这是北京亚控公司最新推出的组态软 件平台，功能强大，图形界面风格优良，利用它提供的设备驱动程序和设备配置向导， 可以轻松地与各种设备进行通信。 第五步，完善d c s 控制系统的辅助功能； 这一部分完成d c s 移位控制系统与外部数据库服务器之间的数据交换问题。由于 系统的移位主控功能算法复杂，而且系统辅助功能琐碎，如果仅依赖于组态王来用代码 实现会显得系统负荷过重，甚至有些核心功能是不能够用组态王所支持的简单语言来实 现的，这就需利用数据动态交换( d d e ) 功能对组态王进行功能扩展，将复杂的核心代 码交由v i s u a lc + + 实现。 第六步，仿真调试。 1 4 本章小节 本论文所设计的铺管船在施工中采用多点锚泊移船定位的方式，即在铺管船的船首 和船尾分别布置有4 台锚机，由8 条锚缆来锁定船的方位，并通过收放锚缆来控制铺管 船沿精确航线前进；正常作业时，控制系统将根据全球卫星定位系统( g p s ) 测得的偏 差信号，以及海面上的风、浪、流的干扰程度，来协调八台锚机的收放动作，使船始终 处在预定航线上；当锚缆收放完毕时，由抛锚艇将各锚缆拖到适当的水域重新抛下，正 常作业继续进行，如此反复，从而控制铺管船沿预先设定的理想航线进行作业。 一6 一 大连理工大学硕士学位论文 目前，该铺管船移位系统控制软件可以进行自动运行调试和手动运行调试，可以对 于系统中的重要参数进行自动调节并实时反映在监控界面上。在系统自动运行前，工作 人员可以通过手动按钮适当地更改铺管船的起始位置坐标、起始前进方向、铺管船运行 的启停，从而使铺管船能够更精确地沿着预定航线前进作业；在系统自动运行中，还可 以通过手动按钮( 优先级高于自动调节) 来改变铺管船的运行状况，施加人工干预，一 是用来随时弥补自动调节的不足，改善调节效果；二是用来在调试时施加干扰，有利于 观察系统自动调节功能的稳定性、实时性、鲁棒性以及系统收敛性能。 智能l “铺管船移位拄制系统的方法与应用 2 铺管船人机对话界面规划 根据铺管船控制系统的功能特点，并经过与用户商定达成统意见，初步将其分为 五组界面分别显示，包括：主控界面、g p s 界面、示敦界面、机组界面和报警界面，各 界面之间的切换町以通过点击相应的链接按钮柬完成，下面分别进行饷单介绍。 2 1 主控界面 如图21 所示，主控界而大体分为左、右两大部分，集合了铺管船移何控制系统的 所有重要参数显示，手动控制按钮，组态界面切换链接，以及当前作业状况指示等。 一霞 | l u j ! i l 叠器琵虱 瞧悯i i 一。_ l 滋剿蒸 憋囊霉辫霪繁鬻鬻 幽2 i 铺管船的主控界面 f i g21 t h em a i nc o n t r o lw i n d o wo f t h ep i p el a y i n gv e s s e l 在主控界面中可供工作人员实时监删的重要参量有 ( 1 ) 船体所在经纬度( g p s 参数) f 2 ) 行进方向 ( 3 ) 计划航线( 红色线) ( 4 ) 实际航程( 绿色线) ( 5 ) 缆绳拉力 大连理工大学硕士学位论文 ( 6 ) 缆绳长度 ( 7 ) 电机工作状态( 电压、电流) ( 8 ) 日期时间 ( 9 ) 行进状态 主控界面左半部主要显示铺管船的平面视图，此画面能够实时再现船体移位过程及 状态。八条锚缆可随缆绳长度变化做相应的收放运动，缆绳与锚机( 船头、船尾的八个 红点) 在收放作业时伴有颜色与闪烁指示；罗盘可根据船体方位实时旋转；底行方位角 指示能够准确描述船体当前行进方向角度大小；视图右上角配有数字显示功能，既精确 又方便；船体两侧实时显示锚缆长度及拉力大小；背景坐标能够形象反映船体行进、转 向等移位状况。 主控界面右半部显示g p s 航线、电机组、控制台、链接按钮等。位于视图右上角 的是g p s 航线指示，红线代表计划路线，绿线代表铺管船实际行进路线，两都相互比 较，可以直观显示铺管船移位控制的效果，关于g p s 的细节显示可以通过点击“g p s 界 面”链接按钮转入g p s 界面进行详细观察；电机组显示的是八台电机的当前工作的电压 与电流，当电机工作参数过大或过小时都具备报警指示，电机组详细工作状态及参量大 小程度可以通过点击“电机组”进入机组界面查看；控制台上的相关按钮可以进行手动控 制，方便工作人员随时更改参量大小。 2 1 1 图形运动设计 图形运动是用来实时反映铺管船在海上作业时的运行状态，包括前进速度与方向、 锚机正反转以及锚缆收放运动等，关联到这些运动的参数均由下位机传递过来，能够真 实反映船体运动状况。为了能让用户从第一视角观察铺管船运行状况，这里主视图部分 采用了船体静止、背景相对运动的显示方式，形象地描绘出工作人员在船上真实体验到 的运动状态。 首先，将船体设制在框图中央位置不动，前后各有四个圆点分别代表八台锚机，其 颜色变化用来代表锚机的正、反转运动；与八台锚机相连接的是八条钢制定位缆绳，随 着锚机的运转，锚缆应做相应的收放运动，若用锚缆线条的收缩来反映其收放运动会显 得不真实，因为在实际铺管作业是，锚缆并不是以直线形式存在，由于受到其自身的重 力还有海水的冲击力，锚缆是以动态变化的曲线形式分布在海水中。从船体上方的角度 观察，锚缆在缓慢的收放过程中只能看出其纵向移动，而其角度的变化很微小，不易观 察出来，据此，可以将锚缆的运动用以下方式显示。 ( 1 ) 用组态王所提供的画图工具，制作一条虚线作为锚缆的示意图； ( 2 ) 将该锚缆图形复制为五份，纵向错位叠加在一起，并在缆绳的两端稍做修改， 以模仿锁链在海面浸出的变化； ( 3 ) 为每条锚缆设置其动画连接中隐含属性，让其隐含与设定好的变量相关联： 一9 一 智能掣铺管船移位控制系统的方法与碰用 ( 4 1 在应用程序命令语言中的运行时，让该变量的轮流转变，即可表现为这五条锚 缆的依次勾现，从视觉角度卜形成一幕锚缆收放的动态表现。 如倒22 图所示，按照同样的方法，并根据八台锚机所在的方位角度，制作八条可 以动态收放的锚缆，组成铺管船上主要的运动单元。 其次，锚缆的运动势必影响到船体方位的改变，表现为船体背景坐标的变化。背景 坐标分为两个自由度：一个足前后方向，主要由经纬坐标组成；另外一个是旋转方向， 主要由东西南北的方向极毕标组成。当铺营船向前航行叫，船身静止不动，山背景经纬 坐标相对向后移动来表示；当铺管船转弯时，船身静止不动，由背景方向极坐标向相反 方向旋转表示。两个自由度的运动可以同时运作，共同展不出船上第一视角的直观感受。 阿2 2主控界i 自中铺管船 f i g2 2 ap i p d a y i n gv e s s e li nt h em a i nc o n t r o lw i n d o w 最后，为r 能够更加清楚地指不铺管船所行驶的方向，在主控界面底部增加了方向 角游标指示，当船体角度发生变化时，底部标尺会随着角度的变化柑左右移动，中旬指 针所指向的读数即为、前船头所指向的方向角度。标尺的左右移动给人的动感比较强 烈，可以将船体方位的变化表现的更加生动逼真这是设计一个高质量界面关键所在i 另外，关于铺管船在整个海域的前行的航程可以在全球定位系统( g p s ) 界面上动态表 现。由于主视图部分展现的环境范围小，通过它能够观察到船体奉身方位及周边锚缆的 收放程度等类似的细节活动，但却不能从全局上把握铺管船在整个海域航线上的运行状 况，所以，在图形运动设计中特意在主控界面的右上方放嚣一个坐标系窗口来实现g p s 功能。在g p s 界面上不但能够看到计划航线，而且每当船体前进一段距离后系统 就会在g p s 界面上描上当前铺管船所在的方位坐标点并连线，以实时跟踪显示施工进 程所完成的实际路线，根据g p s 坐标还可以判断铺管船当前所处的位置。关于g p s 界 面的动态描点将在第2 小节中重点讨论。 心乡 大连理丁大学硕十学位论文 2 12 参数显示设计 主控界面中显示四个方面的重要数据。 第一，如图2 3 所示，这里所提供的是铺管船自身结构的一些蕈要参数。四个角上 的数据指示当前缆绳( 】# 8 # ) 锚点所在位置的坐标，“铺管船”左右两边的数据分别指 示当前八条缆绳( 1 # 8 # ) 的伸展长度和当前承受的拉力：船头( 上边) 、船尾( 下边) 上的八个“红点”分别表示八锚机，从船头上最左边按顺时针数分别为1 # 、2 # 、3 # 、4 # 、 5 # 、6 # 、7 # 、8 # 锚机，缆绳标号与之相对应，当锚机收锚缆时，相应的点变为黄色并闪 烁，反之放缆叫变为绿色井闪烁。 w 。嶷 第一，关于铺管船在施工海域所处的状态参数以及系统运行所需的初始化参数分别 在设立在主控界面的顶端。顶端左侧第一行表示铺管船向前行驶速度；第二行表示预定 缆绳收放速度参考值，与每条缆绳的收放速度有直接联系；第三、四行分别表示船头、 船尾的g p s 坐标：顶端有侧所显示的内容丰要用来指示铺管船当日u 所在经纬坐标系中 的位置和前进方向； 第三，显示电机运行状况，需要将机组界面的重要内容经过简化显示在主控界面操 作平台的旁边，电机图标h 来指示八台锚机的工作状态。正转( 收缆) 时电机上面的标 号变为黄色并闪烁，反转( 放缆) 时电机r 面的标号变为绿色，并c 可烁；每台电机下面 标注的是其工作电压、电流( 注意：当电机上面的标号变为红色并闪烁时，说明该电机 出现故障，处于撤警状态) ； 第四，显示铺管船所在的地理位置和已经走过的航线。这部分内容和第2 小节的 智能型铺管船移位控制系统的方法与鹿用 g p s 界面比较相似，可以说是g p s 界面的简化，主要是利用组奄王所提供的班标系控 件，在铺管船_ 下常怡肛时，根据其所在地理位置描点、连线，最后会形成该船已经走过 的航线，并且可以直接与计划航线在同一个坐标系下进行对比，为判断t 程质量的好坏 提供了重要依据。 2 13 控制台功能设计 系统控制台的设计是直接面向用户的部分，台上各种功能模块的分布应馥简单明 了。该系统主控制界面的控制台任务是执行、调度铺管船移动的各种命令，包括移船操 作方式的选择、移动功能的控制、锚缆收放操作的执行等，同时，它还能及时显不铺管 船在移动过程巾所遇到的紧急情况，如图24 所币。 l锹 盥j h #曩h “ 圉2 4 铺管船的控制台按钮 f i g2 4 t h e b u t l o n s o d t h ec o n t i o l w i n d o w 网2 4 中的两个单元是控制台的核心部分，其功能全面并且简单明r ，按键分布紧 凄，容易操作。其中左图所示为铺管船自动行驶控制而板，拨动开关是控制船体行驶的 总开关，“行驶”按键是用来控制船的“行驶”与“暂停”；“逆时针”、“顺时针”按键是用束 直接让船体随时转向。右圈所示为铺管船“运 广与“示教”的控制面板，各功能按钮说明 如下： 八组( 1 # 8 # ) 控制按钮可直接对八台锚机控制，用于手动对铺管船进行操作控制， “r 按钮可以止锚机正转( 收缆) ，“一”按钮可以让铺机反转( 放缆) i “移船操作开启( 关闭) ”用下决定是否可毗启动程序，以适当的方式来操作各个锚 缆使铺管船稳步行驶，其中操作方式可以在移船操作开启后在左侧“操作方式”中选择： “示教学习允许( 拒绝) ”用于决定是否可以进入“示教学习”状态，以便通过人工示 教让系统学列更完善的作业方式； “紧急制动关闭( 丌启) ”用于在特殊情况下迅速关闭所有系统功能模块的运行，并 执行相应的应急措施： 这里当某一功能键被启用时左侧相应的点会心以绿色闪动； “示教学习”允许状态f ，通过“示教开始”和“示教完毕”功能键可以先后选择系统进 摔一自一自克一 # 末戢救 畔峙：；+ 浪鹰手。” 塑业塑箩j 鬈鬈+1i+ 滞滞一坼一 ”雒 罅 大连理丁大学硕十学位论文 行示教学习的始束时间，中间指示点以绿色闪现。 注意当“移船操作”与“示教学习”若有一个处于启用状态，另一个将无法被启用；其 它按钮按其标注已清楚指示其功能，具体说明会在后面的仿真操作指南中再作详细介 绍。 另外，还有一种特殊的按钮，可以往不同的人机对话界面之间进行快速切换。每一 个按钮上都标有将要切入的界面名称，按下该按钮即可转入相应的界面查看其运行信 息。后面的界面巾都会存在类似的按键，其功能不再重复说明。 2 26 p s 界面 如图25 所示，本界面主要描述铺管船移位状况，其中暗线代表计划路线，明线代 表铺管船实际行进路线。工作人员可以通过底层所提供的工具柬对g p s 界面进行编辑、 查看。 f i ： 一 f _ l。，7 卜：7 广一_ i 卜7 ， 二：二： 图2 5 铺管船的g p s 界面 f i g2 5 t h e g p s w i n d o wo f t h e p i p e l a y i n gv e s s e l 铺管船的g p s 界面左半部显示的正是铺管施工所经历的航线在全球定位系统中的 屁示，未点为铺管船当时所到地点。根据航线图以及经纬坐标指不，町以实时判断管线 铺设的进展程度，将实际管线铺设路线与计划管线铺设路线进行比较，可以从直观上看 出该工程质量如何。根据两条航线的对比，还能为手动操作提供执行依据。例如，将该 界面放大来看，如果实际行驶的航线与计划航线有f f 入，便可以奄看出其偏差的方向与 程度大小，那么下步就要通过手将铺管船相反方向调节，设定锚机执行力的大小要与 偏差大d , n 适应，以期能够快速、稳定、安全地将行驶偏差矫止过来。 相应的，铺管船的g p s 界面右半部显示的是手动控制平台和数字显示窗口，上面 所提到的手动矫正过程就是在这里时进行的，其按键功能和使用说明与铺管船的主控界 面中所显示的一样，在这里就不再重复说了。该界面看似简单，但隐藏了不少功能特性， 智能型铺管船移位控制系统的方法与应用 由于组态王没有提供g p s 控件，所以在本设计中的g p s 界面是用“超级x y 曲线”控件 改造而成的，其中一部分重要功能需要代码编辑才能得以实现，具体功能细节包括：描 点功能的实现、历史数据的记录与再现、坐标数据的读取与分析、控制按钮功能设计等。 2 2 1 历史数据的记录与再现 历史数据的记录与再现借用了组态王所提供的列表框和组合框控件所提供的数据 动态加载功能。在列表框中，可以动态加载数据选项，当需要数据时，可以直接在列表 框中选择，使与控件关联的变量获得数据。组合框是文本框与列表框的组合，可以在组 合框的列表框中直接选择数据选项，也可以在组合框的文本框中直接输入数据。组态王 中列表框和组合框的形式有：普通列表框、简单组合框、下拉式组合框、列表式组合框。 它们只是在外观形式上不同，其它操作及函数使用方法都是相同的。列表框和组合框中 的数据选项可以依靠组态王提供的函数动态增加、修改，或从相关文件( c s v 格式的列 表文件) 中直接加载。在本设计中，使用列表框控件来实现历史数据的记录与再现的创 建过程如下： 单击工具箱中的“插入控件”按钮，或选择画面开发系统中的“编辑插入控件”菜单。 系统弹出“创建控件”对话框； 在种类列表中选择“窗口控制”，在右侧的内容中选择“列表框”图标，单击对话框上 的“创建”按钮，或直接双击“列表框”图标，关闭对话框。此时鼠标变成小“十”字形，在 画面上需要插入控件的地方按下鼠标左键，拖动鼠标，画面上出现一个矩形框，表示创 建后控件界面的大小。松开鼠标左键，控件在画面上显示出来。控件周围有带箭头的小 矩形框，鼠标挪到小矩形框上，鼠标箭头变为方向箭头时，按下鼠标左键并拖动，可以 改变控件的大小。当鼠标在控件上变为双“十”字型时，按下鼠标左键并拖动，可以改变 控件的位置； 用右键单击列表框控件，弹出浮动式菜单，选择菜单命令“动画连接”，弹出“设置 控件”对话框，或用左键双击列表框控件，弹出“设置控件”对话框，来设置列表控件的 属性； 在指定路径下( d ：g w s ) 仓t j 建四个列表文件( 木c s v ) ，分别命名为：s h i p l i s t p l a n x c s v 、 s h i p l i s t p l a n y c s v 、s h i p l i s t x c s v 、s h i p l i s t y c s v ，向前两个文件中分别输入计划航线 的x 、y 坐标序列； 打开列表框所在画面的画面命令语言对话框，在“显示时”标签下利用函数 l i s t l o a d l i s t ( ”列表控件名”，”d ：g w s y l j 表文件名c s v ”) 将文件中的数据读入列表控件； 在“隐含时”标签下利用函数l i s t s a v e l i s t ( ”列表控件名”，”d ：g w s y u 表文件名c s v ”) 将 新的数据保留到原文件中； 在其它画面的命令语言中稍做类似修改，利用l i s t s a v e l i s t o 函数记录新的数据，利 用l i s t l o a d l i s t o 函数载入记录过的数据，从而实时进行数据的记录和再现。 人连理工大学硕士学位论文 由于列表拧件只有兰j 它所在的画面处于运行状态时才能起作用，所以，必须在组态 千工程浏览器l l 打开运行系统设置，在土画面配置中将列表控制所在画面选择进来，从 而使系统开始运行就会激活该页面，并执行相应的数据处理功能。改数据记录和再现功 能不仅是数据库维护的有力工具，更是作为以后实现动态描点功能的铺垫。 2 22 描点功能