海上起重机虚拟样机系统 基于功能模型的设计与操作接口外文翻译资料

 2022-01-16 07:01

Virtual Prototyping System for Maritime Crane

Design and Operation Based on Functional Mock-up

Interface

Yingguang Chu, Lars Ivar Hatledal, Filippo Sanfilippo, Vilmar AElig;soslash;y, Houxiang Zhang

Department of Maritime Technology and Operations

Aalesund University College Aalesund, Norway {yich, laht, fisa, ve, hozh}@hials.no

Abstract—This paper presents the framework of a virtual prototyping system for the design and simulation of maritime crane operations. By combining the rapid-prototyping approach with the concept of interchangeable interfaces, different demanding operation scenarios can be simulated including models of the corresponding physical systems, the vessel and the surrounding environment. Multiple tradeoffs and alternative solutions can be evaluated during the design phase. This process can be achieved within a short time period, allowing for the reduction of lead-times as well as for the abatement of mistakes or system failures that may otherwise cause fatal accidents in real tests. In addition, the virtual simulator can also be used for training purposes allowing for a substantial improvement in working efficiency and operation safety. The software architecture of the proposed framework is based on the application of the Functional Mock-up Interface standard. This utilizes the current available modelling tools and allows for the exchange of dynamic models and for co-simulation of different models according to the current designing needs. The development of the framework and involved modules of maritime crane systems are described. Preliminary simulations are presented to show the effectiveness and flexibility of the proposed framework.

Keywords—virtual prototyping, maritime crane, Functional Mock-up Interface.

I. INTRODUCTION

Maritime cranes are widely used as important sub-systems to handle and transfer objects from large container ships to smaller lighters or to harbor quays. Crane operations are challenging, and involve many problems such as load sway, positioning accuracy, suppression, collision avoidance, and manipulation security. The current crane designing process is still carried out in a traditional way, which lags behind the changing requirements within a short time span. When considering both work efficiency and operation safety, the current crane design process is far from optimal. As a result, maritime cranes are designed heavier, stronger and bigger than necessary in order to meet the requirements regarding working space, lifting capability, operational efficiency and redundancy, and manipulation security.

This project work is supported by the Research Council of Norway via Innovation Projects for the Industrial Sectors “MAROFF”.

978-1-4799-8736-8/15/$31.00 copy;2015 IEEE

Hans Georg Schaathun

Department of Engineering and Natural Sciences

Aalesund University College Aalesund, Norway hasc@hials.no

The simulation of maritime cranes relies on complex models of the physical systems as well as an equally complex model of the operational environment. Efficiency, flexible performance, operational safety, environmental issues and cost targets are urgent topics to be tackled in the new generation crane design system. The main challenge is to be able to develop and configure realistic models within short time frames, thus, evaluating multiple design concepts can be done effectively, where potential trade-offs and alternatives can be evaluated within a short time period.

The goal of the current research is to develop a Virtual Crane Prototyping (VCP) framework for overall crane design and simulation of operations, including mechanical sub-system, control sub-system, hydraulic sub-system, and verification of the operational performance as a part of the design process. The emphasis and objective of this paper is on the development of a standard VCP framework for maritime crane design and operations. The rest of the paper is organized as follows. Section II presents the state of the art of virtual prototyping approaches for industrial engineering systems. Section III introduces the development of the VCP framework and its key features. Part of the preliminary results of the implementation of the framework for maritime crane design and operations is shown. At last, the conclusion and future work are given.

II. STATE OF THE ART

Since the last few decades, many good tools were used for modelling and simulating physical systems domain-specifically, for example, Flexcom3D for structure FEA, Adams for multi-body dynamics, PSCAD for the power systems, dSPACE for control systems, and GT-Suite for engine systems. These simulation software tools have proved of significant values in the design and development of components and sub-systems. Complex engineering systems such as a maritime crane comprises components and subsystems from many different domains, each with their own modelling methodology and software preference. Specialist knowledge is required in order to efficiently use the analysis capabilities of domain-specific software and the software packages are predominantly “stand-alone” and not capable of interconnection. To interface these sub-modules is non-trivial for the design process of product and system design.

The aviation and defense industry has developed advanced methods for both design and operation driven by customer and regulatory requirements. This includes the use of simulation as a design tool, as well as for o

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海上起重机虚拟样机系统

基于功能模型的设计与操作接口

Yingguang Chu,Lars Ivar Hatledal,Filippo Sanfilippo, Vilmar AElig;soslash;y, Houxiang Zhang

挪威Aalesund大学学院海事技术与运营部{yich, laht, fisa, ve, hozh}@hials.no

摘要:本文提出了一个用于海上起重机作业设计与仿真的虚拟样机系统框架。通过将快速原型方法与可互换接口的概念相结合，可以模拟不同要求的操作场景，包括相应物理系统、容器和周围环境的模型。可以在设计阶段评估多个权衡和替代解决方案。可以在很短的时间周期内完成这个过程，从而减少交付时间，并减少在实际测试中可能导致致命事故的错误或系统故障。此外，虚拟模拟器还可用于培训目的，大大提高了工作效率和操作安全。该框架的软件体系结构基于功能模拟接口标准的应用。这利用了当前可用的建模工具，并允许根据当前的设计需求交换动态模型和对不同模型进行联合仿真。介绍了海上起重机系统框架及相关模块的开发。仿真结果表明了该框架的有效性和灵活性。

关键词：虚拟样机，海上起重机，功能样机接口。

一、项目介绍

海上起重机被广泛应用于大型集装箱船舶、小型驳船或码头的装卸搬运。起重机作业具有挑战性，涉及到许多问题，如负载摇摆、定位精度、抑制、避碰和操纵安全性。目前的起重机设计过程仍然采用传统的方法，在较短的时间内落后于不断变化的要求。从工作效率和操作安全两方面考虑，目前的起重机设计过程还远远不够理想。为了满足作业空间、起重能力、作业效率和冗余度、操纵安全性等方面的要求，对海上起重机进行了超重、超强、超大型化设计。

本项目工作由挪威研究理事会通过工业部门“MAROFF”创新项目支持。

978-1-4799-8736-8/15/$31.00 copy;2015 IEEE

挪威Aalesund大学学院工程与自然科学系Hans Georg Schaathun

海上起重机的仿真依赖于复杂的物理系统模型以及同样复杂的操作环境模型。效率、灵活性、运行安全性、环境问题和成本目标是新一代起重机设计系统亟待解决的课题。主要的挑战是能否在短时间内开发和配置现实模型，因此，可以有效地评估多个设计概念，潜在的权衡和替代方案就可以在很短的时间周期内进行评估。

目前研究的目标是开发一个虚拟起重机原型(VCP)框架，用于起重机的总体设计和操作仿真，包括机械子系统、控制子系统、液压子系统，并将验证操作性能作为设计过程的一部分。本文的重点和目标是开发一个用于海上起重机设计和操作的标准VCP框架。本文的其余部分组织如下。第二部分介绍工业工程系统虚拟样机方法的现状。第三部分介绍了VCP框架的开发过程及其关键特性。部分初步成果展示了海上起重机设计与作业框架的实施情况。最后给出了结论和今后的工作。

二、目前发展水平

在过去的几十年里，许多好的工具被用于建模和模拟物理系统领域——具体地说，例如用于结构有限元的Flexcom3D、用于多体动力学的Adams、用于电力系统的PSCAD、用于控制系统的dSPACE和用于发动机系统的GT-Suite。这些仿真软件工具在组件和子系统的设计和开发中具有重要的应用价值。复杂的工程系统，例如海上起重机，由许多不同领域的组件和子系统组成，每个领域都有自己的建模方法和软件偏好。为了有效地使用特定领域软件的分析能力，需要专业知识，软件包主要是“独立的”，不能相互连接。在产品设计和系统设计过程中，这些子模块的接口是非常重要的。

航空和国防工业已经开发出先进的方法，在设计和操作上都受到客户和监管要求的驱动。这包括使用仿真作为设计工具，以及通过从模型和模拟器站点的分布式集合实现仿真模型来进行操作人员培训。航运业部分采用了这一过程的成果，主要用于船员培训。现有的训练模拟器大多与船舶机动有关，用于动态定位(DP)系统或在子系统级别学习使用与整个系统解耦的特殊设备，甚至起重机操作模拟器[1]、[2]。然而，在产品和系统设计和分析中使用模拟器是相当有限的。在过去的几年中，我们进行了一些案例研究，并使用单独的方法[3]、[4]解决了问题的某些部分。

最近在虚拟样机方面的进展是显著的。汽车工业尤其具有创新性，例如欧洲Modelisar项目，该项目导致了功能模拟接口(FMI)和其他一些功能的出现[5]。一个主要的观点是，不同学科中过多的建模工具的存在有很好的理由，并且永远不会有一个工具可以完美地应用于设计过程的每个阶段和每个分支。为了重用和交换现有的模型，解决方案在于共享的标准化接口(例如FMI)和基于共享格式的模型转换(例如XML/C-code)。因此，组件子模型可以在不同的工具中开发，这取决于它们的规程和设计人员的偏好。模型集成，或者系统的系统建模，需要一个单独的工具或集成平台。

使用特定领域的解决方案仍然存在着一些挑战。例如，FMI告诉我们如何指定要交换的参数和变量以及如何交换它们。然而，变量的定义是依赖于领域的，必须开发领域子模型及其元模型，以确保组件的兼容性。集成平台和系统仿真还必须针对域进行定制，以提供真实的虚拟测试环境。汽车制造商[6]就是一个很好的例子。然而，CarMarker离海上要求还很远，因为这种模拟器的目的是同时用于设计和操作仿真。目前，海上作业的要求越来越高。在几千米深处进行重型起重搬运，精确安装重达几百吨的水下模块，在冰雪和北方寒冷地区提供平台支撑等。如果考虑到这些作业需要专业人员之间进行更大的协调，例如在船舶操纵和起重机、绞车和ROV作业期间，复杂性就会进一步增加。

将海上起重机设计与运行仿真集成为一个系统的解决方案并不简单。目前的仿真工具与起重机设计中迫切的工业需求之间存在着一定的差距。仿真工具因为子系统有不同的关注点，这使得它们很特别。一般来说，没有任何软件工具能够将起重机的整个设计过程和操作性能结合起来。需要对海上起重机的组成部件及其接口进行标准化，以便使实现的模型能够在不同的仿真设置中重用，无论是设计、操作还是培训。

三、虚拟起重机原型框架

FMI是一个独立于工具实现可执行仿真模块的标准。自2010年发布第一个版本以来，该标准在仿真界得到了广泛的认可，并迅速被工业，特别是汽车工业所采用。2014年7月发布的FMI 2.0版本目前得到了全球35个以上工具的支持。FMI标准支持动态模型的模型交换和协同仿真。主要区别在于，协同仿真要求FMU由数值求解器完成，而用于模型交换的FMU仅实现模型本身，依赖于导入工具的求解器。功能模拟单元(FMU)包括描述要交换的动态变量的xml文件，模拟模型可以是C源代码，也可以是编译的链接库(或者两者都有)。

虽然大多数建模工具都提供了一系列接口来支持与控制系统的联合仿真和交互，但这并不容易实现系统集成。在大多数情况下，复杂系统模拟器的集成依赖于大量的手工工作和特定的解决方案。标准化的交换接口(如FMI)更加灵活，并且可以轻松地交换来自大量不同工具的组件模型。提出的VCP框架使用JavaFMI[7]导入FMUs进行协同仿真。因此，组件模型可以从能够导出FMU的工具集成。

图1所示 VCP模拟器模型结构

首先，为实现所提出的VCP仿真系统，定义了海上起重机各关键结构、部件和子单元的通用模型，如图1所示。VCP模拟器的主要功能包括:

bull;VCP模拟器高层:包括参数定义、系统性能指标(能耗、负载、系统动态、系统成本、运行安全性和效率等)

bull;模型库:所有关键海上起重机系统的通用模型库，包括主机械系统(电源、驱动、传动机械)、辅助系统(支撑系统、机械结构)和控制系统。

bull;以客户为导向的多样化设计:可轻松调整几何配置、自由度、连杆长度、气缸位置和尺寸等。

bull;控制箱:包含非传统的控制套装，具有灵活的控制算法、升沉补偿和防摇功能。

bull;用户界面:包括用于控制的触觉输入设备、可视化演示和反馈，以及针对特定案例和示例显示关键特性和结果(系统指标、图表)的图形界面。说明未来的应用领域，并确定进一步研究的含义和要求。

A.软件架构

一个通用的高级架构如图2所示。它遵循标准的模型-视图-控制器(MVC)模式，该模式规定逻辑(模型)、表示(视图)和输入(控制器)[8]之间的低耦合分离。这对于能够重用具有不同视图的仿真模型以及使用具有不同模型的可视化代码非常重要。用户界面是视图和控制器最重要的例子。视图必须是可移植的，并且可以从许多不同的平台访问，包括不同的操作系统和移动设备。这可以通过使用Web技术来实现。最重要的是，它提供了使用Web Graphics Library (WebGL)的3D可视化，这使得Web浏览器成为一个强大的可视化工具。WebGL是一个基于OpenGL ES 2.0的底层3D图形API的跨平台web标准，允许GPU加速使用物理和图像处理。本文描述的原型系统使用流行的开源JavaScript 3D库(three.js)渲染图形[9]。第二个页面提供了一个控制器，用户可以在其中设置输入信号，还可以查看来自模拟系统的结果数据。可以根据需要添加更多的视图和控制器。

图2所示 MVC模式框架的高级体系结构

仿真模型分为两层。组件层包含不同的模拟器—组件和子系统，而集成层实现包含不同组件和子系统的系统模型。组件通常在建模工具中创建并导出为功能模拟单元(FMU)，但也可以使用通用编程语言或其他工具实现。集成层实现了系统模型，并作为协同仿真的主节点，协同仿真奴隶运行在组件层中。

在组件层，我们使用一个围绕FMU的瘦Java包装器，通过远程方法调用(Remote Method Invocation, RMI)导出功能。组件或子系统(如原型中的控制系统)可以直接在Java中实现，以模仿RMI上的FMU接口。

我们开发了一个原型来演示该体系结构。该原型的主要目的是演示WebGL中的三维可视化与导入FMUs等组件的Java实现的模型之间的松散耦合。使用WebSocket协议实现了与可视化层的双向通信。庞教授开发了一个用于研究高性能、节能建筑设计、施工和运营的eLearn平台。

B.组件层

bull;机械子系统

用Solidworks、NX等CAD软件建立了起重机的三维模型。有限元分析(FEA)，静态分析可以通过这些程序实现。为了与虚拟样机系统集成，机械部分的目标包括:首先，研究工作空间和静载荷能力的起重机参数化和配置，通常在概念设计阶段;其次，控制算法和运行性能的研究应包括运动学和动力学模型;

提出了一种工作空间计算与可视化方法。同时计算了关节和执行机构的静力。建立了起重机的动力学模型，并给出了[12]。该模型可以作为单独的FMU导出，用于VCP系统的协同仿真。3D可视化的一种替代方法是将CAD模型导出为COLLADA文件，然后导入WebGL。

bull;液压子系统

海上起重机大多装有液压动力装置，以实现高运力。基于键合图(BG)方法，在仿真软件20-sim中对液压系统进行建模。BG方法是一种基于识别系统能量结构的建模方法。一个物理系统可以分解为几个基本属性，并由表示这些属性的相关理想化元素表示。它们之间的相互作用称为能量键或功率键。一个测试版支持FMU导出用于联合仿真。其他工具也可以使用，只要他们支持FMU出口的联合仿真。

bull;控制子系统

为了实现海上起重机在恶劣工作环境下的安全运行，提出了升沉补偿和防摇功能等智能控制算法。在VCP框架中模拟的起重机可以由用户以多种不同的方式进行控制。这包括一个接一个关节的直接控制以及位置或速度控制的可选逆运动学算法。升沉补偿和减摇算法是基于逆运动学算法的。其原理是将起重机的顶部移到与波浪和载荷摇摆相反的位置。控制算法直接在Java中作为模块实现，并通过RMI公开，与FMUs类似，这允许控制算法作为一个单独的进程或在不同的主机上运行，而控制算法可能会占用大量CPU。与FMUs一样，新的控制算法可以添加到系统中，用于测试和评估[15]。

C.集成层

集成层管理由多个组件模型组成的系统模型，每个组件模型本身都具有一定的复杂性。集成层完全用Java实现，基于一个简单的通用海上起重机模型。将起重机的运动结构建模为场景图的一部分，描述了仿真中包含的所有对象的父-子关系。场景图中对象的行为可以在FMUs中实现，也可以直接在Java代码中实现。

D.可视化层

通过WebGL技术，用户可以在支持WebGL的浏览器中查看模拟模型，而无需安装任何附加软件。由于模拟运行在集中的服务器上，所以用户不需要特别强大的计算机来与之交互，即使模拟可能非常复杂。任何由three.js支持的3D模型都可以可视化。在VCP框架中实现了起重机的WebGL场景，如图3所示。随着场景中每个对象的位置数据从服务器中取出，场景也随之更新。所示为起重机作业的工作空间网格。图3所示。

图3所示 起重机操作及其工作空间的WebGL场景

四、结论及未来工作

在上述部分中，介绍了一个虚拟起重机原型系统框架的开发。接口和集成基于FMI标准。为了实现该系统的通用解决方案，适合于设计和运行仿真，将框架的模型结构分为三层。讨论了所涉及的系统模块及其元模型。介绍了初步实施结果。未来的工作包括建立框架作为实现的标准格式，开发组件和系统模型库。界面CAD设计与仿真在参数化和三维可视化方面具有挑战性。

参考文献

[1]海上仿真中心AS，起重机仿真器，网址: http://offsim.no/Products/Crane-Simulators#, 2014.

[2]Algoryx

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资料编号：[1261]

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