FPSO軟鋼臂系泊監(jiān)測集成系統(tǒng)設(shè)計

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1、  FPSO 軟鋼臂系泊監(jiān)測集成系統(tǒng)設(shè)計 劉濤，唐達(dá) （大連理工大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，遼寧 大連 116023） 5 10 15 20 25 30 35 40 摘要：針對目前 FPSO 軟鋼臂系泊系統(tǒng)缺乏集成監(jiān)測的現(xiàn)狀，基于軟鋼臂系泊系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特 征，設(shè)計了對該類 FPSO 及其系泊結(jié)構(gòu)運(yùn)動姿態(tài)和外部環(huán)境實(shí)時監(jiān)測的集成系統(tǒng)。傳感器采 集到的

2、原型測量數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)據(jù)采集器傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，集成采集軟件對數(shù)據(jù)處理之后得到所需 要的監(jiān)測要素。通過對“海洋石油 102”在 2102 年 6 月至 12 月的現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析， 總結(jié)了 FPSO 及其系泊結(jié)構(gòu)在該時間段內(nèi)的運(yùn)動規(guī)律。 關(guān)鍵詞：計算機(jī)應(yīng)用；FPSO；系泊系統(tǒng)；現(xiàn)場監(jiān)測；長期統(tǒng)計 中圖分類號：P752 Design of integrated monitoring system for FPSO Soft Yoke mooring Liu Tao, Tang Da (Dalian University Of Technology, LiaoNing DaLi

3、an 116023) Abstract: Aiming at status of FPSO soft yoke lack of integrated monitoring, in view of the characteristic of soft yoke structure, a real-time and integrated monitoring system for the movement posture of FPSO mooring structure and the external environment was designed. The data measure

4、d by the sensors transform to the PC via data acquisition unit. By statistical and analysis of the real-time measured data from “HYSY102” In June 2102 to December, the motion law of FPSO and mooring structure was summarized in this period. Keywords: Computer application; FPSO; mooring system; fie

5、ld motoring; long-term statistical 0 引言 FPSO 軟剛臂系泊系統(tǒng)在我國渤海和南海油氣開發(fā)中廣泛應(yīng)用，但近年來，由于過度的 使用或者海上環(huán)境的突發(fā)惡劣狀況導(dǎo)致軟剛臂失效，甚至整個系泊系統(tǒng)癱瘓，不僅造成巨大 的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡，還會造成嚴(yán)重的環(huán)境污染[1]。通過對 FPSO 船體姿態(tài)和外部環(huán)境條 件進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，可以有效的反映軟剛臂的載荷和運(yùn)動狀態(tài)，不但能夠保證船體的安全運(yùn)行， 還可以通過對監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析來對該類系泊系統(tǒng)的評價及設(shè)計提供可靠的佐證。目前許多研 究機(jī)構(gòu)致力于軟剛臂模型建立和分析[2][3]以及船體運(yùn)動的仿真[4]以改進(jìn)系

6、泊系統(tǒng)的設(shè)計[5] ， 能夠獲取到現(xiàn)場監(jiān)測第一手?jǐn)?shù)據(jù)對建模分析和仿真會有很大的驗證和輔助作用。 隨著安全結(jié)構(gòu)識別、系泊載荷研究技術(shù)的不斷提高，各種傳感器的靈敏性、計算機(jī)軟硬 件的發(fā)展，對海洋環(huán)境及早的預(yù)知性和采取的防范措施，目前國內(nèi)外一些對海洋采油平臺的 實(shí)時監(jiān)測已經(jīng)取得了卓越的成效，但針對 FPSO 軟剛臂系泊系統(tǒng)的監(jiān)測研究仍然很少。對海 洋平臺的現(xiàn)場監(jiān)測目前大多數(shù)監(jiān)測方式是利用高精度傳感測量儀器對其外部海洋環(huán)境進(jìn)行 實(shí)時監(jiān)測[6]或者實(shí)測船體運(yùn)動相應(yīng)數(shù)據(jù)[7]。由于 FPSO 軟剛臂系泊系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特殊性，要求 監(jiān)測內(nèi)容不僅僅要包括外部環(huán)境，也需要對 FPSO 船體的姿態(tài)、軟剛

7、臂系泊負(fù)載狀態(tài)能夠給 出及時的監(jiān)測和分析。此外，要想正確全面的對平臺做出評價[8]，監(jiān)測系統(tǒng)的高集成化[9]和 實(shí)時性[10]也是不可缺少的。 作者簡介：劉濤，（1987-），男，碩士研究生，主要研究生方向：海洋平臺監(jiān)測，數(shù)據(jù)分析與挖掘。E-mail: lytao123sc@ 通信聯(lián)系人：唐達(dá)，（1961-），男，副教授，主要研究方向：海洋平臺監(jiān)測技術(shù)，基于傳感器網(wǎng)絡(luò)的三維 仿真技術(shù)，系統(tǒng)建模理論與工作流技術(shù)。E-mail: tangda@ -1-  渤海“友誼號”和“海洋石油 102”采油平臺均系 FPS

8、O 軟剛臂系泊系統(tǒng)，針對該類系 泊系統(tǒng)的特點(diǎn)以及平臺的工作情況，在保證監(jiān)測系統(tǒng)穩(wěn)定可靠性和監(jiān)測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性原則的 基礎(chǔ)上，并盡可能的提高經(jīng)濟(jì)效益，本文提出了一套利用高精度儀器測量外部環(huán)境、多個高 精度傾角以及 RTK GPS 動態(tài)定位儀測量計算船體姿態(tài)的硬件監(jiān)測系統(tǒng)[11]。軟件集成系統(tǒng)通 45 過上位機(jī)軟件從串口讀取傳感器數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理之后得到需要監(jiān)測的各項要素的數(shù) 據(jù)，采用 windows 操作下的圖形用戶界面，方便操作人員使用，既做到監(jiān)測數(shù)據(jù)的實(shí)時顯 示和平臺預(yù)警，也實(shí)現(xiàn)了監(jiān)測數(shù)據(jù)的歷史查詢。 1 系統(tǒng)整體架構(gòu) 50  1.1

9、 硬件監(jiān)測系統(tǒng) 硬件監(jiān)測系統(tǒng)主要包括各種測量傳感器和數(shù)據(jù)采集器。以下是各類傳感器布點(diǎn)方案： 高精度傾角傳感器：2 傾角傳感器安裝于船體表面，用于測量船體橫搖、縱搖；其余四 個傾角傳感器分別安裝在左右系泊腿和 YOKE 臂，用于測量船體距單點(diǎn)平臺距離（縱蕩） 以及船體的水平系泊力。 風(fēng)速風(fēng)向儀：船體上方高點(diǎn)。 55 GPS：采取兩個 GPS 測量艏向角，分別安裝于船體和單點(diǎn)上，可以通過數(shù)據(jù)獲得船體 航向（艏向角）、升沉以及船體距單點(diǎn)的距離。 1.2  上位機(jī)軟件集成系統(tǒng) 軟件系統(tǒng)是整套監(jiān)測系統(tǒng)的核心組成部分，一方面可將硬件設(shè)備集成化管理和數(shù)據(jù)處

10、 理，對設(shè)備進(jìn)行同步的通訊、顯示以及數(shù)據(jù)存儲，同時也可提供友好界面，供平臺作業(yè)者及 60 時了解監(jiān)測信息，及時的提供平臺預(yù)警，并對歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行回訪、報表打印等處理。 圖 1 監(jiān)測系統(tǒng)軟件功能圖 Fig.1 Functional chart of monitoring system software 65  1.3  軟硬件監(jiān)測集成系統(tǒng)數(shù)據(jù)流過程 系統(tǒng)數(shù)據(jù)流過程主要分為兩個階段：傳感器->數(shù)據(jù)采集器、數(shù)據(jù)采集器->上位機(jī)數(shù)據(jù)中 心。 數(shù)據(jù)采集器對多個傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一格式處理，并進(jìn)行原始數(shù)據(jù)保

11、存，將格式處理之 后的數(shù)據(jù)通過串口服務(wù)器傳輸?shù)缴衔粰C(jī)數(shù)據(jù)中心。上位機(jī)從數(shù)據(jù)中心中提取數(shù)據(jù)，在保證多 70 個傳感器數(shù)據(jù)同步實(shí)時性基礎(chǔ)上對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理解算得到監(jiān)測要素數(shù)據(jù)。 -2-  圖 2 軟剛臂單點(diǎn)系泊監(jiān)測系統(tǒng)流程圖 Fig.2 Flow chart of the monitoring system for the soft yoke single point mooring 2 數(shù)據(jù)同步實(shí)時及異常處理 75

12、 80 由于在數(shù)據(jù)處理過程中會需要兩個或者多個傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行集成計算之后才會得到 最終需要的監(jiān)測要素，確保不同傳感器發(fā)出數(shù)據(jù)的同步性及能夠及時判斷傳感器的工作狀態(tài) 可以保證確保監(jiān)測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和完備性。此外，平臺上環(huán)境條件復(fù)雜，為了能夠及時讓工 作人員了解到傳感器的工作情況，系統(tǒng)在是識別的傳感器異常情況之后，在操作界面上給予 及時的錯誤顯示。 圖 3 異常數(shù)據(jù)處理流程圖 Fig.3 Flow chart of processing the exce

13、ption data 85  2.1  計算某一監(jiān)測要素需要同時具備兩個傳感器的數(shù)據(jù) 求解船體距單點(diǎn)距離、升沉和船體系泊受力同時需要系泊腿和 YOKE 臂在一個方向上 兩個傾角的測量值、求解船體航向需要兩個 GPS 的數(shù)據(jù)，此情況需要兩個傳感器在某一時 刻必須同時都在正常工作，否則兩個傳感器的數(shù)據(jù)都不可信。 每個傳感器數(shù)據(jù)處理程序添加一個標(biāo)志位和計時器，程序收到數(shù)據(jù)并且校驗成功則修改 標(biāo)志位，并且計時器置為零，否則計時器每秒加一，當(dāng)任何一個傳感器處理程序的計時器達(dá) 90 到某一上限值時，放棄等待該傳感器，并在操作界面上給予該傳感器錯

14、誤的提示，直到其恢 復(fù)正常工作。 2.2  兩組傳感器測量之后的數(shù)據(jù)經(jīng)過處理之后作為最后的監(jiān)測結(jié)果 為了保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和完備性，船體橫搖、縱搖、船體距單點(diǎn)距離、升沉和船體系泊 受力均需要兩組傾角傳感器的測量結(jié)果求解平均值作為最后監(jiān)測要素的測量結(jié)果。 95 每組數(shù)據(jù)處理程序添加一個標(biāo)志位和計時器，當(dāng)數(shù)據(jù)被更新時，修改標(biāo)志位，并且計時 器置零。計時器每秒加一，當(dāng)計時器達(dá)到某一上限值時，判定該組傳感器發(fā)生問題，放棄該 組傳感器，并在操作界面上給予錯誤警示，此后只采用另外一組傳感器的數(shù)據(jù)，直到該組數(shù) -3- 據(jù)恢

15、復(fù)正常。 3 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析  100  3.1  FPSO 長期監(jiān)測統(tǒng)計結(jié)果與分析 目前本監(jiān)測系統(tǒng)對“海洋石油 102”進(jìn)行了持續(xù) 9 個月的現(xiàn)場監(jiān)測，獲取了大量的 FPSO 六自由度及其系泊結(jié)構(gòu)運(yùn)動的實(shí)測數(shù)據(jù)?！昂Ｑ笫?102”FPSO 實(shí)測數(shù)據(jù)采集頻率為 1HZ， 對采集到的實(shí)測數(shù)據(jù)每一個小時計算其最大值，最能表達(dá) FPSO 及其系泊結(jié)構(gòu)的運(yùn)動特征。 對 FPSO 橫搖、縱搖和縱蕩 3 個自由度運(yùn)動較為明顯，而系泊腿的橫擺運(yùn)動、系泊結(jié)構(gòu)的水 105 平和垂直受力對系泊結(jié)構(gòu)的安全影響較大。

16、 圖 4 船體縱搖運(yùn)動統(tǒng)計結(jié)果 Fig.4 Statistic result of the pitch 110  圖 5  船體橫搖運(yùn)動統(tǒng)計結(jié)果 Fig.5 Statistic result of the roll 圖 6 船體縱蕩運(yùn)動統(tǒng)計結(jié)果 Fig.6 Statistic result of the surge 115 -

17、4- 圖 7 系泊腿橫擺振幅統(tǒng)計結(jié)果 Fig.7 Statistic result of the horizontal swing of mooring leg  120 125  圖 8 系泊結(jié)構(gòu)水平受力統(tǒng)計結(jié)果 Fig.8 Statistic result of the Horizontal force of mooring structure

18、 通過對 2012 年 6-12 月的現(xiàn)場監(jiān)測提取和分析可以得知，如圖 4-9 中所示，F(xiàn)PSO 縱搖 最大達(dá)到 1.5 度，橫搖最大達(dá)到 2.5 度，縱蕩最大可超過 3m，系泊腿橫擺最大達(dá)到了 5 度， 系泊水平受力最大超過了 100t，系泊腿軸力最大也超過了 500t。同時，11-12 月 FPSO 橫縱 搖以及系泊結(jié)構(gòu)受力明顯大于其他月份，這與渤海海域的海洋環(huán)境有關(guān)，因此該時間段往往 是 FPSO 系泊結(jié)構(gòu)破壞的頻發(fā)期。 3.2  監(jiān)測數(shù)據(jù)可靠性分析 通過安裝在系泊支架和系泊單點(diǎn)處的 RTK GPS 可以測量船體與單點(diǎn)之間的距離和高 130 度，但由于

19、現(xiàn)場工況環(huán)境的復(fù)雜性，GPS 監(jiān)測會出現(xiàn)缺失現(xiàn)象，為了保證能夠獲取到全面 的監(jiān)測數(shù)據(jù)，可通過系泊腿和 YOKE 臂的傾角轉(zhuǎn)化為距離修補(bǔ) GPS 的測量位置數(shù)據(jù)。 圖 9 GPS 實(shí)測距離與傾角轉(zhuǎn)換距離對比 Fig.9 Comparison chart of distance between GPS measured and angle transformed -5-  1

20、35 140 145  圖 10 GPS 實(shí)測高度差與傾角轉(zhuǎn)換高度差對比 Fig.10 Comparison chart of height difference between GPS measured and angle transformed 通過對“渤海友誼號”實(shí)測數(shù)據(jù)分析，如圖 10,11 所示，發(fā)現(xiàn)通過傾角轉(zhuǎn)換與 GPS 的 實(shí)測得到船體距單點(diǎn)距離和高度差非常吻合，GPS 測量得到的數(shù)據(jù)比傾角轉(zhuǎn)換得到的變化 明顯，說明了 GPS 直接測量較傾角轉(zhuǎn)換靈敏度更高，也

21、證明了通過傾角計算來校準(zhǔn)和修補(bǔ) GPS 測量數(shù)據(jù)方法的可行性。 4 結(jié)論 本文提出的針對 FPSO 軟剛臂系泊系統(tǒng)海洋平臺的實(shí)時監(jiān)測數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了從傳 感器監(jiān)測到計算機(jī)集成顯示、數(shù)據(jù)保存整個平臺監(jiān)測過程。經(jīng)過較多實(shí)驗的驗證，選取了既 可以保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，又可以保證數(shù)據(jù)穩(wěn)定性和實(shí)時性的解算方法。通過采用多組傳感器 數(shù)據(jù)校正，及時的傳感器錯誤異常處理，可以保證數(shù)據(jù)的完備性。該系統(tǒng)可以既可以實(shí)時的 反應(yīng)平臺的狀態(tài)，也可以從歷史數(shù)據(jù)中對平臺做出必要的分析和評價。目前該監(jiān)測系統(tǒng)已在 渤?！安澈Ｓ颜x號”和“海洋石油 102”上投入使用超過 12 個月，運(yùn)行狀況良好。 15

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