FPSO软钢臂系泊监测集成系统设计

FPSO 软钢臂系泊监测集成系统设计刘涛，唐达（大连理工大学计算机科学与技术学院，辽宁 大连 116023）510152025303540摘要：针对目前 FPSO 软钢臂系泊系统缺乏集成监测的现状，基于软钢臂系泊系统的结构特征，设计了对该类 FPSO 及其系泊结构运动姿态和外部环境实时监测的集成系统。传感器采集到的原型测量数据经过数据采集器传输到上位机，集成采集软件对数据处理之后得到所需要的监测要素。通过对“海洋石油 102”在 2102 年 6 月至 12 月的现场实测数据进行统计分析，总结了 FPSO 及其系泊结构在该时间段内的运动规律。关键词：计算机应用；FPSO；系泊系统；现场监测；长期统计中图分类号：P752Design of integrated monitoring system for FPSO Soft YokemooringLiu Tao, Tang Da(Dalian University Of Technology, LiaoNing DaLian 116023)Abstract: Aiming at status of FPSO soft yoke lack of integrated monitoring, in view of thecharacteristic of soft yoke structure, a real-time and integrated monitoring system for themovement posture of FPSO mooring structure and the external environment was designed. Thedata measured by the sensors transform to the PC via data acquisition unit. By statistical andanalysis of the real-time measured data from “HYSY102” In June 2102 to December, the motionlaw of FPSO and mooring structure was summarized in this period.Keywords: Computer application; FPSO; mooring system; field motoring; long-term statistical0 引言FPSO 软刚臂系泊系统在我国渤海和南海油气开发中广泛应用，但近年来，由于过度的使用或者海上环境的突发恶劣状况导致软刚臂失效，甚至整个系泊系统瘫痪，不仅造成巨大的经济损失和人员伤亡，还会造成严重的环境污染1。通过对 FPSO 船体姿态和外部环境条件进行实时监测，可以有效的反映软刚臂的载荷和运动状态，不但能够保证船体的安全运行，还可以通过对监测数据的分析来对该类系泊系统的评价及设计提供可靠的佐证。目前许多研究机构致力于软刚臂模型建立和分析23以及船体运动的仿真4以改进系泊系统的设计5 ，能够获取到现场监测第一手数据对建模分析和仿真会有很大的验证和辅助作用。随着安全结构识别、系泊载荷研究技术的不断提高，各种传感器的灵敏性、计算机软硬件的发展，对海洋环境及早的预知性和采取的防范措施，目前国内外一些对海洋采油平台的实时监测已经取得了卓越的成效，但针对 FPSO 软刚臂系泊系统的监测研究仍然很少。对海洋平台的现场监测目前大多数监测方式是利用高精度传感测量仪器对其外部海洋环境进行实时监测6或者实测船体运动相应数据7。由于 FPSO 软刚臂系泊系统的结构特殊性，要求监测内容不仅仅要包括外部环境，也需要对 FPSO 船体的姿态、软刚臂系泊负载状态能够给出及时的监测和分析。此外，要想正确全面的对平台做出评价8，监测系统的高集成化9和实时性10也是不可缺少的。作者简介：刘涛，（1987-），男，硕士研究生，主要研究生方向：海洋平台监测，数据分析与挖掘。E-mail:lytao123sc通信联系人：唐达，（1961-），男，副教授，主要研究方向：海洋平台监测技术，基于传感器网络的三维仿真技术，系统建模理论与工作流技术。E-mail: tangda-1-渤海“友谊号”和“海洋石油 102”采油平台均系 FPSO 软刚臂系泊系统，针对该类系泊系统的特点以及平台的工作情况，在保证监测系统稳定可靠性和监测数据的准确性原则的基础上，并尽可能的提高经济效益，本文提出了一套利用高精度仪器测量外部环境、多个高精度倾角以及 RTK GPS 动态定位仪测量计算船体姿态的硬件监测系统11。软件集成系统通45过上位机软件从串口读取传感器数据，然后进行数据处理之后得到需要监测的各项要素的数据，采用 windows 操作下的图形用户界面，方便操作人员使用，既做到监测数据的实时显示和平台预警，也实现了监测数据的历史查询。1 系统整体架构501.1硬件监测系统硬件监测系统主要包括各种测量传感器和数据采集器。以下是各类传感器布点方案：高精度倾角传感器：2 倾角传感器安装于船体表面，用于测量船体横摇、纵摇；其余四个倾角传感器分别安装在左右系泊腿和 YOKE 臂，用于测量船体距单点平台距离（纵荡）以及船体的水平系泊力。风速风向仪：船体上方高点。55GPS：采取两个 GPS 测量艏向角，分别安装于船体和单点上，可以通过数据获得船体航向（艏向角）、升沉以及船体距单点的距离。1.2上位机软件集成系统软件系统是整套监测系统的核心组成部分，一方面可将硬件设备集成化管理和数据处理，对设备进行同步的通讯、显示以及数据存储，同时也可提供友好界面，供平台作业者及60时了解监测信息，及时的提供平台预警，并对历史数据进行回访、报表打印等处理。图 1 监测系统软件功能图Fig.1Functional chart of monitoring system software651.3软硬件监测集成系统数据流过程系统数据流过程主要分为两个阶段：传感器-数据采集器、数据采集器-上位机数据中心。数据采集器对多个传感器数据进行统一格式处理，并进行原始数据保存，将格式处理之后的数据通过串口服务器传输到上位机数据中心。上位机从数据中心中提取数据，在保证多70个传感器数据同步实时性基础上对原始数据进行处理解算得到监测要素数据。-2-图 2 软刚臂单点系泊监测系统流程图Fig.2 Flow chart of the monitoring system for the soft yoke single point mooring2 数据同步实时及异常处理7580由于在数据处理过程中会需要两个或者多个传感器的数据进行集成计算之后才会得到最终需要的监测要素，确保不同传感器发出数据的同步性及能够及时判断传感器的工作状态可以保证确保监测数据的准确性和完备性。此外，平台上环境条件复杂，为了能够及时让工作人员了解到传感器的工作情况，系统在是识别的传感器异常情况之后，在操作界面上给予及时的错误显示。图 3 异常数据处理流程图Fig.3 Flow chart of processing the exception data852.1计算某一监测要素需要同时具备两个传感器的数据求解船体距单点距离、升沉和船体系泊受力同时需要系泊腿和 YOKE 臂在一个方向上两个倾角的测量值、求解船体航向需要两个 GPS 的数据，此情况需要两个传感器在某一时刻必须同时都在正常工作，否则两个传感器的数据都不可信。每个传感器数据处理程序添加一个标志位和计时器，程序收到数据并且校验成功则修改标志位，并且计时器置为零，否则计时器每秒加一，当任何一个传感器处理程序的计时器达90到某一上限值时，放弃等待该传感器，并在操作界面上给予该传感器错误的提示，直到其恢复正常工作。2.2两组传感器测量之后的数据经过处理之后作为最后的监测结果为了保证数据的准确性和完备性，船体横摇、纵摇、船体距单点距离、升沉和船体系泊受力均需要两组倾角传感器的测量结果求解平均值作为最后监测要素的测量结果。95每组数据处理程序添加一个标志位和计时器，当数据被更新时，修改标志位，并且计时器置零。计时器每秒加一，当计时器达到某一上限值时，判定该组传感器发生问题，放弃该组传感器，并在操作界面上给予错误警示，此后只采用另外一组传感器的数据，直到该组数-3-据恢复正常。3 监测数据分析1003.1FPSO 长期监测统计结果与分析目前本监测系统对“海洋石油 102”进行了持续 9 个月的现场监测，获取了大量的 FPSO六自由度及其系泊结构运动的实测数据。“海洋石油 102”FPSO 实测数据采集频率为 1HZ，对采集到的实测数据每一个小时计算其最大值，最能表达 FPSO 及其系泊结构的运动特征。对 FPSO 横摇、纵摇和纵荡 3 个自由度运动较为明显，而系泊腿的横摆运动、系泊结构的水105平和垂直受力对系泊结构的安全影响较大。图 4 船体纵摇运动统计结果Fig.4 Statistic result of the pitch110图 5船体横摇运动统计结果Fig.5 Statistic result of the roll图 6 船体纵荡运动统计结果Fig.6 Statistic result of the surge115-4-图 7 系泊腿横摆振幅统计结果Fig.7 Statistic result of the horizontal swing of mooring leg120125图 8 系泊结构水平受力统计结果Fig.8 Statistic result of the Horizontal force of mooring structure通过对 2012 年 6-12 月的现场监测提取和分析可以得知，如图 4-9 中所示，FPSO 纵摇最大达到 1.5 度，横摇最大达到 2.5 度，纵荡最大可超过 3m，系泊腿横摆最大达到了 5 度，系泊水平受力最大超过了 100t，系泊腿轴力最大也超过了 500t。同时，11-12 月 FPSO 横纵摇以及系泊结构受力明显大于其他月份，这与渤海海域的海洋环境有关，因此该时间段往往是 FPSO 系泊结构破坏的频发期。3.2监测数据可靠性分析通过安装在系泊支架和系泊单点处的 RTK GPS 可以测量船体与单点之间的距离和高130度，但由于现场工况环境的复杂性，GPS 监测会出现缺失现象，为了保证能够获取到全面的监测数据，可通过系泊腿和 YOKE 臂的倾角转化为距离修补 GPS 的测量位置数据。图 9 GPS 实测距离与倾角转换距离对比Fig.9 Comparison chart of distance between GPS measured and angle transformed-5-135140145图 10 GPS 实测高度差与倾角转换高度差对比Fig.10 Comparison chart of height difference between GPS measured and angle transformed通过对“渤海友谊号”实测数据分析，如图 10,11 所示，发现通过倾角转换与 GPS 的实测得到船体距单点距离和高度差非常吻合，GPS 测量得到的数据比倾角转换得到的变化明显，说明了 GPS 直接测量较倾角转换灵敏度更高，也证明了通过倾角计算来校准和修补GPS 测量数据方法的可行性。4 结论本文提出的针对 FPSO 软刚臂系泊系统海洋平台的实时监测数据采集系统，实现了从传感器监测到计算机集成显示、数据保存整个平台监测过程。经过较多实验的验证，选取了既可以保证数据的准确性，又可以保证数据稳定性和实时性的解算方法。通过采用多组传感器数据校正，及时的传感器错误异常处理，可以保证数据的完备性。该系统可以既可以实时的反应平台的状态，也可以从历史数据中对平台做出必要的分析和评价。目前该监测系统已在渤海“渤海友谊号”和“海洋石油 102”上投入使用超过 12 个月，运行状况良好。150参考文献 (References)1 李良碧，王自力，尹群等. 油气泄漏灾害下海洋平台风险影响因素研究J. 海洋工程，2011，29(2)：92-982 肖龙飞，杨立军，杨建民. 软刚臂系泊系统水平恢复力特性数值预报J. 海洋工程，2008,26(1)：24-283 XIAO Long-fei, YANG Jian-min, YANG Li-jun, LI Xin. 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