一種三維動(dòng)態(tài)測(cè)量系統(tǒng)在海洋工程中的應(yīng)用*

杜軍波

(92941部隊(duì)95分隊(duì) 葫蘆島 125001)

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一種三維動(dòng)態(tài)測(cè)量系統(tǒng)在海洋工程中的應(yīng)用*

杜軍波

(92941部隊(duì)95分隊(duì) 葫蘆島 125001)

論文主要介紹了一種三維動(dòng)態(tài)測(cè)量系統(tǒng)的組成、工作原理等。通過(guò)油盛鉆井平臺(tái)在SZ36-1 WHPL平臺(tái)對(duì)接作業(yè)中的應(yīng)用舉例,不僅保證了定位引導(dǎo)系統(tǒng)的精度,而且還可以實(shí)現(xiàn)虛擬三維實(shí)景顯示,提高了鉆井平臺(tái)對(duì)接過(guò)程的直觀性、真實(shí)性、安全性等,具有廣闊的應(yīng)用前景。

海洋工程; 三維動(dòng)態(tài)測(cè)量; 虛擬現(xiàn)實(shí)

Class Number P288.4

1 引言

海洋石油開(kāi)發(fā)是世界上公認(rèn)安全風(fēng)險(xiǎn)最大的行業(yè)之一,近幾年,海洋工程施工的精度要求也越來(lái)越高,例如,2002年之前,安裝在海上的導(dǎo)管架上一般有不超過(guò)16口的作業(yè)井口,鉆井平臺(tái)與導(dǎo)管架、水下井口對(duì)接定位工程的定位作業(yè)要求鉆井平臺(tái)艏向精度為±2°,定位精度為±0.5m,施工進(jìn)度沒(méi)有明確的要求;而近幾年來(lái),導(dǎo)管架上一般都有超過(guò)24口的作業(yè)井口,為了保證鉆井平臺(tái)能夠完全覆蓋井口,鉆井平臺(tái)與導(dǎo)管架、水下井口對(duì)接定位工程的作業(yè)精度要求鉆井平臺(tái)艏向精度為±0.25°,定位精度為±0.2m,施工進(jìn)度有明確的要求和日程安排。因此,海洋工程傳統(tǒng)的定位引導(dǎo)作業(yè)方法和手段受到挑戰(zhàn),要求向技術(shù)高、精、尖以及高效、高可靠性方向發(fā)展。

一直以來(lái),鉆井平臺(tái)與導(dǎo)管架、水下井口的對(duì)接都采用二維平面定位的方式進(jìn)行定位引導(dǎo),平臺(tái)的縱橫搖角度忽略不計(jì)。由于測(cè)量精度較低,致使測(cè)算的數(shù)據(jù)與鉆井平臺(tái)的實(shí)際位置方位產(chǎn)生較大的誤差。對(duì)于某些特種作業(yè)任務(wù)的高精度定位需求,由海風(fēng)、潮流等環(huán)境因素對(duì)載體產(chǎn)生的多自由度復(fù)合運(yùn)動(dòng)引起的位置偏差是不能忽略的。在水深為30m的作業(yè)區(qū)域,當(dāng)鉆井平臺(tái)產(chǎn)生0.5°的縱橫搖誤差時(shí),樁腿底部就會(huì)產(chǎn)生0.26m的偏差?，F(xiàn)如今,各個(gè)固定平臺(tái)都延伸出多條管線,如果測(cè)量精度稍有偏差,定位過(guò)程就會(huì)存在鉆井平臺(tái)樁腿刮碰海底管線的風(fēng)險(xiǎn),為實(shí)施就位任務(wù)帶來(lái)決策上的困難。

三維動(dòng)態(tài)測(cè)量系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)海上移動(dòng)目標(biāo)的水面/水下全景顯示,通過(guò)高精度的三維實(shí)時(shí)測(cè)量,建立了基于計(jì)算機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的對(duì)接三維場(chǎng)景,復(fù)雜移動(dòng)被測(cè)目標(biāo)及水下地形地貌三維圖形得到重構(gòu)及直觀顯示,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)接過(guò)程的三維高精度定位,取消了潛水員下水作業(yè)環(huán)節(jié),大大降低了作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。

2 系統(tǒng)構(gòu)成

本系統(tǒng)主要包括兩部分內(nèi)容,第一部分是通過(guò)激光陀螺慣導(dǎo)系統(tǒng)(INS)、差分GPS(DGPS)、電羅經(jīng)、超短基線水聲定位系統(tǒng)(USBL)等多種傳感器,實(shí)現(xiàn)鉆井平臺(tái)與導(dǎo)管架和水下井口對(duì)接的高實(shí)時(shí)性、強(qiáng)容錯(cuò)性的三維實(shí)時(shí)參數(shù)測(cè)量。第二部分是利用虛擬現(xiàn)實(shí)三維動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)顯示技術(shù)對(duì)鉆井平臺(tái)和導(dǎo)管架對(duì)接、鉆井平臺(tái)和水下井口對(duì)接的三維數(shù)學(xué)建模,實(shí)現(xiàn)整個(gè)對(duì)接過(guò)程的全程三維顯示(數(shù)字化三維虛擬實(shí)景顯示)。

設(shè)備安裝情況及各部分作用如下:

差分GPS基準(zhǔn)站安裝于導(dǎo)管架(水面對(duì)接)和岸邊(水下對(duì)接),移動(dòng)站、INS、電羅經(jīng)、全站儀安裝于鉆井平臺(tái)上;USBL水聽(tīng)器安裝于鉆井平臺(tái)底部,應(yīng)答器安裝于水下井口。

1) 差分GPS

在水面對(duì)接作業(yè)時(shí),差分GPS的作用如下:

(1)測(cè)量鉆井平臺(tái)航向

工作人員首先精確測(cè)量差分GPS基準(zhǔn)站的位置及導(dǎo)管架的方位信息,根據(jù)差分GPS基準(zhǔn)站對(duì)移動(dòng)站發(fā)送的差分校正量信息準(zhǔn)確計(jì)算GPS移動(dòng)站的位置,利用已知兩站的位置和導(dǎo)管架的方位角信息,可以計(jì)算出鉆井平臺(tái)的航向角;

(2)測(cè)量鉆井平臺(tái)與導(dǎo)管架相對(duì)位置

在已知GPS基準(zhǔn)站的精確位置的前提下,利用差分GPS技術(shù),通過(guò)基準(zhǔn)站發(fā)送給移動(dòng)站的差分校正量,計(jì)算出鉆井平臺(tái)相對(duì)于導(dǎo)管架的位置信息。

在水下對(duì)接作業(yè)時(shí),GPS主要用于鉆井平臺(tái)的定位。

2) INS

激光陀螺慣導(dǎo)系統(tǒng)用于測(cè)量鉆井平臺(tái)的速度、位置、姿態(tài)。

3) 電羅經(jīng)

電羅經(jīng)用于測(cè)量鉆井平臺(tái)航向信息。

4) 全站儀

全站儀用于水面對(duì)接部分,測(cè)量鉆井平臺(tái)相對(duì)于導(dǎo)管架的位置和傾角,并輔助差分GPS測(cè)量鉆井平臺(tái)的航向。

5) USBL

USBL用于水下對(duì)接部分,測(cè)量水下井口相對(duì)于鉆井平臺(tái)的位置和方位角。

3 工作原理

3.1 水面對(duì)接部分工作原理

系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。鉆井平臺(tái)與導(dǎo)管架的對(duì)接應(yīng)保證鉆井平臺(tái)懸臂梁伸出后,懸臂梁上的鉆臺(tái)在縱向和橫向上最大的移動(dòng)范圍內(nèi)覆蓋導(dǎo)管架上的作業(yè)井口,即鉆井平臺(tái)的懸臂梁移動(dòng)窗口完全覆蓋作業(yè)井口區(qū)。

圖1 系統(tǒng)方案結(jié)構(gòu)圖

對(duì)接作業(yè)時(shí),工作人員首先到達(dá)導(dǎo)管架,精確測(cè)量導(dǎo)管架上差分GPS基準(zhǔn)站的位置以及導(dǎo)管架的方位信息。在鉆井平臺(tái)上,利用INS測(cè)量鉆井平臺(tái)的姿態(tài),INS、差分GPS、電羅經(jīng)組合系統(tǒng)測(cè)量鉆井平臺(tái)的航向,差分GPS和全站儀測(cè)量鉆井平臺(tái)與導(dǎo)管架的相對(duì)位置及傾角,并將這些信息送入計(jì)算機(jī)主機(jī),在主機(jī)中對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理和時(shí)間同步,然后進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換,使各部分空間統(tǒng)一,進(jìn)行誤差補(bǔ)償之后利用信息融合技術(shù)將數(shù)據(jù)進(jìn)行融合,并在屏幕上實(shí)時(shí)的進(jìn)行三維顯示。

圖2 鉆井平臺(tái)與導(dǎo)管架的相對(duì)位置

根據(jù)鉆井平臺(tái)實(shí)時(shí)的姿態(tài)以及鉆井平臺(tái)與導(dǎo)管架的相對(duì)位置的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),利用拖船以及鉆井平臺(tái)自身的錨纜,沿著設(shè)定的引導(dǎo)線向?qū)Ч芗芸拷?直至達(dá)到設(shè)計(jì)要求位置后插樁固定。如圖2所示,導(dǎo)管架坐標(biāo)系為OjXjYjZj,Kj為導(dǎo)管架的方位角,Kj與Yj方向一致,P為定位點(diǎn),其坐標(biāo)在OjXjYjZj中為(xjp,yjp,zjp),在WGS-84坐標(biāo)系中為(xp,yp,zp),鉆井平臺(tái)的橫搖角為θ,縱搖角為ψ,航向角為K,在對(duì)接過(guò)程中,鉆井平臺(tái)與導(dǎo)管架的相對(duì)位置由以下幾個(gè)參數(shù)決定:鉆井平臺(tái)艏向K、縱向距離Pe、橫向偏距Se、徑向距離Re、高差Zp、牽引角Dp。

3.2 水下對(duì)接部分工作原理

系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。對(duì)接作業(yè)時(shí),工作人員首先應(yīng)該精確測(cè)量在近海岸上的差分GPS基準(zhǔn)站的位置以及方位信息。

圖3 系統(tǒng)方案結(jié)構(gòu)圖

圖4 鉆井平臺(tái)與水下井口的相對(duì)位置

在鉆井平臺(tái)上利用INS和DGPS組合測(cè)量鉆井平臺(tái)的位置、速度,姿態(tài)信息由INS提供,INS、電羅經(jīng)組合系統(tǒng)測(cè)量鉆井平臺(tái)的航向,USBL測(cè)量水下井口與鉆井平臺(tái)的相對(duì)位置,并將這些信息全部送入計(jì)算機(jī)主機(jī),在主機(jī)中對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理和時(shí)間同步,然后進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換,使各部分空間統(tǒng)一,進(jìn)行誤差補(bǔ)償之后利用信息融合技術(shù)將數(shù)據(jù)進(jìn)行融合,并在屏幕上實(shí)時(shí)的進(jìn)行三維顯示。在聲基陣探頭理想安裝狀態(tài)下,利用USBL定位結(jié)果及水下運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的方位角,可將水下目標(biāo)的位置信息轉(zhuǎn)換到大地坐標(biāo)系統(tǒng)中,得到水下目標(biāo)的絕對(duì)位置(地理坐標(biāo))。

4 虛擬現(xiàn)實(shí)三維動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)顯示技術(shù)

基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)作為定位信息的一種可視化解決方案,如圖5所示。

定位引導(dǎo)系統(tǒng)包括海上石油開(kāi)發(fā)環(huán)境(海面、鉆井平臺(tái)、固定平臺(tái)、海底管線、拖船、障礙物等主要內(nèi)容,適用小、中型海上石油開(kāi)發(fā)企業(yè)。本定位引導(dǎo)系統(tǒng)涉及虛擬海上石油開(kāi)發(fā)環(huán)境展示、測(cè)量設(shè)備的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集及解算、虛擬環(huán)境動(dòng)態(tài)變化等功能。

圖5 虛擬現(xiàn)實(shí)三維顯示系統(tǒng)的作用

基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的海上石油鉆井平臺(tái)對(duì)接測(cè)量定位系統(tǒng)在開(kāi)發(fā)過(guò)程中采用桌面型模式,運(yùn)用了如下技術(shù):虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)及其平臺(tái);Vega、3D Max、MultiGen Creator軟件;組件化技術(shù)、中間件技術(shù);外存與內(nèi)存協(xié)同數(shù)據(jù)處理技術(shù);并行計(jì)算技術(shù);多數(shù)據(jù)接口技術(shù)。

5 實(shí)際工程應(yīng)用

以鉆井船和油盛鉆井平臺(tái)的對(duì)接為例說(shuō)明運(yùn)行效果。

油盛鉆井平臺(tái)拖航前在SZ36-1 WHPL平臺(tái)進(jìn)行鉆井作業(yè)。據(jù)甲方提供鉆井船船型資料,鉆井平臺(tái)船長(zhǎng)64.9224m,寬64.6281m。懸臂梁鉆機(jī)縱向可移動(dòng)18.288m,橫向移動(dòng)±3.6576m。船尾有長(zhǎng)為0.63m,寬為3.5m突出物。鉆井平臺(tái)如圖6所示。

圖6 油盛鉆井平臺(tái)

根據(jù)用戶提供資料可知,如圖7所示,BZ26-3 WHPA平臺(tái)位于LAT=38°15′16.475″N,LON=119°13′56.356″E(平臺(tái)槽口中心位置),平臺(tái)結(jié)構(gòu)北方位為:8.8°。導(dǎo)管架分布4列、4排共16井,井口橫向間距2.0m,縱向間距2.0m。

根據(jù)甲方提供資料,在BZ26-3 WHPA平臺(tái)附近,有至BZ26-3-B的3條管纜,距設(shè)計(jì)右前錨最近的距離約為170m;至BZ25-1-D的2條管纜,距設(shè)計(jì)右后錨最近的距離大約150m;至BZ26-2-A有一條氣管線。本次對(duì)接就位鉆井平臺(tái)設(shè)計(jì)艏向99°,要求覆蓋A3、A12兩個(gè)井口。

圖7 BZ26-3 WHPA平臺(tái)

進(jìn)行鉆井平臺(tái)起拖前準(zhǔn)備工作;進(jìn)行中控室設(shè)備安裝:進(jìn)行GPS天線安裝;進(jìn)行全站儀的安裝。

對(duì)接三維動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)顯示如圖8(a)～(c)所示。

(a)

(b)

(c)圖8 三維動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)顯示

鉆井平臺(tái)和導(dǎo)管架對(duì)接完畢所在位置如圖9所示。

最終對(duì)接就位結(jié)果如下:

平臺(tái)艏向:97.50°;

縱向距離:9.148m;

橫向偏距:0.124m(偏右);

徑向距離:9.149m;

高差:0.194m;

牽引角:99.31°。

運(yùn)行結(jié)果表明,差分GPS定位精度可以保證鉆井平臺(tái)就位精度,多傳感器組合能夠保證航向信息輸出最優(yōu),并且鉆井平臺(tái)和導(dǎo)管架相對(duì)位置測(cè)量也能夠達(dá)到性能指標(biāo),系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)合理,實(shí)際操作達(dá)標(biāo)。

圖9 鉆井平臺(tái)和導(dǎo)管架對(duì)接完畢所在位置

6 結(jié)語(yǔ)

基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的海上三維動(dòng)態(tài)測(cè)量系統(tǒng)不僅采用了USBL定位技術(shù)、DGPS技術(shù),而且還運(yùn)用了三維圖像形成技術(shù),即保證了定位引導(dǎo)系統(tǒng)的精度,而且還可以實(shí)現(xiàn)虛擬三維實(shí)景顯示,提高了對(duì)接過(guò)程的直觀性、真實(shí)性、安全性等。可以用于鉆井平臺(tái)和導(dǎo)管架對(duì)接、鉆井平臺(tái)和水下井口對(duì)接;還可以應(yīng)用于水下探測(cè)、深海海域作業(yè)以及用于各種軍事用途的水下勘察。所以在海洋工程中有廣闊的應(yīng)用前景。

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Application of Three-dimensional Measurement in Ocean Engineering

DU Junbo

(Unit 95, No. 92941 Troops of PLA, Huludao 125001)

This paper introduced three-dimensional measurement system including composition, work principle. The system ensured positioning guidance system accuracy and realized virtual three-dimensional realistic display and improved intuitionism, factuality, and security of drilling platform butting through butting work application between YouSheng drilling platform to SZ36-1 WHPL platform. The system can be used widely.

ocean engineering, three-dimensional measurement, virtual reality

2014年11月8日,

2014年12月22日

杜軍波,男,工程師,研究方向:無(wú)線電及衛(wèi)星定位導(dǎo)航。

P288.4

10.3969/j.issn1672-9730.2015.05.032