海洋監(jiān)測(cè)系統(tǒng) 對(duì)千米級(jí)水深鋪管船海上施工的意義

于文太 夏寶宏 李斌 樊鶴 王南海

摘 要：本文主要介紹了海洋石油201鋪管船在千米級(jí)水深海底管道鋪設(shè)和海管終端（PLET）下放工況下的海洋環(huán)境以及運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)備和設(shè)計(jì)方式，并論述其對(duì)海洋工程作業(yè)的指導(dǎo)意義。為了適應(yīng)千米級(jí)水深海底管道鋪設(shè)及PLET下放作業(yè)的使用要求，同時(shí)確保海上安全施工，運(yùn)用雷達(dá)、電羅經(jīng)、運(yùn)動(dòng)傳感器等，對(duì)鋪管及PLET下放作業(yè)中的風(fēng)、浪、流等環(huán)境信息以及船舶運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，并通過(guò)對(duì)采集的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行處理，指導(dǎo)海底管道鋪設(shè)及PLET下放作業(yè)，提高了海洋施工作業(yè)的安全性。

關(guān)鍵詞：千米級(jí);鋪管船;船舶運(yùn)動(dòng);監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：P71? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006—7973（2019）09-0060-03

1 引言

從目前世界上的油氣地質(zhì)資源勘探情況來(lái)看，海洋里的石油儲(chǔ)量所占比重越來(lái)越大。在全球六大海上石油作業(yè)區(qū)域中，現(xiàn)在主要開(kāi)采水深是在1000米以內(nèi)，大部分作業(yè)區(qū)域?qū)?lái)的開(kāi)發(fā)前景是逐步進(jìn)入2000米水深開(kāi)采。

中國(guó)與周邊國(guó)家在“擱置爭(zhēng)議、共同開(kāi)發(fā)”的原則指引下，海洋石油開(kāi)發(fā)水深也不斷加大，深水海底管道鋪設(shè)、PLET安裝等業(yè)務(wù)量飽滿，這使得海洋石油201船有了廣闊的作業(yè)空間和市場(chǎng)保證。海洋石油201船是世界上第一艘同時(shí)具備3000米級(jí)深水鋪管能力、4000噸級(jí)重型起重能力和DP-3級(jí)動(dòng)力定位能力的深水鋪管起重船，能在除北極外的全球無(wú)限航區(qū)作業(yè)。該船是深水油氣田開(kāi)發(fā)過(guò)程中不可或缺的重要裝備。

為了確保深水海洋工程作業(yè)的完整和安全性，對(duì)海洋信息的掌握程度以及認(rèn)知非常重要，所以對(duì)海洋信息的采集意義重大。本文主要介紹在海洋石油201船對(duì)海底管道鋪設(shè)及PLET下放作業(yè)過(guò)程中，通過(guò)監(jiān)測(cè)下放過(guò)程的201船舶重心位置六個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)和風(fēng)、浪、流的監(jiān)測(cè)，進(jìn)而形成原始數(shù)據(jù)文件;選取已生成監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)原始文件，將運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)生成的csv純數(shù)據(jù)文件導(dǎo)入到開(kāi)發(fā)程序中，根據(jù)運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)到的瞬時(shí)數(shù)據(jù)通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析最終輸出能體現(xiàn)運(yùn)動(dòng)特征的相關(guān)數(shù)值如船舶6個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)/速度/加速度的統(tǒng)計(jì)值（包括最值/平均值/有義值等）并能按照時(shí)間段輸出相應(yīng)的時(shí)間歷程運(yùn)動(dòng)曲線，來(lái)達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)的風(fēng)、浪、流及船舶運(yùn)動(dòng)的要求。如圖1所示。

2 監(jiān)測(cè)硬件

2.1 監(jiān)測(cè)設(shè)備

為了能保證施工過(guò)程中正確判斷氣候滿足船舶安全性能，有效地監(jiān)控施工區(qū)域的風(fēng)、浪、流環(huán)境條件，檢查氣象預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性，需要對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的海洋環(huán)境條件以及船舶運(yùn)動(dòng)信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，獲取施工海域?qū)崟r(shí)的環(huán)境信息，具體包括風(fēng)速、風(fēng)向、波高、波浪周期、波浪方向、表面流速以及流向等。為了完成海洋工程作業(yè)信息采集的任務(wù)，滿足精度、采集頻率的要求，監(jiān)測(cè)設(shè)備的選擇至關(guān)重要。監(jiān)測(cè)設(shè)備主要包含GPS+INS組合系統(tǒng)1套、采集卡1套、系統(tǒng)集成1套、27”大屏幕顯示屏2臺(tái)、20尺箱裝箱監(jiān)控室1個(gè)。

風(fēng)速風(fēng)向傳感器采用WindSonic，WindSonic具有穩(wěn)定的性能、抗紫外線材料;低啟動(dòng)速度（0.01m/s）無(wú)需維護(hù)、無(wú)需校準(zhǔn)、結(jié)構(gòu)堅(jiān)固、可軟件配置狀態(tài)代碼輸出真正359°操作，一臺(tái)單獨(dú)設(shè)備可測(cè)量風(fēng)速和風(fēng)向。

通過(guò)Miros WaveX測(cè)波系統(tǒng)獲取測(cè)量海域波浪和表面流數(shù)據(jù)。測(cè)波系統(tǒng)捕獲并處理來(lái)自標(biāo)準(zhǔn)X波段航海雷達(dá)的海面反向散射數(shù)據(jù)，通過(guò)最先進(jìn)的強(qiáng)勁的具有準(zhǔn)確性和自適應(yīng)性的算法，計(jì)算并顯示方向波和表面水流數(shù)據(jù)。系統(tǒng)同時(shí)配置了GPS與電羅經(jīng)用于航向與位置數(shù)據(jù)測(cè)量。

運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)采用SMC-108運(yùn)動(dòng)傳感器，SMC -108采用了目前最先進(jìn)的姿態(tài)測(cè)量技術(shù)，用以測(cè)量船舶或其他載體的橫搖、縱搖、升沉及橫蕩、縱蕩等姿態(tài)參數(shù)，同時(shí)可對(duì)X、Y、Z三軸方向的加速度進(jìn)行精確測(cè)量;橫搖和縱搖動(dòng)態(tài)精度可達(dá)0.03°，橫蕩、縱蕩和升沉的精度為5cm 或 5%，三軸加速度精度為0.01m/s2。運(yùn)動(dòng)傳感器具備100Hz高采樣及輸出速率，保證了船舶運(yùn)動(dòng)姿態(tài)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集及輸出。

2.2 設(shè)備安裝

船舶運(yùn)動(dòng)設(shè)備系統(tǒng)配置一個(gè)IMU108用于采集201船體運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，IMU108安裝在監(jiān)測(cè)儀表室內(nèi)（中線）可調(diào)平支架上，監(jiān)測(cè)室規(guī)格足以滿足所有儀器的安裝。所有儀器設(shè)備均安裝在房間的一次背板墻上，其位置對(duì)應(yīng)201船的156號(hào)肋位，距船舶右舷5米。系統(tǒng)配置的電羅經(jīng)，主要用于實(shí)時(shí)測(cè)量船舶的真北航向信息，電羅經(jīng)安裝在位于IMU108 下部的調(diào)節(jié)支架上。同時(shí)系統(tǒng)配置了GPS可提供船舶的經(jīng)緯度數(shù)據(jù)，GPS安裝在監(jiān)測(cè)室外頂。

環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備系統(tǒng)配置WindSonic風(fēng)速風(fēng)向儀，安裝在房頂升降裝置上，用于采集測(cè)量區(qū)域的風(fēng)速、風(fēng)向數(shù)據(jù)。測(cè)波雷達(dá)的掃描單元位于監(jiān)測(cè)室外頂?shù)纳笛b置上，升降高度可在10米范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，以適應(yīng)合適的雷達(dá)工作高度。所有的測(cè)量數(shù)據(jù)均集中顯示在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可在軟件界面實(shí)時(shí)顯示與查詢。

3 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

3.1 數(shù)據(jù)采集顯示

數(shù)據(jù)的采集模式為實(shí)時(shí)采集，采集過(guò)程中每15分鐘自動(dòng)保存一個(gè)相應(yīng)的CSV格式的數(shù)據(jù)文件。采集的風(fēng)、浪、流及船舶運(yùn)動(dòng)信息，也是實(shí)時(shí)顯示在監(jiān)測(cè)系統(tǒng)上，以方便操作人員實(shí)時(shí)讀取數(shù)據(jù)。

3.2數(shù)據(jù)后處理

在數(shù)據(jù)采集過(guò)程中可將之前自動(dòng)保存的CSV格式的數(shù)據(jù)導(dǎo)入到后處理軟件中，從而得到各個(gè)數(shù)據(jù)前一段時(shí)間的情況;同時(shí)也可以實(shí)現(xiàn)將任意的環(huán)境變量數(shù)據(jù)或船舶運(yùn)動(dòng)姿態(tài)數(shù)據(jù)添加入到同一圖表中（曲線圖或其他便于分析的圖表），直觀分析不同變量之間的關(guān)系。

通過(guò)后處理數(shù)據(jù)，分析風(fēng)、浪、流、船舶吃水與船舶運(yùn)動(dòng)姿態(tài)或船舶操控的關(guān)系，得到相應(yīng)方程或函數(shù)，從而可以得到相應(yīng)的風(fēng)浪條件下船舶的運(yùn)動(dòng)情況，以便更好的支持船舶運(yùn)動(dòng)的預(yù)測(cè)。

4 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)海洋石油201在千米級(jí)水深海底管道鋪設(shè)及PLET下放安裝工況下的海洋環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)，得出海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)對(duì)海洋工程作業(yè)的指導(dǎo)意義如下：

（1）通過(guò)監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，預(yù)估船舶下一時(shí)刻運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，輔助動(dòng)力定位系統(tǒng)完成船舶定位;

（2）將實(shí)時(shí)海洋環(huán)境與天氣預(yù)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比，預(yù)判可以進(jìn)行海工施工作業(yè)的時(shí)間;

（3）將實(shí)時(shí)海洋環(huán)境與仿真模擬進(jìn)行對(duì)比，有利于科學(xué)地研究海洋工程作業(yè);

（4）可以實(shí)時(shí)觀測(cè)海洋信息以及船舶運(yùn)動(dòng)姿態(tài)變化，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)不良狀態(tài)，提高海上施工作業(yè)的安全性。

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