王思銘

(1.招商局重工(江蘇)有限公司,江蘇 海門 226100;2.上海交通大學(xué),上海 200240)

0 引言

海洋探索技術(shù)發(fā)展日新月異,海洋平臺的操作也越來越復(fù)雜。 鉆井船在作業(yè)過程中平臺受到風(fēng)、浪、流等環(huán)境因素的影響,伴隨著復(fù)雜的設(shè)備運行,使得鉆井船作業(yè)對實時監(jiān)控并及時處理問題有著較高的需求。實測運維數(shù)字孿生系統(tǒng)對海洋平臺的作業(yè)情況進(jìn)行監(jiān)測,并將數(shù)據(jù)實時傳輸給陸地的控制中心。 控制中心通過整合分析實測數(shù)據(jù),虛擬出實體平臺的數(shù)字孿體(見圖1),以實現(xiàn)在陸地遠(yuǎn)程監(jiān)控的目的。 借助陸上的超算中心和大數(shù)據(jù)分析,實測運維數(shù)字孿生系統(tǒng)可以進(jìn)一步預(yù)測浮式平臺的作業(yè)情況,為安全有效的作業(yè)提供技術(shù)支持。

圖1 數(shù)字孿體

實現(xiàn)實測運維數(shù)字孿生系統(tǒng)的部署需要硬件和軟件的結(jié)合。 近年來,我國在海洋平臺數(shù)字孿生領(lǐng)域取得了很多成果,比如采用低功耗無線自組網(wǎng)綜合定位技術(shù),在海洋平臺實現(xiàn)智能人員定位[1]。 利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)建立安全的交互平臺,模擬海上石油鉆井平臺環(huán)境,實現(xiàn)平臺工作人員的消防演練仿真[2]。 在海洋石油平臺上為機組安裝振動監(jiān)測和數(shù)據(jù)采集裝置,通過網(wǎng)線與遠(yuǎn)程智能診斷中心相連接,開發(fā)系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理軟件,對設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程故障診斷[3]。 基于機器學(xué)習(xí)與深度學(xué)習(xí)方法,對正常工況下的海洋平臺檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行學(xué)習(xí)并得到診斷模型,針對新數(shù)據(jù)的損傷情況進(jìn)行評估以實現(xiàn)在線損傷識別[4]。 基于安裝在流花海域的“挑戰(zhàn)號”海洋平臺的錨鏈水平力傳感器裝置,開發(fā)自容式姿態(tài)監(jiān)測裝置,用于測量不同水深處的系泊加速度和傾斜角度,從而計算出系泊力[5]。

國際上在物聯(lián)網(wǎng)和數(shù)字孿體方面正逐步推廣到商業(yè)階段。 2018 年,Kongsberg Digital 推出了“數(shù)字雙胞胎”服務(wù),建立虛擬油氣生產(chǎn)裝置的模型,保證使用者可以遠(yuǎn)程查看平臺的數(shù)據(jù)。 2020 年,DNV 推針對數(shù)字孿體與TechinipFMC 合作開發(fā)行業(yè)推薦辦法,構(gòu)建該技術(shù)的運行標(biāo)準(zhǔn)。

本文針對鉆井船的結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)和操作特性,探討基于數(shù)字孿生技術(shù)的實測運維數(shù)字孿生系統(tǒng)的部署。 實現(xiàn)在遠(yuǎn)程的監(jiān)控中心監(jiān)測平臺的運行狀態(tài),并利用歷史收集的監(jiān)測數(shù)據(jù)預(yù)測平臺運行情況。

1 結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測

結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測主要應(yīng)用于陸上大型結(jié)構(gòu)物的結(jié)構(gòu)安全保障領(lǐng)域,其中橋梁的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測應(yīng)用較多。在海洋平臺領(lǐng)域,結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測多數(shù)應(yīng)用于導(dǎo)管架。其結(jié)構(gòu)損傷實時監(jiān)測主要以振動檢測為主,它可以檢測得到導(dǎo)管架的動力響應(yīng)參數(shù),包括頻率、阻尼和模態(tài)等數(shù)據(jù),進(jìn)而能夠在整體上評估結(jié)構(gòu)損傷[6]。 不同于固定式生產(chǎn)平臺,鉆井船作為浮式海洋平臺,結(jié)構(gòu)監(jiān)測主要是通過監(jiān)測結(jié)構(gòu)薄弱部位的應(yīng)力水平,布置應(yīng)力傳感器和加速度傳感器,結(jié)合通信模塊將傳感器數(shù)據(jù)傳輸給主機[7]。 主機根據(jù)接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波、統(tǒng)計分析以及疲勞損傷估計。 鉆井船的月池區(qū)域需要承受環(huán)境載荷外和鉆井設(shè)備作業(yè)時的載荷,同時月池因布置于船中,這種布置設(shè)計需求也使得其容易在總縱強度下發(fā)生中拱和中垂的變型,圖2 為典型鉆井船月池區(qū)域的有限元模型受力分析,因此鉆井船的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測主要為月池關(guān)鍵區(qū)域的監(jiān)測。

圖2 典型鉆井船的月池區(qū)域有限元模型受力分析

1.2 系泊監(jiān)測

除了主體結(jié)構(gòu)外,錨鏈?zhǔn)芰σ彩歉∈狡脚_結(jié)構(gòu)監(jiān)測的一部分。 錨鏈的監(jiān)測主要以應(yīng)力監(jiān)測并集合采集的平臺運動位置求解系泊張力。 因測量儀布置在錨鏈上,測量儀需要有續(xù)航能力和水聲通訊能力,并在平臺上布置水聲接收器將訊息傳遞到平臺上的主機。 近些年,設(shè)計的鉆井船設(shè)計從第三代開始就已經(jīng)使用動力定位來代替錨泊[8],新型的鉆井船一般不需要考慮錨鏈的監(jiān)測。

1.3 鉆井隔水管

深水鉆井隔水管受到波激振動和渦激振動,容易產(chǎn)生疲勞破壞進(jìn)而帶來安全風(fēng)險。 目前鉆井隔水管的監(jiān)測主要以水下的渦激疲勞監(jiān)測為主,通過安裝水下傳感器實現(xiàn)監(jiān)測隔水管的應(yīng)變類參數(shù)、運動參數(shù)、環(huán)境參數(shù)和位置。 其中,運動參數(shù)主要包括傾角、角加速度、加速度和位移等數(shù)據(jù)。 傳感器監(jiān)測的數(shù)據(jù)通過水聲通信機傳輸?shù)街鳈C,并結(jié)合監(jiān)測到的環(huán)境參數(shù)和位置數(shù)據(jù)對渦激振動和管線偏移的評估,分析其疲勞損傷。 在實際工程應(yīng)用上,我國的“奮進(jìn)號”“海洋石油982”和“興旺號”等鉆井平臺已經(jīng)完成了多次深水隔水管監(jiān)測作業(yè)[9]。

2 運維監(jiān)測

2.1 海況監(jiān)測

海況的實時監(jiān)測對于鉆井作業(yè)的安全十分重要,其中主要為風(fēng)、浪、流的監(jiān)測。 一般而言,是在鉆井船駕駛甲板上開闊無遮擋的位置安裝風(fēng)速風(fēng)向傳感器測量風(fēng)向和風(fēng)速;在舷側(cè)安裝聲學(xué)多普勒流速剖面儀和測波儀測量流速和有義波高。

2.2 船體姿態(tài)和定位監(jiān)測

鉆井船作為浮式平臺一般使用電羅經(jīng),垂向運動單元VRU,DGPS 差分全球定位系統(tǒng)和聲納定位系統(tǒng)來測量其運動姿態(tài)和位置,聲吶定位系統(tǒng)用于鉆井作業(yè)時的水下定位。 另外還需要監(jiān)測鉆井船的裝載工況,一般是在船底和液艙布置壓力傳感器監(jiān)測船舶吃水和液艙液位。

2.3 鉆井作業(yè)情況監(jiān)測

鉆井作業(yè)監(jiān)測主要包括鉆井深度、溫度、流量、鉆頭的鉆速、壓力和扭矩等數(shù)據(jù)。 進(jìn)而實現(xiàn)對鉆頭、鉆具作業(yè)情況的監(jiān)測。 作業(yè)中鉆井作業(yè)人員將根據(jù)監(jiān)測的數(shù)據(jù),與理論模型計算結(jié)果進(jìn)行對比,評估鉆井參數(shù)是否異常,并且實時優(yōu)化鉆井參數(shù),提高工具的使用壽命,避免事故的發(fā)生。 另外,除了設(shè)備作業(yè)情況監(jiān)測,還可以將地質(zhì)信息和鉆井信息融合進(jìn)行三維可視化顯示地層和鉆井情況動態(tài)變化[10],提高鉆井作業(yè)的決策準(zhǔn)確性并保障鉆井安全。

水下防噴器(BOP)作為井口壓力控制裝置,對于生產(chǎn)安全十分重要。 BOP 除了使用主動控制系統(tǒng)外,還可以考慮配置防噴器應(yīng)急聲吶監(jiān)控系統(tǒng),以提高安全作業(yè)等級。 其在測量和監(jiān)控水下井口狀態(tài)有著獨立性,通過水下和水面換能器將井口數(shù)據(jù)傳輸回主機[11]。

2.3 常規(guī)安全監(jiān)測

常規(guī)安全監(jiān)測主要包括火災(zāi)監(jiān)測和水密完整性監(jiān)測,其中火災(zāi)監(jiān)測根據(jù)鉆井船設(shè)計時的防火分區(qū)進(jìn)行布置,例如應(yīng)急發(fā)電機室、中控室、生活區(qū)等,通過安裝感煙探頭、感溫探頭和手動呼叫等元器件實現(xiàn)火災(zāi)的監(jiān)測。 一般應(yīng)急關(guān)斷系統(tǒng)會根據(jù)火災(zāi)探測報警信號,直接控制相關(guān)的助燃設(shè)備,例如油泵、風(fēng)機等和防火風(fēng)閘和防火門等裝置,開啟消防系統(tǒng)以控制火情。 水密完整性監(jiān)測主要為艙室侵水監(jiān)測和水密門狀態(tài)監(jiān)測,關(guān)鍵的水密門需要配置報警和控制模塊,控制模塊連接門的電機或油機,控制門的開關(guān)和限位,報警模塊連接門的電源、電機、控制模塊狀態(tài)等信息,用于反饋水密門的運行情況。

2.4 設(shè)備運行監(jiān)測

設(shè)備運行監(jiān)測主要為柴油發(fā)動機和推進(jìn)器的監(jiān)測,前者是鉆井船動力的來源,后者是鉆井船定位和航行的關(guān)鍵設(shè)備。 當(dāng)前研發(fā)的獨立發(fā)動機實時監(jiān)測系統(tǒng),其監(jiān)測方法和數(shù)據(jù)分析都各不相同[12]。 目前,獨立實時監(jiān)測發(fā)動機和推進(jìn)器的系統(tǒng)在海洋平臺上的應(yīng)用并不常見,監(jiān)測數(shù)據(jù)還主要是依賴設(shè)備運行時輸出的運行參數(shù),其中發(fā)動機主要為功率、電流、溫度和油耗等,推進(jìn)器主要為各個螺旋槳轉(zhuǎn)速和方位角等。

2.5 視頻監(jiān)控

視頻監(jiān)控系統(tǒng)(CCTV)在海洋平臺的應(yīng)用已經(jīng)非常成熟,在鉆井船上的應(yīng)用主要為對鉆井作業(yè)中的關(guān)鍵設(shè)備的監(jiān)控,包括頂驅(qū)、補償器、泵艙、泥漿池、月池和吊車區(qū)域等。 它在危險監(jiān)控和事故追查中起著重要作用。 隨著計算機網(wǎng)絡(luò)傳輸和圖像處理技術(shù)的發(fā)展,視頻監(jiān)控也朝著智能化發(fā)展[13]。 智能視頻監(jiān)控使得計算機可以從海上作業(yè)中實現(xiàn)對特定作業(yè)的識別,在高風(fēng)險區(qū)域布置視頻監(jiān)控系統(tǒng),可以降低人工巡護(hù)的工作量,提高巡檢效率[14]。 需要注意的是,在鉆井船的危險區(qū)域布置視頻系統(tǒng),使用的攝像頭和無線上網(wǎng)熱點需要帶有防爆功能,在露天區(qū)域布置需要帶有防水功能。 為了節(jié)省電纜鋪設(shè),視頻監(jiān)控系統(tǒng)需要分區(qū)域布置POE 交換機,一般為了保證通信質(zhì)量,區(qū)域交換機之間通信距離較大時,需要采用光纖通信,距離較短可以選用網(wǎng)線。

3 通導(dǎo)系統(tǒng)

對各區(qū)域、系統(tǒng)、設(shè)備和作業(yè)情況進(jìn)行數(shù)據(jù)采集并傳輸?shù)酱现鳈C或相關(guān)服務(wù)器后,對多源信號進(jìn)行集成和整合,使其滿足智能系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換要求,并且運行流暢轉(zhuǎn)換互不影響。 數(shù)據(jù)進(jìn)行本地保存后傳送到陸地控制中心。 受到遠(yuǎn)洋衛(wèi)星通信通道帶寬和成本的限制,需要對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮加密。 模擬數(shù)據(jù)、開關(guān)量及報警數(shù)據(jù)壓縮后動態(tài)響應(yīng)為毫秒級。 音視頻數(shù)據(jù)壓縮需要考慮視頻監(jiān)測占衛(wèi)星寬帶500 kbs 以下,以滿足陸地控制中心實時查看關(guān)鍵區(qū)域的視頻畫面。 陸地控制中心將傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行解密,并保存到數(shù)據(jù)庫中,數(shù)據(jù)硬盤容量一般需要滿足短期存儲60 天以上的數(shù)據(jù)記錄,長期存儲20 年以上的報警時刻和整點時刻的全部數(shù)據(jù)記錄。

4 陸地遠(yuǎn)程監(jiān)控

陸地控制中心接收到數(shù)據(jù),結(jié)合已經(jīng)建立并配置好的虛擬模型得到實時的平臺特征,即構(gòu)建物理實物的數(shù)字孿生系統(tǒng)。 數(shù)字孿生系統(tǒng)是實體平臺在信息空間的1 ∶1映射[15],其主要表現(xiàn)為三維模擬成像,利用計算機虛擬現(xiàn)實,實時反映實體平臺的運行狀態(tài)(見圖3)。陸地控制中心有超算中心和陸上網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)作為支撐,可以更快速高效的計算鉆井船的運作情況,并及時更新適合的算法,使得分析結(jié)果更可靠。

圖3 陸地遠(yuǎn)程運維監(jiān)控

陸上的數(shù)字孿生系統(tǒng)重要的意義在于,分析和挖掘所采集的大數(shù)據(jù),并根據(jù)歷史數(shù)據(jù)預(yù)測平臺的運行情況,保障平臺的安全作業(yè)。 不同的作業(yè)采用不同的分析策略,可以根據(jù)已知的條件計算通過數(shù)值同步模擬系統(tǒng)的運行情況;可以通過機器學(xué)習(xí),用歷史數(shù)據(jù)預(yù)測一定時間內(nèi)的未來運行情況。 機器學(xué)習(xí)一般應(yīng)用于理論模型復(fù)雜、計算量巨大或非線性極高的分析中,例如船舶實時運動[16-17]。 根據(jù)實際監(jiān)測結(jié)果,分析不同預(yù)測策略的準(zhǔn)確程度,隨著采集數(shù)據(jù)的不斷積累針對性的更新不同作業(yè)的分析策略。 大型的陸地控制中心通過監(jiān)控不同海洋平臺的數(shù)據(jù),隨著經(jīng)驗的累積,各系統(tǒng)的分析算法得到優(yōu)化,可以為海洋平臺的作業(yè)提供更好的技術(shù)解決方案。

5 結(jié)語

通過對鉆井船的結(jié)構(gòu)關(guān)鍵區(qū)域和運維關(guān)鍵系統(tǒng)布置傳感器并實時采集數(shù)據(jù),壓縮加密后通過衛(wèi)星傳輸給陸地的控制中心,構(gòu)建實體平臺的數(shù)字孿生系統(tǒng),進(jìn)而實現(xiàn)遠(yuǎn)程對鉆井船的運維實測及監(jiān)控。 在大數(shù)據(jù)和算法優(yōu)化的幫助下,實測運維數(shù)字孿生系統(tǒng)的應(yīng)用不僅可以監(jiān)控鉆井船的運維情況,還可以在一定程度上預(yù)測各系統(tǒng)作業(yè)的運行,很好地提高鉆井船作業(yè)的安全性。