武永鋒，何驍勇，陳勇軍

（1.中海石油（中國(guó)）有限公司海南分公司，海南?？?70125；2.中海油研究總院有限責(zé)任公司，北京100028；3.迪瑪爾海洋技術(shù)有限公司，北京100085）

0 引 言

隨著海洋傳感器等硬件技術(shù)的發(fā)展和推廣應(yīng)用，對(duì)深遠(yuǎn)海域作業(yè)的海洋平臺(tái)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，是保障平臺(tái)人員和財(cái)產(chǎn)安全，提高平臺(tái)運(yùn)維管理效率的一項(xiàng)現(xiàn)實(shí)可期的重要措施。對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)有利于全面了解平臺(tái)的實(shí)際狀態(tài)，及時(shí)進(jìn)行安全評(píng)估和預(yù)測(cè)潛在的失效風(fēng)險(xiǎn)。進(jìn)一步對(duì)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析研究可驗(yàn)證和改善平臺(tái)的設(shè)計(jì)理念和方法，優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)，提高設(shè)計(jì)水平。海洋油氣平臺(tái)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的開展可追溯到1987 年英國(guó)BMT公司在康菲石油公司的Joliet張力腿平臺(tái)上安裝的性能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)［1-3］。2002 年，海洋油氣開發(fā)邁入水深超過(guò)1 500 m的超深水區(qū)域，英國(guó)石油公司在1 650 m水深的Horn Mountain Spar平臺(tái)上配備了一套能同步測(cè)量平臺(tái)主體結(jié)構(gòu)、系泊系統(tǒng)和立管系統(tǒng)響應(yīng)信息的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)［2-4］。2004 年，美國(guó)多家機(jī)構(gòu)聯(lián)合成立了“聯(lián)合工業(yè)界項(xiàng)目組”，以Anadarko公司的Marco Polo平臺(tái)為基礎(chǔ)，集成了一套海洋監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，用于驗(yàn)證深水張力腿平臺(tái)的設(shè)計(jì)方法等。該系統(tǒng)在監(jiān)測(cè)過(guò)程中經(jīng)歷了多個(gè)颶風(fēng)，完整地記錄了多種重要設(shè)計(jì)工況下的風(fēng)、浪、流等環(huán)境參數(shù)和平臺(tái)響應(yīng)情況［5］。

在我國(guó)，海上油氣生產(chǎn)平臺(tái)的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)始于20 世紀(jì)90 年代。最早由中國(guó)海洋石油公司和大連理工大學(xué)在多個(gè)浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油卸油裝置（Floating Production Storage and Offloading，F(xiàn)PSO）上安裝部分或局部的環(huán)境監(jiān)測(cè)、應(yīng)力監(jiān)測(cè)和船體姿態(tài)監(jiān)測(cè)等設(shè)備，完成了有意義的前期研究和應(yīng)用探索。隨著功能的不斷完善和數(shù)據(jù)的不斷積累，該模式在FPSO、鉆井平臺(tái)等裝備上取得了一定的專項(xiàng)應(yīng)用成果。樊哲良等［6］基于長(zhǎng)期的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)研究了淺水環(huán)境下FPSO 的運(yùn)動(dòng)。杜宇等［7-8］為“南海挑戰(zhàn)號(hào)”半潛式平臺(tái)設(shè)計(jì)安裝了現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。上海交通大學(xué)海洋工程團(tuán)隊(duì)［9］依托國(guó)家科技重大專項(xiàng)研發(fā)了深海平臺(tái)安全保障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并在“海洋石油981”鉆井平臺(tái)上得到了成功應(yīng)用。馮加果等［10］基于“南海挑戰(zhàn)號(hào)”多年的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)環(huán)境、運(yùn)動(dòng)和系泊等參數(shù)的監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行了分析校核，并對(duì)我國(guó)海洋油氣平臺(tái)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的發(fā)展提出了建議。我國(guó)南海環(huán)境較為惡劣，對(duì)深水浮式平臺(tái)的安全性提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。2021 年6 月安裝于我國(guó)南海的1 500 m 級(jí)水深陵水氣田的“深海一號(hào)”能源站（即陵水半潛式生產(chǎn)儲(chǔ)油平臺(tái)）是我國(guó)第一座深水浮式生產(chǎn)平臺(tái)，其總體性能和關(guān)鍵系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)對(duì)保障平臺(tái)安全作業(yè)和南海深水裝備的設(shè)計(jì)驗(yàn)證具有重要意義。本文以“深海一號(hào)”為研究對(duì)象，結(jié)合海洋安全監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用現(xiàn)狀，集成創(chuàng)新，完成一體化海洋監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體技術(shù)方案，包括監(jiān)測(cè)系統(tǒng)布置方案、監(jiān)測(cè)設(shè)備要求、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集、監(jiān)測(cè)管理軟件開發(fā)和相關(guān)的智能化預(yù)報(bào)決策等。

1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的組成

一體化海洋監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的主要作用包括預(yù)警監(jiān)測(cè)、校核監(jiān)測(cè)和損害監(jiān)測(cè)，可為現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)提供決策支持，為事故發(fā)生原因分析提供技術(shù)支持，為平臺(tái)完整性管理提供數(shù)據(jù)支持等。半潛式生產(chǎn)儲(chǔ)油平臺(tái)一體化海洋監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包含6 個(gè)子系統(tǒng)，分別為海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、平臺(tái)位置和姿態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、浮體結(jié)構(gòu)應(yīng)力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、系泊監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、立管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和壓載控制系統(tǒng)。除了海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、平臺(tái)位置和姿態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以外，系泊和立管等子系統(tǒng)中部分重點(diǎn)結(jié)構(gòu)或器件的內(nèi)部監(jiān)測(cè)往往要與具體采用的設(shè)備結(jié)合，各自自成體系，但自主開發(fā)的一體化系統(tǒng)可通過(guò)專用接口與這些子系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。一體化海洋監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的組成見圖1。

圖1 一體化海洋監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的組成

2 監(jiān)測(cè)設(shè)備及相關(guān)技術(shù)要求

一體化海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所有的設(shè)備儀器都需滿足適應(yīng)海洋環(huán)境的高濕度、高溫度、高鹽度和易腐蝕等要求，能適應(yīng)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)（尤其是傾角和加速度）的要求。對(duì)于關(guān)鍵監(jiān)測(cè)參數(shù)，為確保監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的可靠性和冗余性滿足要求，系統(tǒng)需多配置一個(gè)相同的監(jiān)測(cè)設(shè)備，分別布置在平臺(tái)的不同位置處。海洋環(huán)境是造成平臺(tái)響應(yīng)的主要因素，其監(jiān)測(cè)內(nèi)容主要包括風(fēng)（風(fēng)速和風(fēng)向）、波浪（有義波高、平均周期和平均浪向）、海流（不同水深處的流速和流向）、環(huán)境溫度（空氣和海水）、濕度、海水鹽度、大氣壓和能見度等。風(fēng)不僅影響平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)，而且影響吊機(jī)作業(yè)和直升飛機(jī)起降。測(cè)量風(fēng)速和方向的儀器是風(fēng)速儀，目前使用最多的是超聲波型風(fēng)速計(jì)。波浪是造成平臺(tái)動(dòng)態(tài)響應(yīng)和疲勞損害的主要因素。測(cè)量波浪高度和周期的儀器主要是X波段雷達(dá)等。流不僅影響浮體水下部分，而且影響立管和系泊系統(tǒng)。測(cè)量流速和流向的主要儀器是聲學(xué)多普勒流速剖面儀（Acoustic Doppler Current Profiler，ADCP），儀器向水中發(fā)射聲波，聲波在水中產(chǎn)生散射；ADCP 接收散射體的回波信號(hào)，通過(guò)信號(hào)的多普勒效應(yīng)頻移分析計(jì)算流速。由于平臺(tái)處于深水區(qū)域，需在平臺(tái)上安裝1 臺(tái)側(cè)置式水平流速儀，用于測(cè)量安裝點(diǎn)至水線面的流速和流向；同時(shí)，還需安裝1 臺(tái)垂直（向下測(cè)量）流速儀，用于測(cè)量安裝點(diǎn)至海底不同水深處的流速和流向。與海洋環(huán)境相關(guān)的監(jiān)測(cè)參數(shù)、設(shè)備和技術(shù)要求等見表1。

表1 與海洋環(huán)境相關(guān)的監(jiān)測(cè)參數(shù)、設(shè)備和技術(shù)要求

平臺(tái)位置和姿態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的內(nèi)容主要包括平臺(tái)6 個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)和加速度、平臺(tái)吃水和上部甲板氣隙。平臺(tái)的位置可通過(guò)定位系統(tǒng)準(zhǔn)確測(cè)量；平臺(tái)的水平運(yùn)動(dòng)（橫蕩和縱蕩）可通過(guò)定位系統(tǒng)監(jiān)測(cè)值計(jì)算得到；平臺(tái)的方位角（艏向）和傾斜角（縱搖和橫搖）可通過(guò)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（Inertial Navigation System，INS）測(cè)量。平臺(tái)位置和與姿態(tài)相關(guān)的監(jiān)測(cè)參數(shù)、設(shè)備及技術(shù)要求等見表2。

表2 平臺(tái)位置和與姿態(tài)相關(guān)的監(jiān)測(cè)參數(shù)、設(shè)備及技術(shù)要求

浮體結(jié)構(gòu)應(yīng)力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要根據(jù)計(jì)算分析結(jié)果確定應(yīng)力關(guān)鍵區(qū)域，從而布置傳感器。結(jié)構(gòu)應(yīng)力監(jiān)測(cè)結(jié)果可用于校核計(jì)算分析結(jié)果，探測(cè)早期結(jié)構(gòu)破壞或惡化情況，估算實(shí)際疲勞損害情況和剩余壽命。實(shí)際應(yīng)用結(jié)果表明，傳統(tǒng)電阻應(yīng)變片布置在水下容易失效。近年來(lái)，光纖應(yīng)變傳感器因具有靈敏度高、耐腐蝕、頻率高、質(zhì)量輕和抗電磁干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)而廣泛應(yīng)用于復(fù)雜環(huán)境下的海洋工程結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)中，尤其是水下監(jiān)測(cè)中。光纖布拉格光柵傳感器的光柵陣列數(shù)量一般為2 ～10 個(gè)，波長(zhǎng)范圍一般為1 510 ～1 590 nm，中心波長(zhǎng)偏差為±0.5 pm，波長(zhǎng)精度可達(dá)到1 pm。

平臺(tái)系泊監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的內(nèi)容主要包括頂部張力、平臺(tái)頂部鏈?zhǔn)辗砰L(zhǎng)度，以及頂部鏈環(huán)停留在止鏈器上的編號(hào)和停留時(shí)間。系泊纜張力和收放長(zhǎng)度監(jiān)測(cè)可直接通過(guò)系泊系統(tǒng)的起鏈裝置自帶的可編程序控制器（Programmable Logic Controller，PLC）實(shí)現(xiàn)。一體化海洋監(jiān)測(cè)系統(tǒng)只需提供與PLC 的接口。系泊纜鏈環(huán)停留在止鏈器上的編號(hào)和停留時(shí)間可通過(guò)對(duì)系泊纜收放長(zhǎng)度的變化進(jìn)行計(jì)算得到，可用于計(jì)算系泊纜的長(zhǎng)期損害情況和剩余壽命。該系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)最好是針對(duì)每根系泊纜，或每組至少監(jiān)測(cè)2 根，以確保冗余和相互校核。

立管是海洋油氣生產(chǎn)的核心部件，尤其是鋼制懸鏈線立管的疲勞損害是平臺(tái)完整性管理的重要部分。對(duì)于深水立管，監(jiān)測(cè)的內(nèi)容主要包括頂部張力、柔性連接頭轉(zhuǎn)角、渦激振動(dòng)響應(yīng)和疲勞損害等。監(jiān)測(cè)設(shè)備包括在關(guān)鍵區(qū)域布置的應(yīng)變片、沿長(zhǎng)度方向布置的運(yùn)動(dòng)傳感器和在頂部柔性連接頭布置的轉(zhuǎn)角測(cè)量計(jì)等。對(duì)于深水部分的監(jiān)測(cè)，需采用聲波傳輸技術(shù)進(jìn)行信號(hào)傳輸，從而避免硬連線帶來(lái)的復(fù)雜性。

壓載控制系統(tǒng)用于對(duì)所有的壓載艙進(jìn)行加載和卸載操作。平臺(tái)在位作業(yè)時(shí)，通過(guò)壓載系統(tǒng)調(diào)整平臺(tái)姿態(tài)。壓載控制系統(tǒng)主要監(jiān)控所有艙室的液位，以及閥門、泵和水密門／通道等的狀態(tài)等。壓載控制系統(tǒng)一般自成系統(tǒng)，但其監(jiān)控顯示一般需集成到一體化海洋監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中。

一體化海洋監(jiān)測(cè)系統(tǒng)除了監(jiān)測(cè)傳感器及附屬設(shè)備設(shè)施（電纜、接線盒和支架等）以外，一般還包括控制室和操作臺(tái)設(shè)備，如控制機(jī)柜、服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、信號(hào)調(diào)解器和電源供應(yīng)分配模塊等。為保證平臺(tái)在臺(tái)風(fēng)撤離期間能采集到重要的環(huán)境和平臺(tái)響應(yīng)數(shù)據(jù)，系統(tǒng)需配備不間斷電源，供電時(shí)間應(yīng)不少于72 h。

3 數(shù)據(jù)采集及存儲(chǔ)方案

半潛式生產(chǎn)平臺(tái)一體化海洋監(jiān)測(cè)系統(tǒng)將用于收集、顯示和備份／存檔所有子系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)來(lái)自監(jiān)測(cè)儀器的模擬信號(hào)或數(shù)字信號(hào)。布置于機(jī)房的服務(wù)器將作為采集主機(jī)，備用服務(wù)器作為冷備份主機(jī)。儲(chǔ)存在服務(wù)器中的數(shù)據(jù)既包括直接監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)，如風(fēng)速、風(fēng)向等，又包括間接計(jì)算得到的數(shù)據(jù)，如通過(guò)定位系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)計(jì)算得到的平臺(tái)位移和通過(guò)氣隙監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)計(jì)算得到的平臺(tái)吃水等。為實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和“互聯(lián)網(wǎng)+”數(shù)據(jù)共享，一體化海洋監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)與平臺(tái)上其他監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)綜合到一起，形成“平臺(tái)數(shù)據(jù)中心”，通過(guò)衛(wèi)星通信傳輸給陸基數(shù)據(jù)中心。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)各設(shè)備的采集頻率一般不同。例如：系泊系統(tǒng)張力含16 個(gè)通道，采集頻率為0.5 Hz；平臺(tái)姿態(tài)含9 個(gè)通道，采集頻率為1 Hz等。實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)通過(guò)基本的過(guò)濾清洗操作之后保存在服務(wù)器上的數(shù)據(jù)庫(kù)中，記錄頻率統(tǒng)一為1 Hz。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的類型一般為浮點(diǎn)數(shù)，存儲(chǔ)小數(shù)點(diǎn)位數(shù)一般根據(jù)測(cè)量精度和實(shí)際需要而定，例如：溫度和壓力采用1 位小數(shù)；風(fēng)速、流速和浪高等采用2 位小數(shù)；全球定位系統(tǒng)坐標(biāo)至少需要6 位小數(shù)等。

4 智能化功能開發(fā)

半潛式生產(chǎn)平臺(tái)對(duì)環(huán)境極為敏感，立管安全作業(yè)依賴于系泊系統(tǒng)的完整性。因此，一體化海洋監(jiān)測(cè)系統(tǒng)將平臺(tái)姿態(tài)預(yù)報(bào)功能嵌套集成在軟件中，用于指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)，提升平臺(tái)的安全性和可靠性。

姿態(tài)預(yù)報(bào)是指基于平臺(tái)大量的時(shí)域耦合計(jì)算統(tǒng)計(jì)和擬合結(jié)果，根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)或預(yù)報(bào)的環(huán)境數(shù)據(jù)預(yù)估平臺(tái)響應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)在臺(tái)風(fēng)來(lái)臨前對(duì)平臺(tái)惡劣響應(yīng)的預(yù)報(bào)和評(píng)估，提前做好相應(yīng)的準(zhǔn)備。預(yù)報(bào)結(jié)果為一個(gè)中心值，以及在給定的置信度（90%）下的置信區(qū)間，平臺(tái)姿態(tài)智能化預(yù)報(bào)算法流程具體如下：

1）根據(jù)風(fēng)速和流速，以及平臺(tái)環(huán)境荷載系數(shù)、系泊系統(tǒng)剛度曲線等計(jì)算平臺(tái)姿態(tài)響應(yīng)均值；

2）根據(jù)時(shí)域耦合計(jì)算統(tǒng)計(jì)結(jié)果擬合得到動(dòng)態(tài)修正系數(shù)和波高計(jì)算平臺(tái)響應(yīng)；

3）基于預(yù)報(bào)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)存在差異的歷史數(shù)據(jù)，通過(guò)自學(xué)習(xí)得到相應(yīng)的預(yù)估誤差修正系數(shù)，進(jìn)而得到最終的平臺(tái)姿態(tài)預(yù)報(bào)結(jié)果。

5 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件集成

為避免相互孤立，一體化海洋監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)將各監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)集成在一起，通過(guò)統(tǒng)一的軟件展示，從而使作業(yè)人員能綜合評(píng)價(jià)平臺(tái)的整體狀態(tài)。該軟件包含數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)顯示和分析模塊和智能化預(yù)報(bào)模塊等3 部分。為使作業(yè)人員對(duì)平臺(tái)實(shí)時(shí)姿態(tài)有直觀的了解，從而支持作業(yè)決策，該軟件還將對(duì)平臺(tái)的實(shí)時(shí)姿態(tài)進(jìn)行三維動(dòng)畫顯示。

1）數(shù)據(jù)采集模塊將安裝于機(jī)柜的服務(wù)器上，其主要功能將包括：

（1）監(jiān)控每臺(tái)傳感器的運(yùn)行狀態(tài)；

（2）實(shí)時(shí)對(duì)每臺(tái)監(jiān)測(cè)傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、過(guò)濾和清洗，并將所得結(jié)果同步記錄于數(shù)據(jù)庫(kù)中；

（3）定義與平臺(tái)相關(guān)的“常量”，并計(jì)算“間接”數(shù)據(jù)通道；

（4）對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行儲(chǔ)存管理和備份存檔管理。

2）數(shù)據(jù)顯示和分析模塊將安裝于操作臺(tái)的計(jì)算機(jī)上，其主要功能包括：

（1）提供友好的人機(jī)交互界面；

（2）對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)用圖像和表格形式進(jìn)行可視化顯示；

（3）對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)間序列顯示和統(tǒng)計(jì)分析；

（4）對(duì)異常信號(hào)進(jìn)行預(yù)警；

（5）自動(dòng)產(chǎn)生日?qǐng)?bào)和月報(bào)等。

3）智能化預(yù)報(bào)模塊與數(shù)據(jù)顯示和分析模塊集成在一起，其主要功能包括：

（1）根據(jù)實(shí)測(cè)（或預(yù)報(bào)）的環(huán)境數(shù)據(jù)和用戶設(shè)置的置信度，通過(guò)算法預(yù)估平臺(tái)的姿態(tài)中心值和置信區(qū)間；

（2）可視化顯示平臺(tái)實(shí)際的姿態(tài)和預(yù)估的姿態(tài)；

（3）基于歷史數(shù)據(jù)（預(yù)估姿態(tài)與實(shí)測(cè)姿態(tài)的差異），通過(guò)自學(xué)習(xí)計(jì)算得到和保存預(yù)估誤差修正系數(shù)。

6 結(jié) 語(yǔ)

當(dāng)前我國(guó)的海上油氣開發(fā)正逐步由淺海走向深海，已開始采用技術(shù)先進(jìn)的深水浮式生產(chǎn)平臺(tái)。一體化海洋監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是確保深水浮式平臺(tái)安全運(yùn)營(yíng)的重要裝備之一。本文以我國(guó)南海陵水氣田的“深海一號(hào)”半潛式生產(chǎn)儲(chǔ)油平臺(tái)為研究對(duì)象，綜合海洋監(jiān)測(cè)技術(shù)和信息技術(shù)，進(jìn)行了一體化海洋監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體技術(shù)方案設(shè)計(jì)，新增了智能化預(yù)報(bào)和決策監(jiān)測(cè)軟件模塊。該深遠(yuǎn)海平臺(tái)一體化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的開發(fā)有助于我國(guó)海洋平臺(tái)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)化信息管理平臺(tái)建設(shè)，為海洋工程的科研、設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、運(yùn)維和完整性管理提供服務(wù)。