AIS在FPSO原油外輸作業(yè)中的設(shè)計應(yīng)用

AIS在FPSO原油外輸作業(yè)中的設(shè)計應(yīng)用

朱進全,鄭曉濤,董海杰

(中海油能源發(fā)展采油服務(wù)公司,天津 300452)

摘要：為了利用已有設(shè)備給提油作業(yè)指揮人員提供關(guān)鍵參考依據(jù)，提出集成AIS系統(tǒng)的方法。實例分析AIS的數(shù)據(jù)解碼過程，驗證集成AIS數(shù)據(jù)的可行性。對于AIS解碼后的GPS定位數(shù)據(jù)，借助Visual Studio程序開發(fā)平臺設(shè)計C#語言程序，并圖形化顯示FPSO、穿梭油船和拖輪相對位置關(guān)系。設(shè)計FPSO與穿梭油船的相對距離計算流程，并劃分不同報警等級，實現(xiàn)對危險狀態(tài)的報警，減輕外輸作業(yè)關(guān)鍵人員的勞動強度，降低外輸作業(yè)風(fēng)險。

關(guān)鍵詞：FPSO; AIS; 外輸作業(yè); 數(shù)據(jù)解碼; 設(shè)計應(yīng)用

DOI:10.3963/j.issn.1671-7953.2015.05.031

中圖分類號：U662;P751

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1671-7953(2015)05-0113-04

收稿日期：2015-07-30

作者簡介：第一朱進全(1983-)，男，碩士，工程師

Abstract:In order to use the existing equipment to provide reference for oil extraction command staff, the method of integrated AIS system is proposed. The data decoding process of AIS is analyzed, and the feasibility of integrating AIS data is verified. For AIS decoding of GPS positioning data, C# language program is designed with the aid of visual studio programming platform. The relative position relationship of FPSO, shuttle tanker and tugboat is displayed in graphical form. The calculation procedure of the relative distance between the FPSO and the shuttle tanker is designed, and it is divided into three different alarm levels to realize alarm of the dangerous state, reduce the labor intensity of the key personnel of the outer transportation, thereby reducing the outer transmission operation risk.

修回日期：2015-09-01

資助項目：工信部項目(2012533)；海油發(fā)展英才計劃(HYFZ-YCJH-CY2014-04)

研究方向:海洋石油裝備(FPSO)的科研管理

E-mail:zhujq@ cnooc.com.cn

近年來，隨著淺海和近海所剩的油氣資源越來越少，而深水、超深水占全部海上油氣資源量的30%～40%，勘探開發(fā)深海油氣勢在必行。對于開發(fā)深海和超深海油氣田，固定式平臺無論技術(shù)還是經(jīng)濟性都不可行[1]。浮式生產(chǎn)儲卸油裝置(FPSO)能夠在油田壽命期間保持在遠(yuǎn)離陸地的作業(yè)現(xiàn)場，只需在海上進行年檢，通常設(shè)計成能夠抵御100年重現(xiàn)期的風(fēng)暴，因而廣泛應(yīng)用于深海油田的開采作業(yè)[2-3]。一般而言，深海的氣象環(huán)境較惡劣，F(xiàn)PSO選擇串靠外輸方式把原油輸送至穿梭油船上。FPSO、穿梭油船與拖輪之間呈一條直線排列時，是最安全狀態(tài)，目前只能依靠人員目測來判斷或者調(diào)整3艘船舶之間相對位置關(guān)系。一次外輸作業(yè)時間長達(dá)十幾h，一旦外輸作業(yè)期外輸作業(yè)間出現(xiàn)突變惡劣海況，尤其在外輸作業(yè)中后期階段，F(xiàn)PSO與穿梭油船之間相對夾角變大、相對距離變小，發(fā)生船體碰撞的概率頗大[4-7]。

依托工信部項目“FPSO原油外輸系統(tǒng)集成技術(shù)研究及關(guān)鍵設(shè)備研制”和海油發(fā)展英才計劃課題“FPSO原油外輸監(jiān)測系統(tǒng)研究”，集成FPSO上已有的AIS系統(tǒng)、系泊纜拉力傳感器和風(fēng)速風(fēng)向儀，新購置了通訊模塊和GPS模塊等設(shè)備，開發(fā)了FPSO原油外輸安全保護系統(tǒng)。該系統(tǒng)的一項重要功能是實時監(jiān)測FPSO、穿梭油船與拖輪之間相對位置關(guān)系，當(dāng)監(jiān)測到FPSO與穿梭油船之間相對夾角和相對距離超過設(shè)定的報警值時，能夠自動發(fā)出語音和文字報警，解決了提油船長在外輸指揮作業(yè)時缺少實時關(guān)鍵參考依據(jù)的問題。AIS系統(tǒng)能為該系統(tǒng)提供外輸作業(yè)區(qū)域內(nèi)的所有裝有AIS系統(tǒng)的船舶的航向、經(jīng)度和緯度數(shù)據(jù)[8-9]，尤其在GPS模塊失效時，仍然能解碼外輸作業(yè)船舶的AIS定位數(shù)據(jù)，并計算出FPSO和穿梭油船之間相對距離，從而實現(xiàn)監(jiān)測、報警功能。

1AIS系統(tǒng)的解碼

1.1采集AIS數(shù)據(jù)

AIS系統(tǒng)是在甚高頻海上移動頻段采用自組織時分多址接入方式自動廣播和接收船舶動態(tài)、靜態(tài)等信息以便實現(xiàn)識別、監(jiān)視和通信的系統(tǒng)[10]。按照國際海事組織的要求，500 t以上船舶均須配備AIS系統(tǒng)。一般的AIS系統(tǒng)定位精度達(dá)到10 m，如果其GPS 模塊支持GPS 偽距差分功能，對AIS信息處理模塊軟件稍加處理升級，即可實現(xiàn)單GPS系統(tǒng)的差分高精度定位引航[11]。

AIS 系統(tǒng)提供了以串行方式輸出本船及目標(biāo)船的動靜態(tài)信息的用戶接口，以便其他系統(tǒng)共享AIS的信息。本項目集成的AIS系統(tǒng)的輸出端口類型為RS-232，安裝在FPSO報房機柜內(nèi)，通過RS-232接口輸出的AIVDM格式(符合IEC61162-1 )的數(shù)據(jù)是AIS通信協(xié)議的數(shù)據(jù)。直接將接口連接至PC的RS232接口，并設(shè)置波特率38 400，1位起始位，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位，即可獲取該數(shù)據(jù)，從而驗證了集成AIS數(shù)據(jù)的可行性。

1.2AIS信息解碼實例分析

為了解決信息更新率與數(shù)據(jù)容量(VDM消息的語句長度≤82個字符)的矛盾，國際電工委員會推出了數(shù)據(jù)封裝的暗碼，其格式為：!aabbb, x , y , z, u ,c-c,v*hh< CR>。其中，aabbb是標(biāo)識符，x為傳輸一條消息的表達(dá)句數(shù)量(≤9條)，y為本條表達(dá)句在序列中的排號，z為同一序列下的統(tǒng)一標(biāo)識(0～9的循環(huán))，u為接收該條消息的頻道(A/B)；c-c為封裝信息，v為填充的字符(0～5個字符)；hh為校驗和字段。AIVDM含有船舶動態(tài)和船舶靜態(tài)信息、航行相關(guān)信息。這里關(guān)注的是消息類型中的1和5。其中：1為船舶動態(tài)信息；5為船舶靜態(tài)和航行相關(guān)信息。AIS數(shù)據(jù)接收處理流程見圖1。

由圖1可見，解碼方法：依據(jù)數(shù)據(jù)接收處理的總流程，依次檢查語句頭和校驗頭，再計算校驗和。若均通過，則判斷報文有效，提取報文ID，具體分解報文內(nèi)容，進行存儲、計算和顯示。

以“!AIVDM,1,1, ,A,168sJEP001`K062FCH`UDnin0@S4,0*59”為例，該消息的內(nèi)容為壓縮字符碼，按照GB/T 20068中的6位ASCII碼表，將其轉(zhuǎn)換為6 bit 二進制碼：000001 000110001000111011011010010101100000000000 000000 000001 101000 011011 000000 000110 000010 010110 010011 011000 101000 100101 010100 110110 110001 110110 000000 010000 100011 000100。然后編輯C#語言程序進行各項內(nèi)容的解碼，求取結(jié)果見表1。

圖1　AIS數(shù)據(jù)接收處理流程

表1　船位報文解碼結(jié)果

2AIS在外輸作業(yè)中的設(shè)計應(yīng)用

2.1船舶位置的監(jiān)測

圖2為AIS數(shù)據(jù)的顯示界面。

圖2　AIS數(shù)據(jù)的顯示界面

由圖2a)可知，在FPSO原油外輸安全保護系統(tǒng)軟件主界面中，AIS數(shù)據(jù)主要實現(xiàn)以下功能：在以單點系統(tǒng)為中心，半徑為2 km的圓形范圍內(nèi)，動態(tài)顯示船舶的MMSI號、經(jīng)度、緯度、航向和航速等信息，并指引船型圖標(biāo)在電子海圖上模擬船舶的航行情況，即為提油船長直觀了解FPSO、穿梭油船和拖輪三艘船舶之間的相對位置關(guān)系提供技術(shù)支撐。單擊“AIS系統(tǒng)信息”模塊，可以查看AIS系統(tǒng)監(jiān)測的所有船舶位置數(shù)據(jù)、航行數(shù)據(jù)等詳細(xì)信息，能為提油船長提供其關(guān)注的船舶其他重要參數(shù)，見圖2b)。

2.2船舶間距計算

軟件系統(tǒng)根據(jù)錄入當(dāng)前外輸作業(yè)的穿梭油船和拖輪信息，從FPSO的AIS系統(tǒng)獲得對應(yīng)MMSI號的航行信息，提取其中的GPS定位信息，利用3艘船的GPS定位信息和船型信息，在Visual Studio程序開發(fā)平臺上編輯C#語言程序，計算FPSO與穿梭油船的相對距離。具體的計算流程[12]見圖3。

圖3　船舶間相對距離計算流程

2.3危險狀態(tài)的報警

FPSO串靠外輸作業(yè)一般采用FPSO，穿梭油船，拖輪協(xié)同作業(yè)的方式，由拖輪的船艉通過拖纜牽引穿梭油船的船艉，穿梭油船備車但不輸出動力，穿梭油船的船艏再通過系泊纜連接FPSO的船艉，而FPSO的船艏圍繞單點系統(tǒng)做圓周運動。正常情況下，系泊纜始終保持張力狀態(tài)，系泊纜的長度為一定值(如70 m)，F(xiàn)PSO與穿梭油船的相對夾角θ和相對距離L存在關(guān)系見表2。

表2　FPSO外輸作業(yè)報警等級表

由表2知，以相對夾角分別取值20°、30°和45°作為報警等級臨界值，得到FPSO外輸作業(yè)報警等級表。一種特殊情況是，即系泊纜破斷，系統(tǒng)直接發(fā)出一級報警。

由圖4可知，軟件系統(tǒng)中實現(xiàn)報警功能的流程。利用AIS系統(tǒng)實時計算出FPSO與提油船的相對距離，當(dāng)進入報警等級范圍內(nèi)時，系統(tǒng)可自動發(fā)出對應(yīng)報警等級的語音和文字報警，報警信息在軟件“告警信息”標(biāo)題下滾動播放，直至屬于安全范圍時，報警解除，如圖4所示。

圖4　報警功能實現(xiàn)流程

外輸指揮人員參考報警信息，發(fā)出有效的指令，從而保證外輸?shù)陌踩Ｍ瑫r，軟件系統(tǒng)存儲預(yù)警信息數(shù)據(jù)，以供后期調(diào)用。

3結(jié)論

1)提出集成AIS數(shù)據(jù)的方法，實例分析AIS的數(shù)據(jù)解碼過程，從而驗證集成AIS數(shù)據(jù)的可行性。

2)對于AIS解碼后的GPS定位數(shù)據(jù)，借助Visual Studio程序開發(fā)平臺設(shè)計C#語言程序，圖形化顯示FPSO、穿梭油船和拖輪相對位置關(guān)系，為提油船長提供實時關(guān)鍵參考數(shù)據(jù)。設(shè)計FPSO與穿梭油船的相對距離計算流程，并劃分3個不同報警等級，實現(xiàn)了對危險狀態(tài)的報警，同時減輕了外輸關(guān)鍵人員的勞動強度，從而降低了外輸作業(yè)風(fēng)險。

參考文獻(xiàn)

[1] 譚家翔,呂立功.海上油氣浮式生產(chǎn)裝置[M].北京:石油工業(yè)出版社,2014.

[2] 劉成名,李洛東,孫政策,等.FPSO環(huán)境烈度因子應(yīng)用分析[J].船海工程,2014,43(6):144-149.

[3] 劉元丹,劉敬喜,譚安全.單點系泊FPSO風(fēng)浪流載荷下運動及其系泊力研究[J].船海工程,2011,40(6):146-149.

[4] 楊家臣,鄭曉濤,朱進全.基于VS2010的FPSO外輸指揮系統(tǒng)的開發(fā)[J].石油機械,2013,41(10):60-64.

[5] 孫海,孫麗萍,樊紅元.FPSO串靠外輸?shù)臄嗬|可靠性與風(fēng)險分析[J].哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報,2011,32(1):11-15.

[6] 王強.FPSO串靠外輸時的多浮體系統(tǒng)響應(yīng)分析[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué),2010.

[7] MATTER G B, SALES J, JOEL S, et al. Dynamic stability of FPSO-shuttle systems: An analytical procedure and practical results[C] . Proc. of the 21st Int. Conf. on Offshore Mechanics and Arctic Engineering,2002.

[8] 解立志,潘啟灝.AIS在多船實時避碰檢測中的應(yīng)用[J].船海工程,2009,38(5):177-180.

[9] 王當(dāng)利,黃立文.基于AIS信息的船舶自動避碰模型及其算法與仿真[J].船海工程,2007,36(2):129-132.

[10] GB/T20068-2006船載自動識別系統(tǒng)(AIS)技術(shù)要求[S].2006.

[11] 張鵬.AIS鏈路GPS/北斗區(qū)域差分精確引航系統(tǒng)設(shè)計[J].通信技術(shù),2014,47(3):296-301.

[12] 劉大杰,白征東,施一民,等.大地坐標(biāo)轉(zhuǎn)換與GPS控制網(wǎng)平差計算及軟件系統(tǒng)[M].上海:同濟大學(xué)出版社,1997.

Application of AIS in Design of Crude Oil Outer Transportation of FPSO

ZHU Jin-quan, ZHENG Xiao-tao, DONG Hai-jie

(CNOOC Energy Technology & Services-Oil Production Services Co., Tianjin 300452, China)

Key words: FPSO; AIS; outer transportation; data decode; design application