基于LabVIEW的FPSO陀螺儀3D姿態實時監測系統

高 峰 黃永清 張陽安 洪 毅 田 佳

(北京郵電大學，北京 100876；2.中海油研究總院，北京 100028)

基于LabVIEW的FPSO陀螺儀3D姿態實時監測系統

高 峰1黃永清1張陽安1洪 毅2田 佳2

(北京郵電大學，北京 100876；2.中海油研究總院，北京 100028)

設計了一套FPSO陀螺儀3D姿態實時監測系統，給出了該系統的軟硬件結構。系統基于LabVIEW虛擬儀器技術的三軸加速度數據提取程序，并設計了FPSO運動姿態實時顯示人機交互界面。實驗室測試結果表明：該系統能實時監測并還原FPSO運動實體的姿態。

3D姿態監測 陀螺儀 FPSO LabVIEW

海上浮式生產儲油裝置(FPSO)作為深水開發模式的關鍵設施，獲得了廣泛的關注和應用。目前，大多數FPSO作為海上油田的處理中心，采用的是離岸定位錨泊系統，并且不配備動力航行能力。錨泊方式分為單點系泊和多點系泊，多點系泊在FPSO的首尾各有一根以上的錨鏈將其直接錨泊于海底，限制船的直線運動與旋轉運動，適用于風浪流方向單一的區域；大部分FPSO的系泊系統屬于單點系泊，允許FPSO繞單點自由轉動，從而減少風浪流的作用力。當前，主流的單點系泊系統為軟鋼臂式(Soft Yoke Mooring)和轉塔式(Turret)[1]。單點系泊系統除自身要受到環境載荷的作用外，還要平衡來自FPSO的搖蕩運動所產生的慣性作用力[2，3]。此外，單點還是原油管線、動力電纜及通信光纜等關鍵設施的連接點。我國南海是全球海況最惡劣的海域之一，臺風頻發，對單點系泊FPSO和海上油氣田開發的安全生產提出了很大的挑戰。目前，對FPSO的實時運動姿態缺乏有效的監測手段，在臺風等惡劣的海況下，FPSO暴露在因姿態偏移安全的錨泊范圍而導致油氣管線泄漏或電纜/信號纜斷裂的風險之中。因此，FPSO運動姿態的在線監測對深水油氣田開發的安全運營、安全管理和工程建設有著重要意義。

筆者利用虛擬儀器技術，將高性能的陀螺儀3D姿態監測樣機與高效靈活的數據提取[4]以及姿態還原軟件結合起來，以慣性傳感器作為運動實體，通過編寫三軸加速度提取程序、LabVIEW串口數據幀提取程序和3D姿態實時顯示人機交互界面，完成對運動實體三軸加速度的實時提取和姿態還原。該系統具有成本低、能耗低和輕便的特點，可實時對運動實體的姿態進行顯示，應用于海上FPSO的姿態監測中具有極大的潛力。

FPSO運動姿態監測系統的結構如圖1所示，該系統包括硬件部分和軟件部分。硬件部分由慣性傳感器、單片機、數據線和PC機構成。慣性傳感器采用ADIS16365，可以感知運動實體的搖蕩運動姿態。單片機采用ATmega128，通過編程提取傳感器感知的三軸加速度數據，濾波處理后經RS232串口輸出至PC端。軟件部分包括基于LabVIEW虛擬儀器技術的三軸加速度數據提取程序[5]、運動姿態實時顯示人機交互界面。

圖1 FPSO運動姿態監測系統結構框圖

VISA是LabVIEW軟件中用于虛擬儀器編程的標準I/O函數庫總稱，VISA庫駐留于計算機中，是計算機與虛擬儀器之間的軟件層連接，通過高層的應用程序編程接口(API)調用低層的驅動程序以提取虛擬儀器特征參數或向虛擬儀器發布控制指令。LabVIEW運動姿態數據提取程序與PC通信串行接口采用RS232協議，信息幀格式如圖2所示。數據1、數據2、數據3為三軸旋轉速率，數據4、數據5、數據6為三軸加速度，幀尾為FF，通過幀尾校驗保證數據的完整性提取。其中每個數據皆由4位十六進制字符串組成，信息傳輸速率115 200bit/s。

圖2 運動姿態信息幀格式

運動姿態監測樣機和實時顯示人機交互界面如圖3所示。該樣機由慣性傳感器、三軸加速度數據采集單片機和外圍電路構成，搖蕩運動姿態通過慣性傳感器ADIS16365感應并映射為運動姿態信息幀，數據采集單片機對信息幀進行濾波去噪和同步處理，傳輸至PC機LabVIEW軟件進行數據存儲和姿態還原。

圖3 姿態監測樣機和運動姿態實時顯示人機交互界面

2 實驗測試

FPSO的艏-艉(前后)方向稱縱向，用X表示；左-右舷(左右)方向稱橫向，用Y表示；上甲板-船艙底(上下)方向稱垂直方向，用Z表示。人為改變姿態監測樣機在X、Y、Z方向的加速度和繞Z軸的旋轉速率，可以定性模仿FPSO在海上遇到的前后、左右、上下起伏和繞單點的旋轉運動姿態，如圖4所示。

圖4 運動姿態監測樣機實驗室測試結果

圖4是采用虛擬儀器技術提取的姿態監測樣機XYZ三軸加速度數據，其運動姿態和相關參數可實時顯示于LabVIEW人機交互界面。圖4a是模仿較為平靜的海面，旋轉速率為零時，姿態監測樣機在X、Y、Z3個方向隨機起伏運動的加速度。圖4b模仿繞Z軸旋轉速率不為零時，且橫向起伏運動變化劇烈的情況，可見左下角代表橫向的曲線劇烈波動，右下角代表繞Z軸旋轉速率的曲線呈現周期性變化。

3 結束語

設計了一套低成本、低能耗、輕便的FPSO陀螺儀3D姿態實時監測系統，闡述了該系統的軟硬件組成，將陀螺儀3D姿態監測樣機與基于LabVIEW虛擬儀器技術的數據提取、姿態還原程序結合起來，以慣性傳感器作為運動實體，將XYZ三軸加速度數據映射并還原為運動姿態，實時顯示于人機交互界面，所有三軸加速度和旋轉速率數值均可從后臺讀取并存儲。利用該系統可檢測海上FPSO的整體運動姿態，當運動數據超過預警值后，及時向操作人員和陸上終端發出報警，即使在臺風撤離無人值守期間也能實時提取關鍵數據，以實現臺風天氣或其他惡劣海況下的預警保護作用。為了實現這個目標，還需進一步研究該實時監測系統在FPSO上的最佳布設方案、船體姿態還原數據與系泊受力特征值之間的統計關系，以確定最佳的姿態預警值。

[1] 呂立功，景勇，溫寶貴，等．FPSO系泊系統設計上的考慮[J]．中國造船，2005，46(z1)：348～356.

[2] 亓俊良.FPSO單點系泊監測系統設計與應用[J].中國海上油氣，2014，26(z1)：31～34.

[3] 劉振國，楊貴強.服役期FPSO面臨的挑戰及應對措施[J].資源節約與環保，2012，(5)：123～130.

[4] 李亞軍，尤文卿，藺亞軍，等.基于實時數據庫的換熱器實時監測管理系統[J].化工機械，2011,38(4):475～476,494.

[5] 宋文龍，劉湘晨，周曉，等.基于Matlab和Solidworks的水輪機葉片設計和三維建模[J].化工機械，2015,42(1)：93～96.

AReal-timeSystemforMonitoringFPSOGyro’s3DPostureBasedonLabVIEW

GAO Feng1, HUANG Yong-qing1, ZHANG Yang-an1, HONG Yi2, TIAN Jia2

(1.BeijingUniversityofPostsandTelecommunications,Beijing100876,China; 2.CNOOCResearchInstitute,Beijing100028,China)

A novel FPSO gyro’s 3D posture monitoring system was designed, including its software and hardware structure and human-machine interface for the real-time display of FPSO moving posture. The system has LabVIEW’s triaxial acceleration data based to extract the procedure. Laboratory tests show that this system can monitor and restore the state of FPSO moving object at real time.

3D posture monitoring, gyro, FPSO, LabVIEW

TH865

A

1000-3932(2016)02-0151-03

2015-04-14(修改稿)