海上采油生產設施基座式起重機防碰撞技術分析

海上采油生產設施起重機是海上石油平臺人員和物資上下的重要設備，使用頻率極高，風險系數極大。由于海上環境惡劣、平臺頂層甲板空間狹小、修井設備多等因素，吊車司機受操作環境的影響，在進行部分吊裝作業時，常會出現視覺盲區，有可能導致吊臂與其他設備或平臺結構發生碰撞，出現安全事故。

1 基座式起重機防碰撞技術現狀

在渤海油田三十多年的生產作業過程中，發生過多起平臺起重機吊臂碰撞事故，造成了事故起重機癱瘓、平臺結構受損及設備毀壞等嚴重后果，在其中一些案例中，后續進行起重機修復的費用甚至超過了起重機的一次購置費用。目前基座式起重機的防碰撞技術主要有以下幾類。

1)測距雷達防碰撞技術。在吊臂上布置適當數量的測距雷達，當吊臂運行到距離障礙物一定距離后，通過聲光報警的方式及時通知吊車司機。

2)超聲波傳感器防碰撞技術。在吊臂上布置超聲波傳感器并對障礙物進行距離測量，通過坐標變換等確定障礙物相對于吊臂的位置，并利用Kal-man濾波、最優Kal-man融合估計、神經網絡數據融合、模糊聚類空間融合及曲線擬合預測等技術分析，對障礙物的運動方向及運動趨勢進行預測，為吊車司機提供障礙物的空間位置信息。

3)基于數字信號處理器(DSP)的視覺防碰撞技術。在吊臂上安裝雙目測距系統，根據雙目成像的幾何原理，通過左右2幅圖像的算法匹配出相應像點，再利用三角測量的方法計算出雙目攝像機的安裝處與障礙物之間的距離。當檢測到這個距離小于起重機防碰撞的安全距離時，系統發出報警或采取制動措施。

2 3D區域限制防碰撞基本理念

碰撞的本質實際上是空間位置與空間位置的重合，因此如能準確計算出起重機在任意時刻的空間位置(吊臂角度/幅度、回轉角度、吊鉤起升高度)，并且起重機的控制系統能獲取平臺作業區域障礙物的空間信息，那么就能夠通過空間位置的對比來防止起重機與障礙物之間發生碰撞。與傳統防碰撞技術相比較，基于3D區域限制防碰撞技術對惡劣海況及作業環境的容忍度非常高，抗干擾能力強，系統構成簡潔且可靠性高。另外，該技術方案可在起重機設計階段統籌考慮，將數據處理及用戶界面等功能統一集成到可編程邏輯控制器(PLC)中，避免了在吊臂上進行傳感器布設可能存在的不合理以及帶來的電纜敷設或無線通訊干擾等一系列問題，在工程實踐中較為簡單、實用，可實施性很強。因此，按照這一技術路線開展了渤海油田某中心平臺起重機的防碰撞系統的研發與應用。

3 3D區域限制防碰撞模型的建立

3D區域限制防碰撞技術，即對于起重機回轉工作時的吊臂防撞，以起重機基柱中心為坐標原點建立三維坐標系，輸入平臺固定障礙物的坐標位置(x，y，z)，則可以計算出在不同高度(z坐標)下吊臂回轉的限制角度θ1、θ2、θ3、θ4等，建立數學模型θ=f(x，y，z)，可以確定吊臂的俯仰角度值α：

α=arcsin(z/L),

(1)

式中，z為障礙物的高度坐標，L為吊臂長度。

最后，根據俯仰角度來限制吊臂進入禁止工作區域，可防止吊臂與平臺固定障礙物相撞。由于一般平臺起重機的控制精度需求較低，為了減小起重機控制系統的復雜程度及系統的故障率，可以將起重機的工作區域進行三維網格的劃分，3D區域限制網格劃分示意圖如圖1所示，根據平臺環境，對不同網格起重機吊高進行不同限制，可以動態測量運動部件位置信息，與靜態環境位置信息進行實時比較，以發出報警和關斷信號，避免碰撞事故的發生。系統可以保護一個或者幾個形狀不同的區域，區域可以覆蓋棧橋管線、修井設備等。

圖1 3D區域限制網格劃分示意圖

4 3D區域限制防碰撞技術應用設計步驟

通常情況下，用回轉角度、變幅角度(幅度)和起升高度這3個維度來表示起重機在平臺上的絕對空間位置。通過編碼器記錄的初始位置和瞬時位置，以及編碼器的信號放大比值等信息依次實現如下參數精準空間測量：①回轉角度；②變幅絞車卷入的鋼絲繩的長度；③起升高度。

在起重機的起升卷筒、變幅卷筒和回轉齒圈上分別增加絕對值編碼器,用于分別檢測起升、變幅鋼絲繩伸出長度和回轉位置。通過PLC計算出吊鉤高度、變幅角度和回轉角度，并以此3個維度形成起重機在空間坐標空間中的唯一坐標位置。

理論上講，基于3D區域限制技術的防碰撞系統能夠大幅降低平臺起重機與其它障礙物發生碰撞的概率，提高吊裝效率及吊裝安全性。