海洋監測系統 對千米級水深鋪管船海上施工的意義

于文太 夏寶宏 李斌 樊鶴 王南海

摘 要：本文主要介紹了海洋石油201鋪管船在千米級水深海底管道鋪設和海管終端（PLET）下放工況下的海洋環境以及運動監測系統設備和設計方式，并論述其對海洋工程作業的指導意義。為了適應千米級水深海底管道鋪設及PLET下放作業的使用要求，同時確保海上安全施工，運用雷達、電羅經、運動傳感器等，對鋪管及PLET下放作業中的風、浪、流等環境信息以及船舶運動數據進行采集，并通過對采集的數據信息進行處理，指導海底管道鋪設及PLET下放作業，提高了海洋施工作業的安全性。

關鍵詞：千米級;鋪管船;船舶運動;監測系統

中圖分類號：P71? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2019）09-0060-03

1 引言

從目前世界上的油氣地質資源勘探情況來看，海洋里的石油儲量所占比重越來越大。在全球六大海上石油作業區域中，現在主要開采水深是在1000米以內，大部分作業區域將來的開發前景是逐步進入2000米水深開采。

中國與周邊國家在“擱置爭議、共同開發”的原則指引下，海洋石油開發水深也不斷加大，深水海底管道鋪設、PLET安裝等業務量飽滿，這使得海洋石油201船有了廣闊的作業空間和市場保證。海洋石油201船是世界上第一艘同時具備3000米級深水鋪管能力、4000噸級重型起重能力和DP-3級動力定位能力的深水鋪管起重船，能在除北極外的全球無限航區作業。該船是深水油氣田開發過程中不可或缺的重要裝備。

為了確保深水海洋工程作業的完整和安全性，對海洋信息的掌握程度以及認知非常重要，所以對海洋信息的采集意義重大。本文主要介紹在海洋石油201船對海底管道鋪設及PLET下放作業過程中，通過監測下放過程的201船舶重心位置六個自由度的運動和風、浪、流的監測，進而形成原始數據文件;選取已生成監測數據原始文件，將運動監測生成的csv純數據文件導入到開發程序中，根據運動監測到的瞬時數據通過統計分析最終輸出能體現運動特征的相關數值如船舶6個自由度的運動/速度/加速度的統計值（包括最值/平均值/有義值等）并能按照時間段輸出相應的時間歷程運動曲線，來達到實時監測現場的風、浪、流及船舶運動的要求。如圖1所示。

2 監測硬件

2.1 監測設備

為了能保證施工過程中正確判斷氣候滿足船舶安全性能，有效地監控施工區域的風、浪、流環境條件，檢查氣象預報的準確性，需要對現場的海洋環境條件以及船舶運動信息進行實時監測，獲取施工海域實時的環境信息，具體包括風速、風向、波高、波浪周期、波浪方向、表面流速以及流向等。為了完成海洋工程作業信息采集的任務，滿足精度、采集頻率的要求，監測設備的選擇至關重要。監測設備主要包含GPS+INS組合系統1套、采集卡1套、系統集成1套、27”大屏幕顯示屏2臺、20尺箱裝箱監控室1個。

風速風向傳感器采用WindSonic，WindSonic具有穩定的性能、抗紫外線材料;低啟動速度（0.01m/s）無需維護、無需校準、結構堅固、可軟件配置狀態代碼輸出真正359°操作，一臺單獨設備可測量風速和風向。

通過Miros WaveX測波系統獲取測量海域波浪和表面流數據。測波系統捕獲并處理來自標準X波段航海雷達的海面反向散射數據，通過最先進的強勁的具有準確性和自適應性的算法，計算并顯示方向波和表面水流數據。系統同時配置了GPS與電羅經用于航向與位置數據測量。

運動監測采用SMC-108運動傳感器，SMC -108采用了目前最先進的姿態測量技術，用以測量船舶或其他載體的橫搖、縱搖、升沉及橫蕩、縱蕩等姿態參數，同時可對X、Y、Z三軸方向的加速度進行精確測量;橫搖和縱搖動態精度可達0.03°，橫蕩、縱蕩和升沉的精度為5cm 或 5%，三軸加速度精度為0.01m/s2。運動傳感器具備100Hz高采樣及輸出速率，保證了船舶運動姿態數據的實時采集及輸出。

2.2 設備安裝

船舶運動設備系統配置一個IMU108用于采集201船體運動數據，IMU108安裝在監測儀表室內（中線）可調平支架上，監測室規格足以滿足所有儀器的安裝。所有儀器設備均安裝在房間的一次背板墻上，其位置對應201船的156號肋位，距船舶右舷5米。系統配置的電羅經，主要用于實時測量船舶的真北航向信息，電羅經安裝在位于IMU108 下部的調節支架上。同時系統配置了GPS可提供船舶的經緯度數據，GPS安裝在監測室外頂。

環境監測設備系統配置WindSonic風速風向儀，安裝在房頂升降裝置上，用于采集測量區域的風速、風向數據。測波雷達的掃描單元位于監測室外頂的升降裝置上，升降高度可在10米范圍內調節，以適應合適的雷達工作高度。所有的測量數據均集中顯示在數據采集系統，可在軟件界面實時顯示與查詢。

3 監測系統

3.1 數據采集顯示

數據的采集模式為實時采集，采集過程中每15分鐘自動保存一個相應的CSV格式的數據文件。采集的風、浪、流及船舶運動信息，也是實時顯示在監測系統上，以方便操作人員實時讀取數據。

3.2數據后處理

在數據采集過程中可將之前自動保存的CSV格式的數據導入到后處理軟件中，從而得到各個數據前一段時間的情況;同時也可以實現將任意的環境變量數據或船舶運動姿態數據添加入到同一圖表中（曲線圖或其他便于分析的圖表），直觀分析不同變量之間的關系。

通過后處理數據，分析風、浪、流、船舶吃水與船舶運動姿態或船舶操控的關系，得到相應方程或函數，從而可以得到相應的風浪條件下船舶的運動情況，以便更好的支持船舶運動的預測。

4 結論

本文通過對海洋石油201在千米級水深海底管道鋪設及PLET下放安裝工況下的海洋環境進行監測，得出海洋環境監測對海洋工程作業的指導意義如下：

（1）通過監測實時數據進行分析，預估船舶下一時刻運動姿態，輔助動力定位系統完成船舶定位;

（2）將實時海洋環境與天氣預測系統進行對比，預判可以進行海工施工作業的時間;

（3）將實時海洋環境與仿真模擬進行對比，有利于科學地研究海洋工程作業;

（4）可以實時觀測海洋信息以及船舶運動姿態變化，可以及時發現不良狀態，提高海上施工作業的安全性。

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