運動監測在船舶運輸過程中的應用

馬晉雄，夏寶宏

（1.海洋石油工程股份有限公司，天津 300451;2.能威（天津）海洋工程技術有限公司，天津 300392）

1 引言

隨著人類對海洋的勘察了解，海洋里的石油和天然氣儲量豐富，隨著科學技術的發展海洋能源的開采在油氣開采量占比越來越大。我國的原油有80%來自進口，提高石油產量迫在眉睫；我國在具有延長海岸線的優勢下，石油能源的開采也正向海洋轉移；對于近海石油開采，導管架這種固定式平臺是重要的一部分，在我國的渤海、東海以及南海近海海域大部分油田采用固定式導管架形式。隨著祖國要成為海洋強國的原則指引下，海洋石油也將慢慢走向深海，從而南海油田區塊將被大力開發。科技在不斷發展進而海洋石油開發水深也不斷加大。

隨著海上采油平臺逐漸增加需要的中心處理平臺也越來越多，中心平臺一般重量比較大（12000T-20000T）因此在運輸過程中組塊的運動情況會直接影響作業的安全性；潮汐、涌浪、大風等復雜多變的外力作用，都會導致組塊在運輸過程中運動幅度增大。所以，組塊運動的實時監測是保證運輸安全的重要手段。

運輸過程中組塊運動的實時監測，能夠實時監測組塊運動的橫搖/縱搖傾角以及XYZ 三軸加速度，為組塊運輸順利進行提供了重要保障。

本文結合陸豐項目，介紹了運動監測在組塊運輸過程中的應用以及運動監測的一些潛在應用，可供類似項目參考。

2 項目介紹

2.1 組塊基本信息

陸豐14-4DPP 組塊將采用傳統的高位浮托方法進行海上安裝作業，主作業駁船為T 型駁船海洋石油228，重約15500 噸。陸豐14-4DPP 組塊在珠海建造場地進行建造，并在場地裝船后運輸至陸豐施工現場，運輸距離大約為200海里（360公里）大概需要拖航48小時；因此在運輸過程中需要實時監測組塊的運動情況，為運輸航行提供數據支持。

2.2 監測技術要求

（1）根據現場組塊情況我們選擇在一層和三層外側主腿位置甲板上個安裝4 組高精度運動傳感器；監測和記錄組塊在運輸全過程的橫縱搖角度以及XYZ 三項的加速度。

（2）橫搖/縱搖的精度不低于0.1°，加速度的測量精度不低于10mg，采樣頻率不低于5Hz。

（3）運動監測結果保證能夠不間斷的在船甲板接收端顯示器上實時顯示并保存。

3 姿態實時監測儀器設備

3.1 高精度雙軸傾角傳感器

本次組塊運動的實時監測采用高精運動傳感器，測量精度為0.05°，分辨為0.001°，量程為±300°。數據輸出形式為RS232/RS422 能夠更好地兼容數據采集軟件。

圖1 高精度雙軸傳感器

3.2 無線傳輸電臺及天線

根據項目現場需要數據可以選擇有線傳輸和無線傳輸，以往項目無線電臺工作傳輸頻段為410-441MHz可調，空中波特率為0.3-19.2kbps 可調，傳感器輸出協議和電臺通訊協議都為RS232/RS422 可選。電臺天線一般采用鞭狀天線空中波特率為0.3-19.2kbps，傳輸距離2km 左右。

圖2 無線傳輸電臺及天線

4 姿態實時監測軟件

運動實時監測軟件能夠穩定的運行現在的主流系統win7&win10 上，軟件具有良好的兼容性；為了監測人員操作方便軟件簡化了操作界面。在運動傳感器接通電源后，在軟件中打開對軟件里對應編號的串口，運動監測的數值和時程曲線就實時地顯示在軟件界面了。

圖3 軟件中串口參數設置

運動實時監測軟件也是根據現場需要進行了多次更改；為了軟件在不大的屏幕上同時清楚顯示8 組傳感器的運動情況，軟件將設置4 個窗口展示8 組傳感器的運動監測情況，8 組運動傳感器的監測情況隨時可以通過切換窗口來查看。

圖4 數據的實時顯示

監測軟件每小時自動保存一組監測數據，格式為CSV 格式，保存文件自動計算了這15 分鐘內的各個監測值的最大值，數據儲存時長和統計數據時長都可以根據客戶需求進行設置。

圖5 數據儲存和統計時間設置

為了給后續類似運輸項目提供數據支持，軟件特意設置了數據回放功能，可以在軟件中回放采集過程中某一段時間的運動監測數據。

5 實時監測過程

組塊運動監測主要包括四個部分分別是：①確定傳感器軸向；②安裝固定運動傳感器；③運動傳感器的測試；④實時顯示儲存監測數據。

5.1 確定傳感器軸向

為了方便報出組塊運動情況我們建立了一個坐標系，船頭指向船尾為X 軸正方向，繞X 軸轉動的角度為橫搖值；船左舷指向右舷為Y 軸正方向，繞Y 軸轉動的角度為縱搖值；船底指向甲板方向為Z 軸正方向；根據建立的坐標系和監測數據能夠反映出組塊的運動情況。

5.2 安裝固定運動傳感器

為了在監測過程中知道每個監測點的運動情況我們對測點和傳感器進行了編號，按照測點和傳感器的編號進行安裝固定。根據現場情況我們將傳感器分別安裝在1 層和3 層甲板最外側四個主腿位置。將傳感器數據線與無線傳輸模塊連接，為了保證監測數據無線傳輸的實時性，傳輸天線位置盡量避免遮擋以防信號傳輸中斷，從而造成數據丟失。

5.3 運動傳感器的測試

在正式監測之前我們會對運動傳感器和軟件以及無線傳輸系統進行穩定性測試，來確保運動監測的連續性。同時在監測方案定制過程中聽取了現場意見，應該考慮傳感器安裝位置不水平給運動監測帶來的誤差，總結討論后將軟件設計了角度 “歸零”功能；“歸零”功能可以將運動傳感器當前狀態設置為初始值，隨后的運動變化是基于這個初始值的變化，在監測前采取“歸零”功能就能抵消運動傳感器安裝位置不平以及安裝時非水平帶來的測量誤差，保證了運動監測的準確性。

圖6 傳感器初始角度歸零

5.4 數據的實時顯示

組塊運動監測數據通過數字和曲線的形式呈現在監測軟件中，現場工作人員可以根據組塊運動的幅值情況來決定下一步的施工計劃。

6 結論

在此項目組塊運輸過程中采用對組塊運動的實時監測，為組塊運輸的安全提供數據支持，保證項目的順利進行。

隨著世界經濟融合的加快和各國貿易的增加,航運技術也得到了相應的發展，來往各國之前的重大件貨物運輸逐漸增多,而對于重大件貨物來說基本只有海運可以選擇，同時重大件貨物可能還具有重量大、體積大、重心高、運輸距離長等特點；一旦出現安全問題造成貨物損失或船舶破壞，帶來的是巨大的經濟損失和人員傷亡。隨著船舶和重大件的大型化發展，安全問題越來越突出，海上事故也偶爾出現。所以僅僅根據航行前的船舶運動分析是不能夠完全保障船舶和貨物的安全的。基于上述原因會擔心貨物在航行期間的安全問題。我們可以在現有的運動監測設備基礎上，在運輸駁船上安裝一套數據傳送裝置，可以將數據通過衛星基站傳送到辦公室，方便貨主隨時監測自己貨物的運動狀態。