海洋监测系统 对千米级水深铺管船海上施工的意义
于文太 夏宝宏 李斌 樊鹤 王南海
摘 要：本文主要介绍了海洋石油201铺管船在千米级水深海底管道铺设和海管终端（PLET）下放工况下的海洋环境以及运动监测系统设备和设计方式，并论述其对海洋工程作业的指导意义。为了适应千米级水深海底管道铺设及PLET下放作业的使用要求，同时确保海上安全施工，运用雷达、电罗经、运动传感器等，对铺管及PLET下放作业中的风、浪、流等环境信息以及船舶运动数据进行采集，并通过对采集的数据信息进行处理，指导海底管道铺设及PLET下放作业，提高了海洋施工作业的安全性。
关键词：千米级;铺管船;船舶运动;监测系统
中图分类号：P71? ? ? ? ? ? 文献标识码：A? ? ? ? ? ? 文章编号：1006—7973（2019）09-0060-03
1 引言
从目前世界上的油气地质资源勘探情况来看，海洋里的石油储量所占比重越来越大。在全球六大海上石油作业区域中，现在主要开采水深是在1000米以内，大部分作业区域将来的开发前景是逐步进入2000米水深开采。
中国与周边国家在“搁置争议、共同开发”的原则指引下，海洋石油开发水深也不断加大，深水海底管道铺设、PLET安装等业务量饱满，这使得海洋石油201船有了广阔的作业空间和市场保证。海洋石油201船是世界上第一艘同时具备3000米级深水铺管能力、4000吨级重型起重能力和DP-3级动力定位能力的深水铺管起重船，能在除北极外的全球无限航区作业。该船是深水油气田开发过程中不可或缺的重要装备。
为了确保深水海洋工程作业的完整和安全性，对海洋信息的掌握程度以及认知非常重要，所以对海洋信息的采集意义重大。本文主要介绍在海洋石油201船对海底管道铺设及PLET下放作业过程中，通过监测下放过程的201船舶重心位置六个自由度的运动和风、浪、流的监测，进而形成原始数据文件;选取已生成监测数据原始文件，将运动监测生成的csv纯数据文件导入到开发程序中，根据运动监测到的瞬时数据通过统计分析最终输出能体现运动特征的相关数值如船舶6个自由度的运动/速度/加速度的统计值（包括最值/平均值/有义值等）并能按照时间段输出相应的时间历程运动曲线，来达到实时监测现场的风、浪、流及船舶运动的要求。如图1所示。
2 监测硬件
2.1 监测设备
为了能保证施工过程中正确判断气候满足船舶安全性能，有效地监控施工区域的风、浪、流环境条件，检查气象预报的准确性，需要对现场的海洋环境条件以及船舶运动信息进行实时监测，获取施工海域实时的环境信息，具体包括风速、风向、波高、波浪周期、波浪方向、表面流速以及流向等。为了完成海洋工程作业信息采集的任务，满足精度、采集频率的要求，监测设备的选择至关重要。监测设备主要包含GPS+INS组合系统1套、采集卡1套、系统集成1套、27”大屏幕显示屏2台、20尺箱装箱监控室1个。
风速风向传感器采用WindSonic，WindSonic具有稳定的性能、抗紫外线材料;低启动速度（0.01m/s）无需维护、无需校准、结构坚固、可软件配置状态代码输出真正359°操作，一台单独设备可测量风速和风向。
通过Miros WaveX测波系统获取测量海域波浪和表面流数据。测波系统捕获并处理来自标准X波段航海雷达的海面反向散射数据，通过最先进的强劲的具有准确性和自适应性的算法，计算并显示方向波和表面水流数据。系统同时配置了GPS与电罗经用于航向与位置数据测量。
运动监测采用SMC-108运动传感器，SMC -108采用了目前最先进的姿态测量技术，用以测量船舶或其他载体的横摇、纵摇、升沉及横荡、纵荡等姿态参数，同时可对X、Y、Z三轴方向的加速度进行精确测量;横摇和纵摇动态精度可达0.03°，横荡、纵荡和升沉的精度为5cm 或 5%，三轴加速度精度为0.01m/s2。运动传感器具备100Hz高采样及输出速率，保证了船舶运动姿态数据的实时采集及输出。
2.2 设备安装
船舶运动设备系统配置一个IMU108用于采集201船体运动数据，IMU108安装在监测仪表室内（中线）可调平支架上，监测室规格足以满足所有仪器的安装。所有仪器设备均安装在房间的一次背板墙上，其位置对应201船的156号肋位，距船舶右舷5米。系统配置的电罗经，主要用于实时测量船舶的真北航向信息，电罗经安装在位于IMU108 下部的调节支架上。同时系统配置了GPS可提供船舶的经纬度数据，GPS安装在监测室外顶。
环境监测设备系统配置WindSonic风速风向仪，安装在房顶升降装置上，用于采集测量区域的风速、风向数据。测波雷达的扫描单元位于监测室外顶的升降装置上，升降高度可在10米范围内调节，以适应合适的雷达工作高度。所有的测量数据均集中显示在数据采集系统，可在软件界面实时显示与查询。
3 监测系统
3.1 数据采集显示
数据的采集模式为实时采集，采集过程中每15分钟自动保存一个相应的CSV格式的数据文件。采集的风、浪、流及船舶运动信息，也是实时显示在监测系统上，以方便操作人员实时读取数据。
3.2数据后处理
在数据采集过程中可将之前自动保存的CSV格式的数据导入到后处理软件中，从而得到各个数据前一段时间的情况;同时也可以实现将任意的环境变量数据或船舶运动姿态数据添加入到同一图表中（曲线图或其他便于分析的图表），直观分析不同变量之间的关系。
通过后处理数据，分析风、浪、流、船舶吃水与船舶运动姿态或船舶操控的关系，得到相应方程或函数，从而可以得到相应的风浪条件下船舶的运动情况，以便更好的支持船舶运动的预测。
4 结论
本文通过对海洋石油201在千米级水深海底管道铺设及PLET下放安装工况下的海洋环境进行监测，得出海洋环境监测对海洋工程作业的指导意义如下：
（1）通过监测实时数据进行分析，预估船舶下一時刻运动姿态，辅助动力定位系统完成船舶定位;
（2）将实时海洋环境与天气预测系统进行对比，预判可以进行海工施工作业的时间;
（3）将实时海洋环境与仿真模拟进行对比，有利于科学地研究海洋工程作业;
（4）可以实时观测海洋信息以及船舶运动姿态变化，可以及时发现不良状态，提高海上施工作业的安全性。
参考文献：
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