CN112162288A - 一种超大型浮式平台作业状态的声学监测方法 - Google Patents

一种超大型浮式平台作业状态的声学监测方法 Download PDF

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Abstract

本申请公开了一种超大型浮式平台作业状态的声学监测方法，应用于包括：平台、海底深度声学测量器、海面高度声学测量器、海底底质声学测量器、姿态测量传感器以及的浮式平台作业状态监测系统；控制姿态测量传感器测量平台，得到绝对姿态数据；控制海面高度声学测量器测量海面，得到海面状态数据；控制海底深度声学测量器测量海底，得到海底状态数据；控制海底底质声学测量器测量海底，得到海底分层及底质类型数据；基于绝对姿态数据、海面状态数据、海底状态数据以及海底分层及底质类型数据，构建作业状态数据，实现对平台自身与作业对象的实时综合监测。

Description

一种超大型浮式平台作业状态的声学监测方法
技术领域
本申请涉及浮式平台声学定位领域，具体涉及一种超大型浮式平台作业状态的声学监测方法。
背景技术
当前的超大型浮式平台在海洋进行如风电安装、石油勘探开采等作业时，在平台面积大、体积大、所需承载力大、工作时间长、海面实际环境情况复杂等条件限制下，因为缺乏参照物，平台的定位信息和自身状态信息较难把握准确，通常需要安装多个倾角传感器、加速度传感器与GPS定位装置等测量系统，并通过解算控制平台的动力定位和平衡系统，实现平台自身平稳安全和对作业对象的高精度控制的工作特性。但是GPS的定位精度有限，且现有平台中加速度传感器的位置解算会累积误差，使得平台在海洋波动环境状态下会产生累积偏差，给超大型浮式平台作业带来焊接、装吊、加工等作业误差增大的危害。
发明内容
有鉴于此，本申请的目的是提供一种超大型浮式平台作业状态的声学监测方法，能够准确且综合地监测平台作业状态，以得到平台的作业状态数据，提供平台作业调整数据支持，使得平台作业更加平稳安全。
为达到上述技术目的，本申请提供了一种超大型浮式平台作业状态的声学监测方法，应用于浮式平台作业状态监测系统，所述浮式平台作业状态监测系统包括：平台、多个海底深度声学测量器、多个海面高度声学测量器、海底底质声学测量器以及姿态测量传感器；并包括以下步骤：
控制姿态测量传感器测量平台，得到测量姿态数据；
根据所述测量姿态数据得到平台拟合平面；
基于所述平台拟合平面在所述平台的平台坐标系内的姿态，得到所述平台的绝对姿态数据；
控制各海面高度声学测量器测量海面，分别得到距离海面测量点的高度数据；
根据各所述高度数据得到海面拟合平面；
基于所述海面拟合平面与所述平台拟合平面的比较，得到海面状态数据；
控制各海底深度声学测量器测量海底，分别得到距离海底测量点的深度数据；
根据各所述深度数据得到海底拟合平面；
基于所述海底拟合平面与所述平台拟合平面的比较，得到海底状态数据；
控制海底底质声学测量器测量海底，得到海底分层及底质类型数据；
基于所述绝对姿态数据、所述海面状态数据、所述海底状态数据以及所述海底分层及底质类型数据与作业状态数据的关系，构建平台作业状态数据。
优选地，所述平台拟合平面、所述海面拟合平面以及所述海底拟合平面均为基于最小二乘法拟合得到。
优选地，所述控制各海面高度声学测量器测量海面，分别得到距离海面测量点的高度数据，具体包括；
控制各所述海面高度声学测量器发射并接收第一声波，并测得所述第一声波的走时；
根据所述第一声波的走时分别计算得到各所述海面高度声学测量器距离海面测量点的高度数据。
优选地，所述浮式平台作业状态监测系统还包括用于一一对应安装所述海面高度声学测量器的第一支撑架；
所述控制各所述海面高度声学测量器发射并接收第一声波，之前还包括：
控制所述第一支撑架，使得所述海面高度声学测量器水平伸出所述平台并朝天空方向竖直移动第一预设距离。
优选地，其特征在于，所述控制各海底深度声学测量器测量海底，分别得到距离海底测量点的深度数据，具体包括：
控制各所述海底深度声学测量器发射并接收第二声波，并测得所述第二声波的走时；
根据所述第二声波的走时分别计算得到各所述海底深度声学测量器距离海底测量点的深度数据。
优选地，所述浮式平台作业状态监测系统还包括用于一一对应安装所述海底深度声学测量器的第二支撑架；
所述控制各所述海底深度声学测量器发射并接收第二声波，之前还包括：
控制所述第二支撑架，使得所述海底深度声学测量器水平伸出所述平台并朝海底方向竖直移动第二预设距离。
优选地，所述控制海底底质声学测量器测量海底，得到海底分层及底质类型数据，具体包括：
控制各所述海底底质声学测量器发射并接收第三声波，并测得所述第三声波的强度；
根据所述第三声波的强度计算得到海底分层及底质类型数据。
优选地，所述浮式平台作业状态监测系统还包括用于对应安装所述海底底质声学测量器的第三支撑架；
所述控制各所述海底底质声学测量器发射并接收第三声波，之前还包括：
控制所述第三支撑架，使得所述海底底质声学测量器水平伸出所述平台并朝海底方向竖直移动第三预设距离。
优选地，所述海底深度声学测量器具体为四个；
所述海面高度声学测量器具体为四个；
所述海底底质声学测量器具体为二个。
优选地，所述海底深度声学测量器、所述海面高度声学测量器以及所述海底底质声学测量器均呈四周对称分布。
从以上技术方案可以看出，本申请通过姿态测量传感器获取平台自身测量姿态数据，基于测量姿态数据构建平台拟合平面，再通过平台拟合平面在平台自身的坐标系内的姿态来计算得到平台的绝对姿态数据，并通过将海面高度声学测量器得到海面拟合平面、通过海底深度声学测量器得到海底拟合平面与平台拟合平面比较，得到海面状态数据与海底状态数据，最终通过测量的数据来构建作业状态数据，实现对平台的作业状态的综合实时监测，提供平台作业调整数据支持，使得平台作业更加平稳安全。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本申请中提供的一种超大型浮式平台作业状态的声学监测方法实施例一的流程示意图；
图2为本申请中提供的一种浮式平台作业状态监测系统示意图；
图3为本申请中提供的一种超大型浮式平台作业状态的声学监测方法实施例二中的海面高度测量流程示意图；
图4为本申请中提供的一种超大型浮式平台作业状态的声学监测方法实施例二中的海底深度测量流程示意图；
图5为本申请中提供的一种超大型浮式平台作业状态的声学监测方法实施例二中的海底底质测量流程示意图；
图中：1、平台；2、海底深度声学测量器；3、第二支撑架；4、海面高度声学测量器；5、第一支撑架；6、海底底质声学测量器；7、第三支撑架；8、姿态测量传感器。
具体实施方式
下面将结合附图对本申请实施例的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请实施例一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请实施例中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请实施例保护的范围。
在本申请实施例的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请实施例的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本申请实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可更换连接，或一体地连接，可以是机械连接，也可以是电连接，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请实施例中的具体含义。
本申请实施例公开了一种超大型浮式平台作业状态的声学监测方法。
请参阅图1与图2，本申请实施例中提供的一种超大型浮式平台作业状态的声学监测方法的一个实施例包括：应用于包括：平台1、多个海底深度声学测量器2、多个海面高度声学测量器4、海底底质声学测量器6、姿态测量传感器8以及的浮式平台作业状态监测系统；并包括以下步骤：
S1，控制姿态测量传感器8测量平台1，得到测量姿态数据；
S2，根据测量姿态数据得到平台拟合平面；
S3，基于平台拟合平面在平台1的平台坐标系内的姿态，得到平台1的绝对姿态数据；
具体来说，平台1在设计或者建造时便相应确定平台1自身的坐标系，也即有平台1自身相对于地球的坐标；将通过姿态测量传感器8测量得到的测量姿态数据结合平台1自身的坐标系可以得到平台1的拟合平面与该拟合平面在平台坐标系内的姿态；将其作为平台1的绝对姿态数据，即可根据绝对姿态数据调整平台1的自身平衡度和重心。例如，作业过程中，由于海浪、海风以及自身的负载情况，平台1的自身平衡度和重心不断变化，可以通过判断绝对姿态数据是否超预设阈值，若是则调整平台自身平衡度；若否，则在预设时间后返回判断绝对姿态数据是否超预设阈值，保证平台安全，防止倾覆。
S4，控制各海面高度声学测量器4测量海面，分别得到距离海面测量点的高度数据；
S5，根据各高度数据得到海面拟合平面；
S6，基于海面拟合平面与平台拟合平面的比较，得到海面状态数据；
具体来说，当平台1上端面与海平面平齐时，可通过测量得到的高度数据直接得到海面状态数据；当通过绝对姿态数据判断平台1存在倾斜姿态时，则结合绝对姿态数据以及平台的尺寸结算修正高度数据，间接计算得出海面状态数据；通过海面状态数据，可以判断出海面的平整度与海浪的方向与波动程度，并可因此对平台1在海浪中的运动补偿进行预控制。
S7，控制各海底深度声学测量器2测量海底，分别得到距离海底测量点的深度数据；
S8，根据各深度数据得到海底拟合平面；
S9，基于海底拟合平面与平台拟合平面的比较，得到海底状态数据；
当平台1上端面与海平面平齐时，可通过测量得到的深度数据直接得到海底状态数据；当通过绝对姿态数据判断平台1存在倾斜姿态时，则结合绝对姿态数据以及平台的尺寸结算修正深度数据，间接计算得出海底状态数据；通过海底状态数据，可以判断出海底深度与海底底面的平整度，以此作为海上作业对象触及海底底面的控制。
S10，控制海底底质声学测量器6测量海底，得到海底分层及底质类型数据；
具体来说，海底底质声学测量器6基于声学浅剖系统实现对海底底质探测，从而为安装作业对象如钻井勘探平台的安装插入海底的力的计算和插入过程设计提供了先验知识，从而为控制插入力，并为保持浮式平台作业状态监测系统平衡提供反馈控制量。
S11，基于绝对姿态数据、海面状态数据、海底状态数据以及海底分层及底质类型数据，构建作业状态数据，实现对平台自身与作业对象的实时综合监测，提供平台作业调整数据支持，使得平台作业更加平稳安全。
具体来说，上述步骤S1至S11可通过平台自身的控制系统完成，也可以是外加的，例如安置于平台上、其他海上工具上或陆地上等配备的控制设备组成的控制系统完成，不作限制。
以上为本申请实施例提供的实施例一，以下为本申请提供的实施例二，具体请参阅图1至图2。
一种超大型浮式平台作业状态的声学监测方法的另一个实施例包括：应用于包括：平台1、多个海底深度声学测量器2、多个海面高度声学测量器4、海底底质声学测量器6、姿态测量传感器8以及的浮式平台作业状态监测系统；其中，平台1上还包括用于一一对应安装海面高度声学测量器4的第一支撑架5、用于一一对应安装海底深度声学测量器2的第二支撑架3以及用于对应安装海底底质声学测量器6的第三支撑架7；其中第一支撑架5、第二支撑架3以及第三支撑架7均可以具备水平伸缩以及竖直伸缩的功能。
并包括以下步骤：
S1，控制姿态测量传感器8测量平台1，得到测量姿态数据；
具体来说，姿态测量传感器8设置于平台1上；姿态测量传感器内部包含有三轴陀螺仪、三轴加速度计与电子罗盘等运动传感器件，通过基于四元数的传感器数据算法进行运动姿态测量。
S2，控制系统根据测量姿态数据基于最小二乘法得到平台1的平台拟合平面；
具体来说，也可通过多项式拟合或使用Matlab中的polyfit拟合等方式，具体不做限制；
S3，基于平台拟合平面在平台1的平台坐标系内的姿态，得到平台1的绝对姿态数据，该步骤与上述实施例一中的步骤S3相同，此处不作赘述；
请参阅图3，海面高度测量流程具体包括以下步骤，
S41，控制第一支撑架5，使得海面高度声学测量器4水平伸出平台1并朝天空方向竖直移动第一预设距离；
S42，控制各海面高度声学测量器4发射并接收第一声波，并测得第一声波的走时；
S43，根据第一声波的走时分别计算得到各海面高度声学测量器距离海面测量点的高度数据。
具体来说，浮式平台作业状态监测系统包含的海面高度声学测量器4具体为四个，设置于平台顶部并围绕平台均呈圆周矩阵均匀对称分布，可以通过多个方向的声波配合，准确测出需要数据；实际应用中，多于三个以上的声学测量器得到的通常是非平面，因此拟合平面需经过校正，校正到绝对坐标系下，就是对应的各自存在实际状态的绝对平面，这时平面实际上是在三维环境下的立体平面；
第一支撑架5包括有水平支撑架与竖直支撑架，用以控制支撑架水平方向与竖直方向伸缩，其中第一水平伸缩架安装于平台1，且伸缩端与第一竖直伸缩架连接，用于驱动第一竖直伸缩架活动伸出平台1；第一竖直伸缩架的伸缩端与海面高度声学测量器4连接；控制器还分别与第一水平伸缩架以及第一竖直伸缩架电连接；
第一预设距离在测量开始前预先设置，经第一次测量后控制系统根据取得的高度数据对第一预设距离进行调整，将处于不同高度海面高度声学测量器的结果整合，更准确的得到所要的高度数据。
S5，根据各高度数据基于最小二乘法得到海面拟合平面；
S6，基于海面拟合平面与平台拟合平面的比较，得到海面状态数据；该步骤与上述实施例一中的步骤S6相同，此处不作赘述；
请参阅图4，海底深度测量流程具体包括以下步骤，
S71，控制系统控制第二支撑架3，使得海底深度声学测量器2水平伸出平台1并朝海底方向竖直移动第二预设距离。
S72，控制系统控制各海底深度声学测量器2发射并接收第二声波，并测得第二声波走时；
S73，控制系统根据第二声波走时分别计算得到各海底深度声学测量器2距离海底测量点的深度数据。
具体来说，浮式平台作业状态监测系统包含的海底深度声学测量器2具体为四个，设置于平台1底部并围绕平台均呈圆周矩阵均匀对称分布，可以通过多个方向的声波配合，准确测出需要数据；
第二支撑架3同样包括有水平支撑架与竖直支撑架，用以控制支撑架水平方向与竖直方向伸缩，其中第二水平伸缩架安装于平台，且伸缩端与第二竖直伸缩架连接；第二竖直伸缩架的伸缩端与海底深度声学测量器2连接；控制器还分别与第二水平伸缩架以及第二竖直伸缩架电连接；
第二预设距离在测量开始前预先设置，经第一次测量后控制系统根据取得的深度数据对第二预设距离进行调整，将处于不同高度海面高度声学测量器的结果整合，更准确的得到所要的深度数据。
S8，根据各深度数据基于最小二乘法得到海底拟合平面；
S9，基于海底拟合平面与平台拟合平面的比较，得到海底状态数据；该步骤与上述实施例一中的步骤S9相同，此处不做赘述；
请参阅图5，海底底质测量流程具体包括以下步骤，
S101，控制第三支撑架7，使得海底底质声学测量器6水平伸出平台1并朝海底方向竖直移动第三预设距离；
S102，控制各海底底质声学测量器6发射并接收第三声波，并测得第三声波强度；
S103，控制器根据第三声波强度计算得到底质数据。
具体来说，浮式平台作业状态监测系统包含的海底底质声学测量器6具体为二个，设置于平台1底部，并围绕平台均呈对称分布，通过多个方向的声波配合，准确测出需要数据；第三支撑架7也包括有水平支撑架与竖直支撑架，用以控制支撑架水平方向与竖直方向伸缩；第三水平伸缩架安装于平台1，且伸缩端与第三竖直伸缩架连接；第三竖直伸缩架的伸缩端与海底底质声学测量器6连接；控制器还分别与第三水平伸缩架以及第三竖直伸缩架电连接；
第一次测试时第三预设距离根据取得的深度数据进行调整，经过第一次测量后对第三预设距离根据底质数据作出相应变更，根据多次不同位置的测量更准确的得到所要的底质数据。
S11，基于绝对姿态数据、海面状态数据、海底状态数据以及海底分层及底质类型数据，构建作业状态数据，实现对平台自身与作业对象的实时综合监测。
本申请结合姿态测量传感器8、海面高度声学测量器4、海底深度声学测量器2与海底底质声学测量器6，实现对平台绝对姿态与相对姿态的测量计算，并对作业对象的运动特性实时监测，从而在负载、海风与海浪等不断变化的情况下，能及时对平台平衡度与重心作出调控，同时为平台运动补偿系统提供预输入量、为作业对象接触海底表面已经插入海底提供预先控制量、为安装海底底质勘探装置提供海底阻力信息和承重能力从而提供预先插入力，保证了平台作业过程中的平衡，实现将作业环境、海底与平台三者结合起来的闭环全方位实时监控。
需要说明的是，以上仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照实例对本申请进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述实例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，但是凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种超大型浮式平台作业状态的声学监测方法，其特征在于，应用于浮式平台作业状态监测系统，所述浮式平台作业状态监测系统包括：平台、多个海底深度声学测量器、多个海面高度声学测量器、海底底质声学测量器以及姿态测量传感器；相应的声学监测方法包括以下步骤：
控制姿态测量传感器测量平台，得到测量姿态数据；
根据所述测量姿态数据得到平台拟合平面；
基于所述平台拟合平面在所述平台的坐标系内的姿态，得到所述平台的绝对姿态数据；
控制各海面高度声学测量器测量海面，分别得到距离海面测量点的高度数据；
根据各所述高度数据得到海面拟合平面；
基于所述海面拟合平面与所述平台拟合平面的比较，得到海面状态数据；
控制各海底深度声学测量器测量海底，分别得到距离海底测量点的深度数据；
根据各所述深度数据得到海底拟合平面；
基于所述海底拟合平面与所述平台拟合平面的比较，得到海底状态数据；
控制海底底质声学测量器测量海底，得到海底分层及底质类型数据；
基于所述绝对姿态数据、所述海面状态数据、所述海底状态数据以及所述海底分层及底质类型数据与作业状态数据的关系，得到平台的作业状态数据。
2.根据权利要求1所述的超大型浮式平台作业状态的声学监测方法，其特征在于，所述平台拟合平面、所述海面拟合平面以及所述海底拟合平面均为基于最小二乘法拟合得到。
3.根据权利要求1所述的超大型浮式平台作业状态的声学监测方法，其特征在于，所述控制各海面高度声学测量器测量海面，分别得到距离海面测量点的高度数据，具体包括；
控制各所述海面高度声学测量器发射并接收第一声波，并测得所述第一声波的走时；
根据所述第一声波的走时分别计算得到各所述海面高度声学测量器距离海面测量点的高度数据。
4.根据权利要求3所述的超大型浮式平台作业状态的声学监测方法，其特征在于，所述浮式平台作业状态监测系统还包括用于一一对应安装所述海面高度声学测量器的第一支撑架；
所述控制各所述海面高度声学测量器发射并接收第一声波，之前还包括：
控制所述第一支撑架，使得所述海面高度声学测量器水平伸出所述平台并朝天空方向竖直移动第一预设距离。
5.根据权利要求1所述的超大型浮式平台作业状态的声学监测方法，其特征在于，其特征在于，所述控制各海底深度声学测量器测量海底，分别得到距离海底测量点的深度数据，具体包括：
控制各所述海底深度声学测量器发射并接收第二声波，并测得所述第二声波的走时；
根据所述第二声波的走时分别计算得到各所述海底深度声学测量器距离海底测量点的深度数据。
6.根据权利要求5所述的超大型浮式平台作业状态的声学监测方法，其特征在于，所述浮式平台作业状态监测系统还包括用于一一对应安装所述海底深度声学测量器的第二支撑架；
所述控制各所述海底深度声学测量器发射并接收第二声波，之前还包括：
控制所述第二支撑架，使得所述海底深度声学测量器水平伸出所述平台并朝海底方向竖直移动第二预设距离。
7.根据权利要求1所述的超大型浮式平台作业状态的声学监测方法，其特征在于，所述控制海底底质声学测量器测量海底，得到海底分层及底质类型数据，具体包括：
控制各所述海底底质声学测量器发射并接收第三声波，并测得所述第三声波的强度；
根据所述第三声波的强度计算得到海底分层及底质类型数据。
8.根据权利要求7所述的超大型浮式平台作业状态的声学监测方法，其特征在于，所述浮式平台作业状态监测系统还包括用于对应安装所述海底底质声学测量器的第三支撑架；
所述控制各所述海底底质声学测量器发射并接收第三声波，之前还包括：
控制所述第三支撑架，使得所述海底底质声学测量器水平伸出所述平台并朝海底方向竖直移动第三预设距离。
9.根据权利要求1所述的超大型浮式平台作业状态的声学监测方法，其特征在于，所述海底深度声学测量器具体为四个；
所述海面高度声学测量器具体为四个；
所述海底底质声学测量器具体为二个。
10.根据权利要求9所述的超大型浮式平台作业状态的声学监测方法，其特征在于，所述海底深度声学测量器、所述海面高度声学测量器以及所述海底底质声学测量器均呈四周对称分布。
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