CN112417728A - 一种远程智能自升式平台作业安全评估系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种远程智能自升式平台作业安全评估系统，其特征在于，包括岸基计算中心、信息传输系统及多个平台用户端，岸基计算中心位于岸基，所有平台用户端均位于作业现场，岸基计算中心与所有平台用户端之间通过信息传输系统实现信息传输。本发明通过自动化模块形成自动化的、合理可靠的作业安全评估计算分析流程。实现通过较小的计算量形成能够覆盖更多参数组合的作业安全评估分析结果数据库。现场作业人员可通过预置评估结果数据库即时查询评估分析结果。对于预置评估结果数据库未能覆盖的作业工况，可以通过信息传输系统将输入参数发送至岸基计算中心进行分析后获得评估分析结果。

Description

一种远程智能自升式平台作业安全评估系统

技术领域

本发明涉及一种远程智能自升式平台作业安全评估系统，属于海洋工程和系统开发的技术领域。

背景技术

海工作业装备通常可分为：浮式作业的船型平台和固定作业的自升式平台两类。船型平台作业时处于漂浮状态，作业精度相对较差，但机动性好。自升式平台作业时，通过升降桩腿和桩靴系统将平台站立在海床上，处于固定于海底的状态，作业能力更大且精度高，因此在风电安装、运维、油气开采、打桩作业等领域得到了广泛的应用。

船型平台的作业安全评估主要是基于船体在作业时的漂浮稳性和浮态分析，相关的分析方法、工具和装船软件(如装载仪等)等都很成熟。而自升式平台的作业安全评估与浮式的船型平台有本质的区别，自升式平台主要是基于桩腿和平台的结构强度来进行作业的安全评估分析，其分析过程繁琐、耗时多、涉及的分析工具多而杂。因此目前尚没有相关的装船软件应用，能够给自升式平台现场作业人员提供作业安全评估的自动化智能系统，在国内外都处于空白阶段。

目前，自升式平台现场作业时，工作人员主要是基于交船时设计单位提供《操作手册》中的少量典型工况和工程项目经验。原因主要在于基于强度分析的自升式平台作业安全评估分析是个繁复的系统分析过程，计算量很大、人机交互过程很多(单个工况分析需要有丰富经验的分析人员约3个小时时间完成)、没有一套完整高效的专用评估工具。同时，船端不具备携带大量计算模型、安装大量的计算分析软件、并掌握相关分析技术的条件，现场工作人员遇到实际作业困难时，难以获得设计人员的技术支持。因此，现场作业人员无法根据实际的作业水深、环境条件、海底土质、船体重量重心状态和起吊作业目标等进行平台的整体作业安全评估。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：目前尚没有相关的装船软件应用，能够给自升式平台现场作业人员提供作业安全评估的自动化智能系统。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是提供了一种远程智能自升式平台作业安全评估系统，其特征在于，包括岸基计算中心、信息传输系统及多个平台用户端，岸基计算中心位于岸基，所有平台用户端均位于作业现场，岸基计算中心与所有平台用户端之间通过信息传输系统实现信息传输，其中：

岸基计算中心是整个所述自升式平台作业安全评估系统的核心，至少包括计算工作站、数据存储器、网络接口，在计算工作站上至少运行有参数化建模模块、载荷及模态分析模块、结构强度分析模块、智能算法模块、自动化模块；岸基计算中心根据实时输入的参数，基于参数化建模模块快速自动建立分析模型，通过载荷及模态分析模块和结构强度分析模块，在计算工作站中至少对自升式平台的结构整体强度关键位置以及自升式平台的整体抗倾稳性进行安全评估分析，获得安全评估结果；安全评估结果存储于数据存数器中，和/或将安全评估结果即时通过信息传输系统发送给各平台用户端；岸基计算中心在接收到工况分析评估需求和相应输入参数后，通过自动化模块在2分钟以内完成单工况分析评估；同时，岸基计算中心通过智能算法模块实现大批量工况分析评估，形成评估结果数据库后存储在数据存储器内；

信息传输系统用于作业现场的平台用户端与岸基计算中心之间的数据传输，通过信息传输系统将平台用户端提交的评估需求和现场参数上传到岸基计算中心，并接收岸基计算中心获得的安全评估结果后反馈至平台用户端进行展示；同时，可在平台作业之前通过信息传输系统在各平台用户端内设置预置评估结果数据库；

平台用户端用于船端用户输入评估参数后发出工况分析评估需求和查看岸基计算中心反馈的安全评估结果；船端用户通过人机交互的方式在平台用户端的用户输入界面中输入作业参数，平台用户端基于作业参数或者通过预置评估结果数据库即时查询评估分析结果，或者通过信息传输系统将作业参数发送至岸基计算中心进行分析后获得安全评估结果，通过信息传输系统接收到的由岸基计算中心反馈的安全评估结果通过平台用户端的结果显示界面进行三维显示。

优选地，所述岸基计算中心可设置于平台设计单位或第三方服务单位，便于利用已有的计算分析模型及可能涉及的计算分析软件，也便于专业技术人员管理多个平台的作业安全评估系统。

优选地，所述参数化建模模块根据船端用户在所述平台用户端的用户输入界面中输入的包括水深、气隙、全船重量重心在内的参数快速、自动建立平台评估用有限元模型；

所述载荷及模态分析模块根据船端用户在所述平台用户端的用户输入界面中输入的包括风浪流环境条件在内的参数分析得到进行安全评估所需包括风、波浪、流、P-Δ效应、动力放大、总倾覆力矩在内的载荷；

所述结构强度分析模块基于有限元模型以及所述载荷及模态分析模块获得计算载荷，基于结构有限元方法对包括平台桩腿、桩靴、上下导向、主船体在内的整体结构强度以及抗倾稳性进行安全分析，给出安全评估结果；

所述自动化模块通过软件接口将包括读取参数、建立模型、载荷分析、结构强度分析、结果输出在内的整个安全评估计算过程涉及的参数化建模模块、载荷及模态分析模块、结构强度分析模块按照复核规范要求的合理计算流程串联起来，形成自动化的计算流程。

优选地，所述结构强度分析模块中的桩腿结构强度分析是所述自升式平台作业安全评估系统的主要评估内容，通过有限元方法直接分析得到包括桩靴、上下导向、主船体整体在内的结构强度以及抗倾稳性安全分析是以平台承受能力作为边界进行评估，不采用直接计算方法，以提高评估效率。

优选地，所述通过软件接口形成的自动化的计算流程为：首先，基于输入参数建立有限元模型和水动力分析模型；然后，基于有限元模型进行模态分析获得动力放大系数；然后，基于有限元模型和水动力分析模型计算平台承受的风、波浪、流载荷；接着，基于以上分析载荷计算平台变形量，根据变形量分析平台承受的P-Δ载荷；基于以上分析得到的所有载荷对平台各部分结构进行强度和抗倾稳性校核；通过软件接口完成自动化的作业安全评估分析流程，得到合理可靠的评估结果。

优选地，所述智能算法模块是在通过所述自动化模块形成自动化计算流程的基础上，引入包括遗传算法、人工智能算法在内的优化算法，以输入参数为变量，以桩腿强度分析结果为目标，以包括桩靴、上下导向、主船体整体在内的结构强度以及抗倾稳性的承载能力为约束，进行优化计算分析，形成基于输入参数和桩腿强度的响应面，将响应面输出为数据库，从而实现以较小的计算量形成能够覆盖更多参数组合的作业安全评估分析结果数据库。

优选地，通过所述智能算法模块形成的能够覆盖多参数组合的作业安全评估分析结果数据库存储于所述岸基计算中心的所述数据存储器中，该作业安全评估分析结果数据库的输入参数可根据设计人员或平台使用者预估来确定，形成的评估结果数据库可预置在所述平台客户端中，形成所述预置评估结果数据库，供现场作业人员直接使用。

优选地，所述信息传输系统由3G/4G/5G通信传输系统、卫星通信系统组成，其中，3G/4G/5G通信传输系统可用于平台离岸较近有3G/4G/5G信号时同步预置所述计划工程作业项目评估结果数据库；卫星通信系统可用于现场作业时，预置所述计划工程作业项目评估结果数据库未能覆盖现场作业工况时，将现场参数发送给所述岸基计算中心进行评估，并将评估结果反馈给所述平台用户端，供现场作业人员使用。

优选地，所述平台用户端可输出/打印详细所述安全评估结果，便于现场人员精确判断作业安全性，保障作业安全。

本发明的另一个技术方案是提供了一种上述的远程智能自升式平台作业安全评估系统的作业流程，其特征在于，包括以下步骤：

船端用户通过所述平台用户端输入现场作业参数，船端用户既可通过预置的计划工程作业项目评估结果数据库即时查询评估分析结果，又可以通过所述信息传输系统将现场作业参数发送至所述岸基计算中心，由所述岸基计算中心进行即时分析后获得评估分析结果，再通过所述信息传输系统将评估分析结果反馈至所述平台用户端，用于指导现场作业。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1、通过自动化模块形成自动化的、合理可靠的作业安全评估计算分析流程。

2、通过采用优化算法，实现通过较小的计算量形成能够覆盖更多参数组合的作业安全评估分析结果数据库。

3、现场作业人员可通过预置评估结果数据库即时查询评估分析结果。

4、预置评估结果数据库可通过信息传输系统及时根据即将承担的作业任务的现场参数更新。

5、对于预置评估结果数据库未能覆盖的作业工况，可以通过信息传输系统将输入参数发送至岸基计算中心进行分析后获得评估分析结果。

6、通过信息传输系统将平台客户端和岸基计算中心联系起来，形成完成的作业安全评估系统，船端工作人员不需要携带大量计算模型、安装大量的计算分析软件，并掌握相关分析技术便可开展作业安全评估分析，遇到实际作业困难可通过该系统及时获得技术支持；

7、通过远程智能自升式平台作业安全评估系统，现场作业人员将获得计算精度与平台《操作手册》相同，但能覆盖所有现场作业工况的作业安全评估工具。

附图说明

图1为本发明的系统构成图；

图2为安全评估分析流程示意图；

图3为用户界面示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

如图1所示，本发明公开的一种远程智能自升式平台作业安全评估系统包括：岸基计算中心、信息传输系统、平台用户端三个子系统。

岸基计算中心是整个安全评估系统的核心，岸基计算中心可设置于平台设计单位或第三方服务单位，便于利用已有的计算分析模型及可能涉及的计算分析软件，也便于专业技术人员管理多个平台的作业安全评估系统。

岸基计算中心进一步包括：计算工作站、数据存储器、网络接口等硬件以及运行于计算工作站的参数化建模模块、载荷及模态分析模块、结构强度分析模块、智能算法模块、自动化模块等软件模块。

岸基计算中心能够根据现场作业人员通过平台用户端实时输入的作业参数，基于参数化建模模块快速自动建立分析模型，通过载荷及模态分析模块和结构强度分析模块，在计算工作站中对桩腿、桩靴、上下导向、主船体整体等结构整体强度关键位置以及整体抗倾稳性等进行安全评估分析，获得安全评估结果。安全评估结果可以存储于数据存数器中，也可在完成快速评估后即时通过信息传输系统发送给平台用户端。

具体而言，参数化建模模块可根据现场作业人员在平台用户端的如图3所示的用户输入界面中输入的水深、气隙、全船重量重心等作业参数快速、自动建立平台评估用有限元模型。

载荷及模态分析模块可根据现场作业人员在平台用户端的用户输入界面中输入的风浪流环境条件等参数分析得到进行安全评估所需的风、波浪、流、P-Δ效应、动力放大、总倾覆力矩等计算载荷。

结构强度分析模块可基于有限元模型以及载荷及模态分析模块获得的计算载荷，基于结构有限元方法对平台桩腿、桩靴、上下导向、主船体整体等结构强度以及抗倾稳性等进行安全分析，给出安全评估结果。结构强度分析模块中的桩腿结构强度分析是平台作业安全评估系统的主要评估内容，通过有限元方法直接分析得到桩靴、上下导向、主船体整体等结构强度以及抗倾稳性等安全分析是以平台承受能力作为边界进行评估，不采用直接计算方法，以提高评估效率。

本系统在接收到平台用户端发出的评估需求和相应的作业参数后，通过自动化模块，可将单工况分析评估时间缩短至2分钟以内。同时，可通过智能算法模块实现大批量工况的计算，形成评估结果数据库。

具体而言，自动化模块通过软件接口将读取参数、建立模型、载荷分析、结构强度分析、结果输出等整个安全评估计算过程，将参数化建模模块、载荷及模态分析模块、结构强度分析模块按照复核规范要求的合理计算流程串联起来，形成自动化的计算流程。通过软件接口形成的自动化的计算流程为：首先，基于输入的作业参数建立有限元模型和水动力分析模型；然后，基于有限元模型进行模态分析获得动力放大系数；然后，基于有限元模型和水动力分析模型计算平台承受的风、波浪、流载荷；接着，基于以上分析载荷计算平台变形量，根据变形量分析平台承受的P-Δ载荷；基于以上分析得到的所有载荷对平台各部分结构进行强度和抗倾稳性校核。通过软件接口完成自动化的作业安全评估分析流程，得到合理可靠的评估结果。

智能算法模块是在通过自动化模块形成自动化计算流程的基础上，引入遗传算法、人工智能算法等优化算法，以输入的作业参数为变量，以桩腿强度分析结果为目标，以桩靴、上下导向、主船体整体等结构强度以及抗倾稳性的承载能力为约束，进行优化计算分析，形成基于输入参数和桩腿强度的响应面，将响应面输出为数据库，从而实现以较小的计算量形成能够覆盖更多参数组合的作业安全评估分析结果数据库。该作业安全评估分析结果数据库将存储于岸基计算中心的数据存储器中，作业安全评估分析结果数据库的输入参数可根据设计人员或平台使用者预估来确定，形成的评估结果数据库可预置在平台客户端中，形成预置评估结果数据库，供现场作业人员直接使用。

信息传输系统用于作业现场与岸基计算中心之间的数据传输，包括：3G/4G/5G通信传输系统、卫星通信系统。3G/4G/5G通信传输系统可用于自升式平台离岸较近3G/4G/5G信号时同步预置上述的评估结果数据库。卫星通信系统可用于现场作业时，上述的预置评估结果数据库未能覆盖现场作业工况时，将现场作业参数发送给岸基计算中心，并将通过岸基计算中心获得的评估结果反馈给平台用户端，供现在作业人员使用。

平台用户端用于现场作业输入作业参数(包括平台现场作业水深、气隙、风浪流环境条件、海底土质信息、全船重量重心等)后发出评估请求和查看评估结果。平台用户端包括：驾控台嵌入式电脑、移动平板电脑、打印机等硬件以及用户输入界面、预置评估结果数据库、结果显示界面等软件。通过人机交互的方式在如图3所示的用户输入界面中输入现场水深、气隙、风浪流环境条件、全船重量重心等作业参数，即可通过预置评估结果数据库即时查询评估分析结果，又可以通过信息传输系统将输入参数发送至岸基计算中心进行分析后获得评估分析结果(单工况计算响应时间不超过2分钟)，分析结果可通过结果显示界面进行三维显示，显示平台各结构处评估情况，起到使现场作业人员更加直观、快速获取分析结果。平台用户端也可以输出/打印详细计算结果，便于现场人员精确判断作业安全性，保障作业安全。平台用户端的使用便于现场人员快速、准确判断作业安全性，保障作业安全。

如图2所示，全系统运行流程为：现场作业人员通过平台用户端输入现场作业参数，作业人员既可通过预置评估结果数据库即时查询评估分析结果，又可以通过信息传输系统将输入参数发送至岸基计算中心，进行即时分析后获得评估分析结果，再通过信息传输系统将结果反馈至平台用户端，用于指导现场作业。

上述技术方案具有如下特点：

1)为自升式的固定作业平台提供基于强度分析的作业安全评估分析，填补该技术空白；

2)通过信息传输系统将平台客户端和岸基计算中心联系起来，形成完成的作业安全评估系统，船端工作人员不需要携带大量计算模型、安装大量的计算分析软件，并掌握相关分析技术便可开展作业安全评估分析，遇到实际作业困难可通过该系统及时获得技术支持；

3)根据现场的水深、环境条件等的实际情况开展作业安全评估分析，相比以往根据工程经验或《操作手册》中的少数典型工况，能够更加准确的反应作业安全情况；

4)建立快速、高效的作业安全评估分析流程，并实现自动化运行，单工况计算时间控制在2分钟左右；

5)现场作业人员可通过系统提供的预置评估结果数据库即时查询评估分析结果；

6)对于预置评估结果数据库未能覆盖的作业工况，可以通过信息传输系统将输入参数发送至岸基计算中心进行分析后获得评估分析结果；

7)通过本发明提供的系统，现场作业人员将获得计算精度与平台《操作手册》相同，但能覆盖所有现场作业工况的作业安全评估工具。

Claims (10)

1.一种远程智能自升式平台作业安全评估系统，其特征在于，包括岸基计算中心、信息传输系统及多个平台用户端，岸基计算中心位于岸基，所有平台用户端均位于作业现场，岸基计算中心与所有平台用户端之间通过信息传输系统实现信息传输，其中：

岸基计算中心是整个所述自升式平台作业安全评估系统的核心，至少包括计算工作站、数据存储器、网络接口，在计算工作站上至少运行有参数化建模模块、载荷及模态分析模块、结构强度分析模块、智能算法模块、自动化模块；岸基计算中心根据实时输入的参数，基于参数化建模模块快速自动建立分析模型，通过载荷及模态分析模块和结构强度分析模块，在计算工作站中至少对自升式平台的结构整体强度关键位置以及自升式平台的整体抗倾稳性进行安全评估分析，获得安全评估结果；安全评估结果存储于数据存数器中，和/或将安全评估结果即时通过信息传输系统发送给各平台用户端；岸基计算中心在接收到工况分析评估需求和相应输入参数后，通过自动化模块在2分钟以内完成单工况分析评估；同时，岸基计算中心通过智能算法模块实现大批量工况分析评估，形成评估结果数据库后存储在数据存储器内；

信息传输系统用于作业现场的平台用户端与岸基计算中心之间的数据传输，通过信息传输系统将平台用户端提交的评估需求和现场参数上传到岸基计算中心，并接收岸基计算中心获得的安全评估结果后反馈至平台用户端进行展示；同时，可在平台作业之前通过信息传输系统在各平台用户端内设置预置评估结果数据库；

平台用户端用于船端用户输入评估参数后发出工况分析评估需求和查看岸基计算中心反馈的安全评估结果；船端用户通过人机交互的方式在平台用户端的用户输入界面中输入作业参数，平台用户端基于作业参数或者通过预置评估结果数据库即时查询评估分析结果，或者通过信息传输系统将作业参数发送至岸基计算中心进行分析后获得安全评估结果，通过信息传输系统接收到的由岸基计算中心反馈的安全评估结果通过平台用户端的结果显示界面进行三维显示。

2.如权利要求1所述的一种远程智能自升式平台作业安全评估系统，其特征在于，所述岸基计算中心可设置于平台设计单位或第三方服务单位，便于利用已有的计算分析模型及可能涉及的计算分析软件，也便于专业技术人员管理多个平台的作业安全评估系统。

3.如权利要求1所述的一种远程智能自升式平台作业安全评估系统，其特征在于，所述参数化建模模块根据船端用户在所述平台用户端的用户输入界面中输入的包括水深、气隙、全船重量重心在内的参数快速、自动建立平台评估用有限元模型；

所述载荷及模态分析模块根据船端用户在所述平台用户端的用户输入界面中输入的包括风浪流环境条件在内的参数分析得到进行安全评估所需包括风、波浪、流、P-Δ效应、动力放大、总倾覆力矩在内的载荷；

所述结构强度分析模块基于有限元模型以及所述载荷及模态分析模块获得计算载荷，基于结构有限元方法对包括平台桩腿、桩靴、上下导向、主船体在内的整体结构强度以及抗倾稳性进行安全分析，给出安全评估结果；

所述自动化模块通过软件接口将包括读取参数、建立模型、载荷分析、结构强度分析、结果输出在内的整个安全评估计算过程涉及的参数化建模模块、载荷及模态分析模块、结构强度分析模块按照复核规范要求的合理计算流程串联起来，形成自动化的计算流程。

4.如权利要求3所述的一种远程智能自升式平台作业安全评估系统，其特征在于，所述结构强度分析模块中的桩腿结构强度分析是所述自升式平台作业安全评估系统的主要评估内容，通过有限元方法直接分析得到包括桩靴、上下导向、主船体整体在内的结构强度以及抗倾稳性安全分析是以平台承受能力作为边界进行评估，不采用直接计算方法，以提高评估效率。

5.如权利要求3所述的一种远程智能自升式平台作业安全评估系统，其特征在于，所述通过软件接口形成的自动化的计算流程为：首先，基于输入参数建立有限元模型和水动力分析模型；然后，基于有限元模型进行模态分析获得动力放大系数；然后，基于有限元模型和水动力分析模型计算平台承受的风、波浪、流载荷；接着，基于以上分析载荷计算平台变形量，根据变形量分析平台承受的P-Δ载荷；基于以上分析得到的所有载荷对平台各部分结构进行强度和抗倾稳性校核；通过软件接口完成自动化的作业安全评估分析流程，得到合理可靠的评估结果。

6.如权利要求5所述的一种远程智能自升式平台作业安全评估系统，其特征在于，所述智能算法模块是在通过所述自动化模块形成自动化计算流程的基础上，引入包括遗传算法、人工智能算法在内的优化算法，以输入参数为变量，以桩腿强度分析结果为目标，以包括桩靴、上下导向、主船体整体在内的结构强度以及抗倾稳性的承载能力为约束，进行优化计算分析，形成基于输入参数和桩腿强度的响应面，将响应面输出为数据库，从而实现以较小的计算量形成能够覆盖更多参数组合的作业安全评估分析结果数据库。

7.如权利要求6所述的一种远程智能自升式平台作业安全评估系统，其特征在于，通过所述智能算法模块形成的能够覆盖多参数组合的作业安全评估分析结果数据库存储于所述岸基计算中心的所述数据存储器中，该作业安全评估分析结果数据库的输入参数可根据设计人员或平台使用者预估来确定，形成的评估结果数据库可预置在所述平台客户端中，形成所述预置评估结果数据库，供现场作业人员直接使用。

8.如权利要求1所述的一种远程智能自升式平台作业安全评估系统，其特征在于，所述信息传输系统由3G/4G/5G通信传输系统、卫星通信系统组成，其中，3G/4G/5G通信传输系统可用于平台离岸较近有3G/4G/5G信号时同步预置所述计划工程作业项目评估结果数据库；卫星通信系统可用于现场作业时，预置所述计划工程作业项目评估结果数据库未能覆盖现场作业工况时，将现场参数发送给所述岸基计算中心进行评估，并将评估结果反馈给所述平台用户端，供现场作业人员使用。

9.如权利要求1所述的一种远程智能自升式平台作业安全评估系统，其特征在于，所述平台用户端可输出/打印详细所述安全评估结果，便于现场人员精确判断作业安全性，保障作业安全。

10.一种如权利要求1所述的远程智能自升式平台作业安全评估系统的作业流程，其特征在于，包括以下步骤：

船端用户通过所述平台用户端输入现场作业参数，船端用户既可通过预置的计划工程作业项目评估结果数据库即时查询评估分析结果，又可以通过所述信息传输系统将现场作业参数发送至所述岸基计算中心，由所述岸基计算中心进行即时分析后获得评估分析结果，再通过所述信息传输系统将评估分析结果反馈至所述平台用户端，用于指导现场作业。

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