CN116296018A - 深水内转塔式单点的系泊力实时监测系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及船舶系泊力监测技术领域，尤其涉及深水内转塔式单点的系泊力实时监测系统及方法，该方法包括如下步骤：建立单点系泊系统及FPSO的耦合分析模型，并校核得到修正后的耦合分析模型；在修正后的耦合分析模型中输入FPSO六自由度运动响应，得到FPSO动态响应与系泊力数据库；实时监测测点的地理位置信息、FPSO的艏向信息及六自由度运动信息并分析处理，得到单点的位置、导缆孔与锚点的水平距离及导缆孔的深度；根据FPSO动态响应与系泊力数据库进行插值处理，计算出单点系泊系统每根系泊缆上的实时受力。本发明提供的方法及系统不仅能够实现单点系泊力的实时准确监测，而且造价低，数据采集能力及稳定性好。

Description

深水内转塔式单点的系泊力实时监测系统及方法
技术领域
本发明涉及船舶系泊力监测技术领域，尤其涉及深水内转塔式单点的系泊力实时监测系统及方法。
背景技术
FPSO是海洋石油开发的主要模式之一，被广泛应用于世界各个海域的原油生产、储藏及外输。其中，深水内转塔式单点系泊系统是关系到整个FPSO能否正常作业的一个重要环节，一旦深水内转塔式单点系泊系统受到破坏，整个FPSO的安全都将受到极大威胁。
现有技术中，可通过在系泊缆上安装拉力传感器直接监测系泊缆受力或安装倾角仪测量系泊缆的倾角继而换算得到系泊缆的受力。但该方法在实际工程运用中颇受限制，例如现在应用的系泊力监测设备通常是每6 h 开启并开始记录一定的数据，工作时间不连续，获取的数据有限，后续分析无法与数据模型相匹配。其次，直接在系泊缆上安装监测设备的费用十分昂贵，且系泊力监测设备在长期受到海洋环境载荷、锚缆摇晃引起的振动等多个因素影响下，非常容易出现故障。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供深水内转塔式单点的系泊力实时监测系统及方法，不仅能够实现深水内转塔式单点系泊力的实时准确监测，而且造价低，数据采集能力及稳定性好。
本发明是通过以下技术方案予以实现：
深水内转塔式单点的系泊力实时监测方法，其包括如下步骤：
S1：应用系泊分析软件建立深水内转塔式单点系泊系统及FPSO的耦合分析模型，并根据系泊系统完工文件和系泊系统完工实测数据对分析模型进行校核，得到修正后的耦合分析模型；
S2：在修正后的耦合分析模型中输入FPSO任意六自由度运动响应，计算得到FPSO深水内转塔式单点各条锚缆上的系泊力，经过多次计算，得到FPSO动态响应与系泊力数据库；
S3：现场监测设备实时监测FPSO测点的地理位置信息、FPSO的艏向信息以及FPSO六自由度运动信息，并将信息传输给监测数据集成管理平台的数据接收模块；
S4：数据接收模块将接收到的信息传输给监测数据集成管理平台的数据处理分析模块，数据处理分析模块对接收到的信息进行分析处理，得到深水内转塔式单点的位置、导缆孔与锚点的水平距离及导缆孔的深度；
S5：数据处理分析模块将得到的导缆孔与锚点的水平距离及导缆孔的深度在FPSO动态响应与系泊力数据库内进行插值处理，计算出深水内转塔式单点系泊系统每根系泊缆上的实时受力。
优化的，现场监测设备包括惯性测量单元IMU、UPS系统及两根GPS天线，两根所述GPS天线用于获取测点的地理位置及FPSO的艏向，所述惯性测量单元IMU用于测量FPSO六自由度运动，UPS系统为用电设备提供不间断电源。
优化的，两根所述GPS天线沿FPSO船体纵轴布置。
进一步，步骤S4中，数据处理分析模块通过式（1）计算得到深水内转塔式单点的位置：
Figure SMS_1
（1）；
其中：
Figure SMS_4
为FPSO的横摇，/>
Figure SMS_8
为FPSO的纵摇，/>
Figure SMS_11
为FPSO的艏向，/>
Figure SMS_3
为局部坐标系下深水内转塔式单点相对测点X向坐标，/>
Figure SMS_7
为局部坐标系下深水内转塔式单点相对测点Y向坐标，/>
Figure SMS_9
为局部坐标系下深水内转塔式单点相对测点Z向坐标，/>
Figure SMS_13
为GPS测得的测点在UTM坐标系下的东向坐标，/>
Figure SMS_2
为GPS测得的测点在UTM坐标系下的北向坐标，/>
Figure SMS_6
为GPS测得的测点高度，/>
Figure SMS_10
为深水内转塔式单点在UTM坐标系下的东向坐标，/>
Figure SMS_12
为深水内转塔式单点在UTM坐标系下的北向坐标，/>
Figure SMS_5
为深水内转塔式单点距水面的距离。
进一步，数据处理分析模块通过式（2）计算得到导缆孔与锚点的水平距离及导缆孔的深度：
Figure SMS_14
（2）；
其中：
Figure SMS_15
为导缆孔与锚点的水平距离，/>
Figure SMS_16
为导缆孔在UTM坐标系下的东向坐标，/>
Figure SMS_17
为导缆孔在UTM坐标系下的北向坐标，/>
Figure SMS_18
为锚点在UTM坐标系下的东向坐标，/>
Figure SMS_19
为锚点在UTM坐标系下的北向坐标，/>
Figure SMS_20
为导缆孔的深度。
进一步，监测数据集成管理平台的数据存储回传模块将所有数据按标准进行数据库入库存储，并通过卫星传输至陆地平台。
深水内转塔式单点的系泊力实时监测系统，用以执行上述的深水内转塔式单点的系泊力实时监测方法，其包括现场监测设备及监测数据集成管理平台，所述现场监测设备包括GPS天线，惯性测量单元IMU及UPS系统，GPS天线用于获取测点的地理位置及FPSO的艏向，所述惯性测量单元IMU用于测量FPSO六自由度运动，UPS系统为用电设备提供不间断电源，所述监测数据集成管理平台包括数据接收模块及数据处理分析模块，所述数据接收模块用以接收现场监测设备的实时信号，数据处理分析模块用以对接收的信号进行处理分析，通过坐标系转换得到深水内转塔式单点的位置、导缆孔与锚点的水平距离及导缆孔深度，根据导缆孔与锚点的水平距离及导缆孔深度在该模块内含的FPSO动态响应与系泊力数据库中进行插值得到FPSO六自由度实时响应信号所对应的深水内转塔式单点各系泊缆上的系泊力大小。
优化的，GPS天线为两根且沿FPSO船体纵轴布置。
进一步，监测数据集成管理平台还包括数据存储回传模块，所述数据存储回传模块用以将所有数据按标准进行数据库入库存储，并通过卫星传输至陆地平台。
发明的有益效果：
（1）本发明实现了FPSO深水内转塔式单点系泊缆受力实时监测功能，具备数据采集、分析、管理、存储等功能，实现了海上与陆地对单点系泊系统的共同监测；
（2）本发明基于FPSO六自由度实测数据，建立FPSO动态响应与系泊力数据库计算系泊缆受力，实现了系泊力的实时准确监测，与直接在系泊缆上安装监测设备相比，安装操作简单，便于维护，且造价低、数据采集能力和稳定性好。
附图说明
图1是本发明监测方法的流程示意图。
图2是本发明的系统结构示意图。
具体实施方式
深水内转塔式单点的系泊力实时监测方法，本发明的监测方法可以概括为如下内容：建立耦合模型，然后进行校核验证、得到FPSO动态响应与系泊力数据库，然后根据GPS、IMU实时监测信号，得到单点位置信息，再根据单点位置信息得到系泊缆导缆孔与锚点的水平距离及导缆孔的深度，然后根据FPSO动态响应与系泊力数据库进行插值处理，得到系泊力实时监测数据。其流程图如附图1所示，具体包括如下步骤：
S1：应用系泊分析软件建立深水内转塔式单点系泊系统及FPSO的耦合分析模型，并根据系泊系统完工文件和系泊系统完工实测数据对分析模型进行校核，得到修正后的耦合分析模型；建立深水内转塔式单点系泊系统及FPSO的耦合分析模型时，可以依据设计文件中的导缆孔和锚点位置以及系泊缆长度、材质等信息，然后应用系泊分析软件建立深水内转塔式单点系泊系统及FPSO的耦合分析模型；
S2：在修正后的耦合分析模型中输入FPSO任意六自由度运动响应，计算得到FPSO深水内转塔式单点各条锚缆上的系泊力，经过多次计算，得到FPSO动态响应与系泊力数据库；通过在修正后的耦合分析模型中输入FPSO任意六自由度运动响应，并经过多次计算，最终可以得到一系列的FPSO动态响应与系泊力数据，将数据存入数据库后期做插值计算使用；
S3：现场监测设备实时监测FPSO测点的地理位置信息、FPSO的艏向信息以及FPSO六自由度运动信息，并将信息传输给监测数据集成管理平台的数据接收模块；
S4：数据接收模块将接收到的信息传输给监测数据集成管理平台的数据处理分析模块，数据处理分析模块对接收到的信息进行分析处理，得到深水内转塔式单点的位置、导缆孔与锚点的水平距离及导缆孔的深度；
S5：数据处理分析模块将得到的导缆孔与锚点的水平距离及导缆孔的深度在FPSO动态响应与系泊力数据库内进行插值处理，计算出深水内转塔式单点系泊系统每根系泊缆上的实时受力。
本发明提供的深水内转塔式单点的系泊力实时监测方法，首先根据设计文件建立深水内转塔式单点系泊系统及FPSO的耦合分析模型，再根据系泊系统完工文件和系泊系统完工实测数据对分析模型进行校核，得到修正后的耦合分析模型；然后在修正后的耦合分析模型中输入FPSO任意六自由度运动响应，得到FPSO动态响应与系泊力数据库，然后实时监测FPSO测点的地理位置信息、FPSO的艏向信息以及FPSO六自由度运动信息，经过分析处理后得到深水内转塔式单点的位置、导缆孔与锚点的水平距离及导缆孔的深度，然后在FPSO动态响应与系泊力数据库内进行插值处理，可以计算出深水内转塔式单点系泊系统每根系泊缆上的实时受力，计算结果比较准确，实现了海上与陆地对单点系泊系统的共同监测，与直接在系泊缆上安装监测设备相比，工作时间连续，安装操作简单，便于维护，且造价低、数据采集能力，稳定性好，系泊力实时监测系统受海洋环境载荷、锚缆摇晃引起的振动等因素影响很小，故障率比较低。
优化的，现场监测设备包括惯性测量单元IMU、UPS系统及两根GPS天线，两根所述GPS天线用于获取测点的地理位置及FPSO的艏向，所述惯性测量单元IMU用于测量FPSO六自由度运动，UPS系统为用电设备提供不间断电源，UPS系统可以由电池和充电机组成，安装在电池间，为所有监测设备提供不间断电源，即使在台风期间也能保证数据的不间断采集。
进一步，步骤S4中，数据处理分析模块通过式（1）计算得到深水内转塔式单点的位置：
Figure SMS_21
（1）；
其中：
Figure SMS_23
为FPSO的横摇，/>
Figure SMS_27
为FPSO的纵摇，/>
Figure SMS_29
为FPSO的艏向，/>
Figure SMS_25
为局部坐标系下深水内转塔式单点相对测点X向坐标，/>
Figure SMS_31
为局部坐标系下深水内转塔式单点相对测点Y向坐标，/>
Figure SMS_32
为局部坐标系下深水内转塔式单点相对测点Z向坐标，/>
Figure SMS_33
为GPS测得的测点在UTM坐标系下的东向坐标，/>
Figure SMS_22
为GPS测得的测点在UTM坐标系下的北向坐标，/>
Figure SMS_26
为GPS测得的测点高度，/>
Figure SMS_28
为深水内转塔式单点在UTM坐标系下的东向坐标，/>
Figure SMS_30
为深水内转塔式单点在UTM坐标系下的北向坐标，/>
Figure SMS_24
为深水内转塔式单点距水面的距离。通过此种计算方法获得深水内转塔式单点的位置数据比较准确。
进一步，数据处理分析模块通过式（2）计算得到导缆孔与锚点的水平距离及导缆孔的深度：
Figure SMS_34
（2）；
其中：
Figure SMS_35
为导缆孔与锚点的水平距离，/>
Figure SMS_36
为导缆孔在UTM坐标系下的东向坐标，/>
Figure SMS_37
为导缆孔在UTM坐标系下的北向坐标，/>
Figure SMS_38
为锚点在UTM坐标系下的东向坐标，/>
Figure SMS_39
为锚点在UTM坐标系下的北向坐标，/>
Figure SMS_40
为导缆孔的深度。通过此种计算方法获得导缆孔与锚点的水平距离及导缆孔的深度数据也比较准确。
进一步，监测数据集成管理平台的数据存储回传模块将所有数据按标准进行数据库入库存储，并通过卫星传输至陆地平台，可供其他系统使用，实现海上与陆地对深水内转塔式单点系泊系统的共同监测。
深水内转塔式单点的系泊力实时监测系统，用以执行上述的深水内转塔式单点的系泊力实时监测方法，其具体系统结构示意图如附图2所示，包括现场监测设备及监测数据集成管理平台，所述现场监测设备包括GPS天线，惯性测量单元IMU及UPS系统，GPS天线用于获取测点的地理位置及FPSO的艏向，所述惯性测量单元IMU用于测量FPSO六自由度运动，UPS系统为用电设备提供不间断电源，所述监测数据集成管理平台包括数据接收模块及数据处理分析模块，所述数据接收模块用以接收现场监测设备的实时信号，数据处理分析模块用以对接收的信号进行处理分析，通过坐标系转换得到深水内转塔式单点的位置、导缆孔与锚点的水平距离及导缆孔深度，根据导缆孔与锚点的水平距离及导缆孔深度在该模块内含的FPSO动态响应与系泊力数据库中进行插值得到FPSO六自由度实时响应信号所对应的深水内转塔式单点各系泊缆上的系泊力大小。
优化的，两根所述GPS天线沿FPSO船体纵轴布置，更加有利于获取测点的地理位置及FPSO的艏向信息。
进一步，监测数据集成管理平台还包括数据存储回传模块，所述数据存储回传模块用以将所有数据按标准进行数据库入库存储，并通过卫星传输至陆地平台，数据库可供其他系统使用，实现海上与陆地对深水内转塔式单点系泊系统的共同监测。
综上所述，本发明提出的深水内转塔式单点的系泊力实时监测系统及方法，不仅能够实现深水内转塔式单点系泊力的实时准确监测，而且造价低，数据采集能力及稳定性好。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.深水内转塔式单点的系泊力实时监测方法，其特征在于：包括如下步骤：
S1：应用系泊分析软件建立深水内转塔式单点系泊系统及FPSO的耦合分析模型，并根据系泊系统完工文件和系泊系统完工实测数据对分析模型进行校核，得到修正后的耦合分析模型；
S2：在修正后的耦合分析模型中输入FPSO任意六自由度运动响应，计算得到FPSO深水内转塔式单点各条锚缆上的系泊力，经过多次计算，得到FPSO动态响应与系泊力数据库；
S3：现场监测设备实时监测FPSO测点的地理位置信息、FPSO的艏向信息以及FPSO六自由度运动信息，并将信息传输给监测数据集成管理平台的数据接收模块；
S4：数据接收模块将接收到的信息传输给监测数据集成管理平台的数据处理分析模块，数据处理分析模块对接收到的信息进行分析处理，得到深水内转塔式单点的位置、导缆孔与锚点的水平距离及导缆孔的深度；
S5：数据处理分析模块将得到的导缆孔与锚点的水平距离及导缆孔的深度在FPSO动态响应与系泊力数据库内进行插值处理，计算出深水内转塔式单点系泊系统每根系泊缆上的实时受力。
2.根据权利要求1所述的深水内转塔式单点的系泊力实时监测方法，其特征在于：所述现场监测设备包括惯性测量单元IMU、UPS系统及两根GPS天线，两根所述GPS天线用于获取测点的地理位置及FPSO的艏向，所述惯性测量单元IMU用于测量FPSO六自由度运动，UPS系统为用电设备提供不间断电源。
3.根据权利要求2所述的深水内转塔式单点的系泊力实时监测方法，其特征在于：两根所述GPS天线沿FPSO船体纵轴布置。
4.根据权利要求1所述的深水内转塔式单点的系泊力实时监测方法，其特征在于：步骤S4中，数据处理分析模块通过式（1）计算得到深水内转塔式单点的位置：
Figure QLYQS_1
（1）；
其中：
Figure QLYQS_4
为FPSO的横摇，/>
Figure QLYQS_9
为FPSO的纵摇，/>
Figure QLYQS_12
为FPSO的艏向，/>
Figure QLYQS_5
为局部坐标系下深水内转塔式单点相对测点X向坐标，/>
Figure QLYQS_7
为局部坐标系下深水内转塔式单点相对测点Y向坐标，/>
Figure QLYQS_10
为局部坐标系下深水内转塔式单点相对测点Z向坐标，/>
Figure QLYQS_13
为GPS测得的测点在UTM坐标系下的东向坐标，/>
Figure QLYQS_2
为GPS测得的测点在UTM坐标系下的北向坐标，/>
Figure QLYQS_6
为GPS测得的测点高度，/>
Figure QLYQS_8
为深水内转塔式单点在UTM坐标系下的东向坐标，/>
Figure QLYQS_11
为深水内转塔式单点在UTM坐标系下的北向坐标，/>
Figure QLYQS_3
为深水内转塔式单点距水面的距离。
5.根据权利要求4所述的深水内转塔式单点的系泊力实时监测方法，其特征在于：数据处理分析模块通过式（2）计算得到导缆孔与锚点的水平距离及导缆孔的深度：
Figure QLYQS_14
（2）；
其中：
Figure QLYQS_15
为导缆孔与锚点的水平距离，/>
Figure QLYQS_16
为导缆孔在UTM坐标系下的东向坐标，/>
Figure QLYQS_17
为导缆孔在UTM坐标系下的北向坐标，/>
Figure QLYQS_18
为锚点在UTM坐标系下的东向坐标，/>
Figure QLYQS_19
为锚点在UTM坐标系下的北向坐标，/>
Figure QLYQS_20
为导缆孔的深度。
6.根据权利要求1所述的深水内转塔式单点的系泊力实时监测方法，其特征在于：监测数据集成管理平台的数据存储回传模块将所有数据按标准进行数据库入库存储，并通过卫星传输至陆地平台。
7.深水内转塔式单点的系泊力实时监测系统，用以执行如权利要求1至6任一项所述的深水内转塔式单点的系泊力实时监测方法，其特征在于：包括现场监测设备及监测数据集成管理平台，所述现场监测设备包括GPS天线，惯性测量单元IMU及UPS系统，GPS天线用于获取测点的地理位置及FPSO的艏向，所述惯性测量单元IMU用于测量FPSO六自由度运动，UPS系统为用电设备提供不间断电源，所述监测数据集成管理平台包括数据接收模块及数据处理分析模块，所述数据接收模块用以接收现场监测设备的实时信号，数据处理分析模块对接收的信号进行处理分析，通过坐标系转换得到深水内转塔式单点的位置、导缆孔与锚点的水平距离及导缆孔深度，根据导缆孔与锚点的水平距离及导缆孔深度在该模块内含的FPSO动态响应与系泊力数据库中进行插值得到FPSO六自由度实时响应信号所对应的深水内转塔式单点各系泊缆上的系泊力大小。
8.根据权利要求7所述的深水内转塔式单点的系泊力实时监测系统，其特征在于：所述GPS天线为两根且沿FPSO船体纵轴布置。
9.根据权利要求7所述的深水内转塔式单点的系泊力实时监测系统，其特征在于：
所述监测数据集成管理平台还包括数据存储回传模块，所述数据存储回传模块用以将所有数据按标准进行数据库入库存储，并通过卫星传输至陆地平台。
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