王思銘

(1.招商局重工(江蘇)有限公司,江蘇 海門 226100;2.上海交通大學,上海 200240)

0 引言

海洋探索技術發(fā)展日新月異,海洋平臺的操作也越來越復雜。 鉆井船在作業(yè)過程中平臺受到風、浪、流等環(huán)境因素的影響,伴隨著復雜的設備運行,使得鉆井船作業(yè)對實時監(jiān)控并及時處理問題有著較高的需求。實測運維數(shù)字孿生系統(tǒng)對海洋平臺的作業(yè)情況進行監(jiān)測,并將數(shù)據(jù)實時傳輸給陸地的控制中心。 控制中心通過整合分析實測數(shù)據(jù),虛擬出實體平臺的數(shù)字孿體(見圖1),以實現(xiàn)在陸地遠程監(jiān)控的目的。 借助陸上的超算中心和大數(shù)據(jù)分析,實測運維數(shù)字孿生系統(tǒng)可以進一步預測浮式平臺的作業(yè)情況,為安全有效的作業(yè)提供技術支持。

圖1 數(shù)字孿體

實現(xiàn)實測運維數(shù)字孿生系統(tǒng)的部署需要硬件和軟件的結(jié)合。 近年來,我國在海洋平臺數(shù)字孿生領域取得了很多成果,比如采用低功耗無線自組網(wǎng)綜合定位技術,在海洋平臺實現(xiàn)智能人員定位[1]。 利用虛擬現(xiàn)實技術建立安全的交互平臺,模擬海上石油鉆井平臺環(huán)境,實現(xiàn)平臺工作人員的消防演練仿真[2]。 在海洋石油平臺上為機組安裝振動監(jiān)測和數(shù)據(jù)采集裝置,通過網(wǎng)線與遠程智能診斷中心相連接,開發(fā)系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理軟件,對設備進行遠程故障診斷[3]。 基于機器學習與深度學習方法,對正常工況下的海洋平臺檢測數(shù)據(jù)進行學習并得到診斷模型,針對新數(shù)據(jù)的損傷情況進行評估以實現(xiàn)在線損傷識別[4]。 基于安裝在流花海域的“挑戰(zhàn)號”海洋平臺的錨鏈水平力傳感器裝置,開發(fā)自容式姿態(tài)監(jiān)測裝置,用于測量不同水深處的系泊加速度和傾斜角度,從而計算出系泊力[5]。

國際上在物聯(lián)網(wǎng)和數(shù)字孿體方面正逐步推廣到商業(yè)階段。 2018 年,Kongsberg Digital 推出了“數(shù)字雙胞胎”服務,建立虛擬油氣生產(chǎn)裝置的模型,保證使用者可以遠程查看平臺的數(shù)據(jù)。 2020 年,DNV 推針對數(shù)字孿體與TechinipFMC 合作開發(fā)行業(yè)推薦辦法,構建該技術的運行標準。

本文針對鉆井船的結(jié)構、系統(tǒng)和操作特性,探討基于數(shù)字孿生技術的實測運維數(shù)字孿生系統(tǒng)的部署。 實現(xiàn)在遠程的監(jiān)控中心監(jiān)測平臺的運行狀態(tài),并利用歷史收集的監(jiān)測數(shù)據(jù)預測平臺運行情況。

1 結(jié)構健康監(jiān)測

結(jié)構健康監(jiān)測主要應用于陸上大型結(jié)構物的結(jié)構安全保障領域,其中橋梁的結(jié)構健康監(jiān)測應用較多。在海洋平臺領域,結(jié)構健康監(jiān)測多數(shù)應用于導管架。其結(jié)構損傷實時監(jiān)測主要以振動檢測為主,它可以檢測得到導管架的動力響應參數(shù),包括頻率、阻尼和模態(tài)等數(shù)據(jù),進而能夠在整體上評估結(jié)構損傷[6]。 不同于固定式生產(chǎn)平臺,鉆井船作為浮式海洋平臺,結(jié)構監(jiān)測主要是通過監(jiān)測結(jié)構薄弱部位的應力水平,布置應力傳感器和加速度傳感器,結(jié)合通信模塊將傳感器數(shù)據(jù)傳輸給主機[7]。 主機根據(jù)接收的數(shù)據(jù)進行濾波、統(tǒng)計分析以及疲勞損傷估計。 鉆井船的月池區(qū)域需要承受環(huán)境載荷外和鉆井設備作業(yè)時的載荷,同時月池因布置于船中,這種布置設計需求也使得其容易在總縱強度下發(fā)生中拱和中垂的變型,圖2 為典型鉆井船月池區(qū)域的有限元模型受力分析,因此鉆井船的結(jié)構健康監(jiān)測主要為月池關鍵區(qū)域的監(jiān)測。

圖2 典型鉆井船的月池區(qū)域有限元模型受力分析

1.2 系泊監(jiān)測

除了主體結(jié)構外,錨鏈受力也是浮式平臺結(jié)構監(jiān)測的一部分。 錨鏈的監(jiān)測主要以應力監(jiān)測并集合采集的平臺運動位置求解系泊張力。 因測量儀布置在錨鏈上,測量儀需要有續(xù)航能力和水聲通訊能力,并在平臺上布置水聲接收器將訊息傳遞到平臺上的主機。 近些年,設計的鉆井船設計從第三代開始就已經(jīng)使用動力定位來代替錨泊[8],新型的鉆井船一般不需要考慮錨鏈的監(jiān)測。

1.3 鉆井隔水管

深水鉆井隔水管受到波激振動和渦激振動,容易產(chǎn)生疲勞破壞進而帶來安全風險。 目前鉆井隔水管的監(jiān)測主要以水下的渦激疲勞監(jiān)測為主,通過安裝水下傳感器實現(xiàn)監(jiān)測隔水管的應變類參數(shù)、運動參數(shù)、環(huán)境參數(shù)和位置。 其中,運動參數(shù)主要包括傾角、角加速度、加速度和位移等數(shù)據(jù)。 傳感器監(jiān)測的數(shù)據(jù)通過水聲通信機傳輸?shù)街鳈C,并結(jié)合監(jiān)測到的環(huán)境參數(shù)和位置數(shù)據(jù)對渦激振動和管線偏移的評估,分析其疲勞損傷。 在實際工程應用上,我國的“奮進號”“海洋石油982”和“興旺號”等鉆井平臺已經(jīng)完成了多次深水隔水管監(jiān)測作業(yè)[9]。

2 運維監(jiān)測

2.1 海況監(jiān)測

海況的實時監(jiān)測對于鉆井作業(yè)的安全十分重要,其中主要為風、浪、流的監(jiān)測。 一般而言,是在鉆井船駕駛甲板上開闊無遮擋的位置安裝風速風向傳感器測量風向和風速;在舷側(cè)安裝聲學多普勒流速剖面儀和測波儀測量流速和有義波高。

2.2 船體姿態(tài)和定位監(jiān)測

鉆井船作為浮式平臺一般使用電羅經(jīng),垂向運動單元VRU,DGPS 差分全球定位系統(tǒng)和聲納定位系統(tǒng)來測量其運動姿態(tài)和位置,聲吶定位系統(tǒng)用于鉆井作業(yè)時的水下定位。 另外還需要監(jiān)測鉆井船的裝載工況,一般是在船底和液艙布置壓力傳感器監(jiān)測船舶吃水和液艙液位。

2.3 鉆井作業(yè)情況監(jiān)測

鉆井作業(yè)監(jiān)測主要包括鉆井深度、溫度、流量、鉆頭的鉆速、壓力和扭矩等數(shù)據(jù)。 進而實現(xiàn)對鉆頭、鉆具作業(yè)情況的監(jiān)測。 作業(yè)中鉆井作業(yè)人員將根據(jù)監(jiān)測的數(shù)據(jù),與理論模型計算結(jié)果進行對比,評估鉆井參數(shù)是否異常,并且實時優(yōu)化鉆井參數(shù),提高工具的使用壽命,避免事故的發(fā)生。 另外,除了設備作業(yè)情況監(jiān)測,還可以將地質(zhì)信息和鉆井信息融合進行三維可視化顯示地層和鉆井情況動態(tài)變化[10],提高鉆井作業(yè)的決策準確性并保障鉆井安全。

水下防噴器(BOP)作為井口壓力控制裝置,對于生產(chǎn)安全十分重要。 BOP 除了使用主動控制系統(tǒng)外,還可以考慮配置防噴器應急聲吶監(jiān)控系統(tǒng),以提高安全作業(yè)等級。 其在測量和監(jiān)控水下井口狀態(tài)有著獨立性,通過水下和水面換能器將井口數(shù)據(jù)傳輸回主機[11]。

2.3 常規(guī)安全監(jiān)測

常規(guī)安全監(jiān)測主要包括火災監(jiān)測和水密完整性監(jiān)測,其中火災監(jiān)測根據(jù)鉆井船設計時的防火分區(qū)進行布置,例如應急發(fā)電機室、中控室、生活區(qū)等,通過安裝感煙探頭、感溫探頭和手動呼叫等元器件實現(xiàn)火災的監(jiān)測。 一般應急關斷系統(tǒng)會根據(jù)火災探測報警信號,直接控制相關的助燃設備,例如油泵、風機等和防火風閘和防火門等裝置,開啟消防系統(tǒng)以控制火情。 水密完整性監(jiān)測主要為艙室侵水監(jiān)測和水密門狀態(tài)監(jiān)測,關鍵的水密門需要配置報警和控制模塊,控制模塊連接門的電機或油機,控制門的開關和限位,報警模塊連接門的電源、電機、控制模塊狀態(tài)等信息,用于反饋水密門的運行情況。

2.4 設備運行監(jiān)測

設備運行監(jiān)測主要為柴油發(fā)動機和推進器的監(jiān)測,前者是鉆井船動力的來源,后者是鉆井船定位和航行的關鍵設備。 當前研發(fā)的獨立發(fā)動機實時監(jiān)測系統(tǒng),其監(jiān)測方法和數(shù)據(jù)分析都各不相同[12]。 目前,獨立實時監(jiān)測發(fā)動機和推進器的系統(tǒng)在海洋平臺上的應用并不常見,監(jiān)測數(shù)據(jù)還主要是依賴設備運行時輸出的運行參數(shù),其中發(fā)動機主要為功率、電流、溫度和油耗等,推進器主要為各個螺旋槳轉(zhuǎn)速和方位角等。

2.5 視頻監(jiān)控

視頻監(jiān)控系統(tǒng)(CCTV)在海洋平臺的應用已經(jīng)非常成熟,在鉆井船上的應用主要為對鉆井作業(yè)中的關鍵設備的監(jiān)控,包括頂驅(qū)、補償器、泵艙、泥漿池、月池和吊車區(qū)域等。 它在危險監(jiān)控和事故追查中起著重要作用。 隨著計算機網(wǎng)絡傳輸和圖像處理技術的發(fā)展,視頻監(jiān)控也朝著智能化發(fā)展[13]。 智能視頻監(jiān)控使得計算機可以從海上作業(yè)中實現(xiàn)對特定作業(yè)的識別,在高風險區(qū)域布置視頻監(jiān)控系統(tǒng),可以降低人工巡護的工作量,提高巡檢效率[14]。 需要注意的是,在鉆井船的危險區(qū)域布置視頻系統(tǒng),使用的攝像頭和無線上網(wǎng)熱點需要帶有防爆功能,在露天區(qū)域布置需要帶有防水功能。 為了節(jié)省電纜鋪設,視頻監(jiān)控系統(tǒng)需要分區(qū)域布置POE 交換機,一般為了保證通信質(zhì)量,區(qū)域交換機之間通信距離較大時,需要采用光纖通信,距離較短可以選用網(wǎng)線。

3 通導系統(tǒng)

對各區(qū)域、系統(tǒng)、設備和作業(yè)情況進行數(shù)據(jù)采集并傳輸?shù)酱现鳈C或相關服務器后,對多源信號進行集成和整合,使其滿足智能系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換要求,并且運行流暢轉(zhuǎn)換互不影響。 數(shù)據(jù)進行本地保存后傳送到陸地控制中心。 受到遠洋衛(wèi)星通信通道帶寬和成本的限制,需要對采集的數(shù)據(jù)進行壓縮加密。 模擬數(shù)據(jù)、開關量及報警數(shù)據(jù)壓縮后動態(tài)響應為毫秒級。 音視頻數(shù)據(jù)壓縮需要考慮視頻監(jiān)測占衛(wèi)星寬帶500 kbs 以下,以滿足陸地控制中心實時查看關鍵區(qū)域的視頻畫面。 陸地控制中心將傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進行解密,并保存到數(shù)據(jù)庫中,數(shù)據(jù)硬盤容量一般需要滿足短期存儲60 天以上的數(shù)據(jù)記錄,長期存儲20 年以上的報警時刻和整點時刻的全部數(shù)據(jù)記錄。

4 陸地遠程監(jiān)控

陸地控制中心接收到數(shù)據(jù),結(jié)合已經(jīng)建立并配置好的虛擬模型得到實時的平臺特征,即構建物理實物的數(shù)字孿生系統(tǒng)。 數(shù)字孿生系統(tǒng)是實體平臺在信息空間的1 ∶1映射[15],其主要表現(xiàn)為三維模擬成像,利用計算機虛擬現(xiàn)實,實時反映實體平臺的運行狀態(tài)(見圖3)。陸地控制中心有超算中心和陸上網(wǎng)絡系統(tǒng)作為支撐,可以更快速高效的計算鉆井船的運作情況,并及時更新適合的算法,使得分析結(jié)果更可靠。

圖3 陸地遠程運維監(jiān)控

陸上的數(shù)字孿生系統(tǒng)重要的意義在于,分析和挖掘所采集的大數(shù)據(jù),并根據(jù)歷史數(shù)據(jù)預測平臺的運行情況,保障平臺的安全作業(yè)。 不同的作業(yè)采用不同的分析策略,可以根據(jù)已知的條件計算通過數(shù)值同步模擬系統(tǒng)的運行情況;可以通過機器學習,用歷史數(shù)據(jù)預測一定時間內(nèi)的未來運行情況。 機器學習一般應用于理論模型復雜、計算量巨大或非線性極高的分析中,例如船舶實時運動[16-17]。 根據(jù)實際監(jiān)測結(jié)果,分析不同預測策略的準確程度,隨著采集數(shù)據(jù)的不斷積累針對性的更新不同作業(yè)的分析策略。 大型的陸地控制中心通過監(jiān)控不同海洋平臺的數(shù)據(jù),隨著經(jīng)驗的累積,各系統(tǒng)的分析算法得到優(yōu)化,可以為海洋平臺的作業(yè)提供更好的技術解決方案。

5 結(jié)語

通過對鉆井船的結(jié)構關鍵區(qū)域和運維關鍵系統(tǒng)布置傳感器并實時采集數(shù)據(jù),壓縮加密后通過衛(wèi)星傳輸給陸地的控制中心,構建實體平臺的數(shù)字孿生系統(tǒng),進而實現(xiàn)遠程對鉆井船的運維實測及監(jiān)控。 在大數(shù)據(jù)和算法優(yōu)化的幫助下,實測運維數(shù)字孿生系統(tǒng)的應用不僅可以監(jiān)控鉆井船的運維情況,還可以在一定程度上預測各系統(tǒng)作業(yè)的運行,很好地提高鉆井船作業(yè)的安全性。