朱進(jìn)全，楊學(xué)利，孫恪成，劉東輝，牛志剛

（中海油能源發(fā)展股份有限公司采油服務(wù)分公司，天津300452）

引言

浮式生產(chǎn)儲(chǔ)卸油裝置（FPSO）是一種可對(duì)海上油田進(jìn)行全海式開發(fā)的工程裝備，其主要優(yōu)勢(shì)在于集油氣生產(chǎn)處理、原油儲(chǔ)存、外輸功能于一體，并具有良好的水深適應(yīng)性[1]。由于FPSO 具有很大的水線面面積，導(dǎo)致其運(yùn)動(dòng)對(duì)環(huán)境載荷的影響十分敏感且容易產(chǎn)生很大的波頻與低頻運(yùn)動(dòng)[2-3]。FPSO 在原油外輸作業(yè)期間會(huì)經(jīng)歷不同的裝載體變化，遭遇不同的風(fēng)浪流組合作用等[4-6]，此外還存在人為操控等影響，上述外部作用力會(huì)驅(qū)動(dòng)浮體間發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致系泊大纜斷裂或船舶碰撞或海面溢油等風(fēng)險(xiǎn)增加[7-9]，并使外輸操控變得復(fù)雜。因此，對(duì)外輸作業(yè)環(huán)境、系泊大纜拉力、海面溢油、FPSO 與穿梭油輪之間夾角和間距的實(shí)時(shí)監(jiān)控十分必要[10-12]。

隨著各種傳感器技術(shù)的不斷進(jìn)步，監(jiān)測(cè)內(nèi)容和監(jiān)測(cè)手段也越來越豐富。相比于其他傳感器，光電傳感器更易于監(jiān)測(cè)和實(shí)施，在船舶監(jiān)測(cè)上的應(yīng)用也引起更多學(xué)者的關(guān)注[13-14]。海洋平臺(tái)監(jiān)測(cè)需要的傳感器種類多，接口繁雜，所有數(shù)據(jù)都需要同步釆集，并且傳感器采集的數(shù)據(jù)還需要進(jìn)行實(shí)時(shí)解算處理，因此，要求數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有良好的接口擴(kuò)展和數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理能力。

采用衛(wèi)星高精度差分定位方法可得到FPSO、穿梭油輪的經(jīng)緯度和航向，進(jìn)而計(jì)算出兩艘船舶之間的相對(duì)夾角和間距[15]。但由于穿梭油輪不固定，故此監(jiān)測(cè)方法必須在穿梭油輪上安裝包括GPS組合慣導(dǎo)系統(tǒng)的移動(dòng)測(cè)量站（約15 kg），所以便攜性不足。本文基于安裝在FPSO 船艉的光學(xué)探測(cè)設(shè)備直接測(cè)出FPSO 與穿梭油輪之間的夾角和間距，提油船長只需攜帶一個(gè)便攜包（手持基站和平板電腦，約3 kg），極大地提高了便攜性。

1 系統(tǒng)描述

1.1 技術(shù)需求

根據(jù)對(duì)危險(xiǎn)狀態(tài)的原因分析及海上原油外輸作業(yè)的需求，通過集成風(fēng)速風(fēng)向儀、AIS系統(tǒng)、系泊大纜拉力儀、光電測(cè)量系統(tǒng)等設(shè)備的監(jiān)測(cè)信息，建立一套能夠?qū)ο挡创罄|拉力、風(fēng)浪流、船舶相對(duì)位置及海面溢油進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的系統(tǒng)，可對(duì)FPSO 和穿梭油輪之間夾角的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)，并對(duì)外輸危險(xiǎn)狀態(tài)實(shí)施預(yù)警，為外輸人員指揮決策提供支持。

1.2 技術(shù)方案

系統(tǒng)的硬件由FPSO 上可集成設(shè)備和光電測(cè)量系統(tǒng)組成。FPSO 上可集成的設(shè)備包括風(fēng)速風(fēng)向儀、系泊大纜拉力儀、AIS系統(tǒng)、浪流儀等；光電測(cè)量系統(tǒng)主要包括光電轉(zhuǎn)臺(tái)、高清攝像機(jī)、激光測(cè)距機(jī)、激光照明器、紅外熱像儀、光譜檢測(cè)儀、伺服控制器、視頻跟蹤器、視頻光端機(jī)、無線傳輸基站、電源通信箱等設(shè)備，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of overall structure of system

圖1 中，軟件系統(tǒng)主要包括主控軟件和手持終端軟件，用于實(shí)現(xiàn)集成設(shè)備的信息監(jiān)測(cè)，如風(fēng)速風(fēng)向、系泊大纜拉力、AIS 系統(tǒng)監(jiān)測(cè)船舶的經(jīng)度、緯度和航向、以及光電設(shè)備的各類監(jiān)測(cè)信息等，并預(yù)留數(shù)據(jù)接口，保證系統(tǒng)的可拓展性和兼容性。軟件系統(tǒng)有多種工作模式可供選擇，如默認(rèn)值模式、自賦值模式等。在自賦值模式下，軟件操作人員可自行錄入相關(guān)參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。軟件系統(tǒng)提供船體資料的輸入窗口，以適應(yīng)不同類型穿梭油輪和拖輪作業(yè)時(shí)的差異性。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)要求

軟件系統(tǒng)主要用于配合下位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、處理、存儲(chǔ)，一方面使系統(tǒng)擁有了指標(biāo)分析以及對(duì)下位機(jī)進(jìn)行控制的能力，方便用戶對(duì)多種數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控；另一方面可以將數(shù)據(jù)完整地存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫中，方便用戶隨時(shí)進(jìn)行分析和查閱。

軟件系統(tǒng)開發(fā)采用微服務(wù)架構(gòu)Coframe 集成模式，各接口通信協(xié)議滿足FPSO 智能管理平臺(tái)的規(guī)定。同時(shí)，還需滿足如下設(shè)計(jì)要求：

1）可對(duì)系泊大纜拉力、風(fēng)浪流、船舶位置以及海面溢油進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控；

2）可將采集的數(shù)據(jù)按照原有的特性進(jìn)行數(shù)據(jù)回放和存儲(chǔ)；

3）可對(duì)下一時(shí)段FPSO 與穿梭油輪之間的相對(duì)夾角的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)；

4）在出現(xiàn)危險(xiǎn)時(shí)，及時(shí)通過預(yù)警界面進(jìn)行報(bào)警，并出現(xiàn)相應(yīng)的提示；

5）服務(wù)器和移動(dòng)終端需同時(shí)顯示實(shí)測(cè)、預(yù)測(cè)以及預(yù)警信息。

6）明確解析數(shù)據(jù)種類要求和數(shù)據(jù)呈現(xiàn)方式。

2.2 開發(fā)環(huán)境及運(yùn)行平臺(tái)

基于本項(xiàng)目的目標(biāo)及使用環(huán)境，選擇Vue.js 作為前端開發(fā)工具。此外，系統(tǒng)使用Java 微服務(wù)架構(gòu)作為后端開發(fā)工具。根據(jù)軟件運(yùn)行及需求的分析，F(xiàn)PSO 原油外輸輔助決策系統(tǒng)的運(yùn)行組件主要由web 服務(wù)器/GIT/API 網(wǎng)關(guān)、日志中心、監(jiān)控中心/配置中心/注冊(cè)中心及數(shù)據(jù)庫組成，系統(tǒng)運(yùn)行方式如圖2所示。

圖2 中，系統(tǒng)運(yùn)行由傳感器接口、服務(wù)器管理員、數(shù)據(jù)庫、FPSO 原油外輸輔助決策系統(tǒng)、FPSO智能系統(tǒng)、移動(dòng)終端用戶組成。

圖2 系統(tǒng)運(yùn)行方式示意圖Fig.2 Schematic diagram of system operation mode

2.3 功能設(shè)計(jì)

2.3.1 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)功能

實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)功能是基于設(shè)備采集到的數(shù)據(jù)，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后，以數(shù)字、視頻和圖表方式實(shí)時(shí)顯示在軟件系統(tǒng)界面上。實(shí)時(shí)顯示的參數(shù)有：風(fēng)速風(fēng)向，浪高浪向，流速流向，系泊大纜拉力，光電測(cè)量系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的FPSO 與穿梭油輪之間夾角和間距、海面溢油監(jiān)測(cè)信息，AIS 系統(tǒng)顯示的FPSO、穿梭油輪和拖輪三者的經(jīng)度、緯度及航向數(shù)據(jù)等；可選顯示內(nèi)容有潮汐、雷暴等氣象信息。

當(dāng)數(shù)據(jù)量很大時(shí)，對(duì)數(shù)據(jù)庫的裝載與導(dǎo)出、備份與恢復(fù)、結(jié)構(gòu)的調(diào)整、索引的調(diào)整等都會(huì)讓數(shù)據(jù)庫停止服務(wù)或者高負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)很長時(shí)間，從而影響數(shù)據(jù)庫的可用性和易管理性。

以實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集頻率1 Hz（不包含人員信息表、系統(tǒng)日志表、配置記錄表、船型表、消息記錄表和船長日志表等）來計(jì)算，每秒可產(chǎn)生20 行數(shù)據(jù)，1 h 為72 000 行數(shù)據(jù)，每包數(shù)據(jù)所占的字節(jié)空間 最 大 為200 B，1 h 存 儲(chǔ) 數(shù) 據(jù) 所 占 的 空 間 為14 400 000 B 也就是13.73 MB。通過以上計(jì)算可知，1 h 最大存儲(chǔ)13.73 MB 的數(shù)據(jù)，假設(shè)一次外輸作業(yè)為24 h，則要存儲(chǔ)329.52 MB 數(shù)據(jù)，500 GB 的數(shù)據(jù)硬盤能支持做1 553 次數(shù)據(jù)采集。

數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)包括：物理狀態(tài)設(shè)計(jì)、表設(shè)計(jì)、表關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)庫監(jiān)控、數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)過程設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)庫查詢過程設(shè)計(jì)等。數(shù)據(jù)庫軟件功能在后臺(tái)運(yùn)行。后面介紹數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊和數(shù)據(jù)查詢模塊。

2.3.2 實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)功能

實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)功能是基于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)300 s 內(nèi)FPSO與穿梭油輪之間相對(duì)夾角數(shù)據(jù)，通過數(shù)學(xué)模型計(jì)算得到FPSO 與穿梭油輪未來一段時(shí)間內(nèi)的相對(duì)夾角，以文字、曲線、船舶示意圖形式呈現(xiàn)，并帶入實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，經(jīng)多次解算與修正后最終實(shí)現(xiàn)較高預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率。

采用IBM SPSS 數(shù)據(jù)分析軟件，分析實(shí)時(shí)測(cè)量的夾角。分析結(jié)果表明，夾角隨著時(shí)間的變化在一定范圍內(nèi)上下浮動(dòng)，夾角的變化趨勢(shì)在不同的時(shí)間段所構(gòu)建的曲線形式是不同的，故采取多種函數(shù)關(guān)系進(jìn)行驗(yàn)證。

假設(shè)預(yù)測(cè)夾角為一個(gè)未知量，時(shí)間為變量，相對(duì)夾角是因變量，其預(yù)測(cè)曲線如圖3所示。由圖3（a）～3（d）可知，基于IBM SPSS 軟件，在外推60 s、120 s 和300 s 這3 種條件下，分析線性函數(shù)、二次函數(shù)、三次函數(shù)、逆函數(shù)等函數(shù)關(guān)系的適用性。分析結(jié)果表明，三次函數(shù)關(guān)系的R2值最大，即三次函數(shù)適用性最佳。建立數(shù)學(xué)模型如下：

式中：t為外輸作業(yè)時(shí)間，單位s；d0、d1、d2、d3為待定系數(shù)；f(t)為FPSO 與穿梭油輪相對(duì)夾角，單位（°）。

圖3 中R2的含義為自變量所能解釋的方差在總方差中所占的百分比，取值越大，說明模型的效果越好。即回歸關(guān)系可以解釋因變量R2×100%的變異，如果控制自變量的值不變，則因變量的變異程度平均會(huì)減少R2×100%。

圖3 預(yù)測(cè)相對(duì)夾角曲線分析圖Fig.3 Analysis diagram of prediction curves for relative included angles

在實(shí)際外輸中，將相對(duì)距離、相對(duì)夾角以及預(yù)測(cè)的相對(duì)距離和夾角等歷史數(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)據(jù)庫查詢后導(dǎo)入Excel 處理，分別生成相對(duì)距離和相對(duì)夾角的擬合曲線，如圖4所示。其中藍(lán)色為實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，紅色為1 min 預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)，綠色為5 min 預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)曲線。

圖4 預(yù)測(cè)相對(duì)距離、夾角曲線實(shí)時(shí)圖Fig.4 Real-time diagram of prediction curves for relative distances and included angles

由圖4 可看出，數(shù)據(jù)算法中相對(duì)距離和相對(duì)夾角擬合較好，數(shù)據(jù)符合程度高。FPSO 和提油輪預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)與真實(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)可知，位置數(shù)據(jù)在4 m之內(nèi)，夾角在±2°之內(nèi)。由于FPSO 與提油輪載重比較重，運(yùn)動(dòng)相對(duì)緩慢，對(duì)數(shù)據(jù)的預(yù)測(cè)算法可以滿足系統(tǒng)要求。

2.3.3 實(shí)時(shí)預(yù)警功能

根據(jù)FPSO 外輸作業(yè)應(yīng)急反應(yīng)程序等規(guī)定，對(duì)本系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)預(yù)測(cè)結(jié)果劃分危險(xiǎn)狀態(tài)預(yù)警等級(jí)。現(xiàn)場(chǎng)外輸作業(yè)應(yīng)急反應(yīng)程序規(guī)定，有以下危險(xiǎn)狀態(tài)時(shí)應(yīng)急程序啟動(dòng)，包括但不局限于：

1）風(fēng)力，浪高預(yù)警。外輸期間如遇到大風(fēng)，當(dāng)風(fēng)力達(dá)到16.9 m/s（7 級(jí)）或者有效波高超過4.1 m時(shí)停止外輸作業(yè)，穿梭油輪要盡快解攬離泊，必要時(shí)根據(jù)總監(jiān)指令實(shí)施應(yīng)急解脫。

2）系泊大纜拉力預(yù)警。外輸期間系泊大纜拉力低于20 t 時(shí)，調(diào)整拖力并密切注意穿梭油輪與FPSO的相對(duì)位置變化情況。當(dāng)大纜拉力高于80 t 時(shí)，做好停止外輸及穿梭油輪離泊的準(zhǔn)備。當(dāng)拉力達(dá)到100 t 時(shí)報(bào)告給系泊船長，穿梭油輪準(zhǔn)備拆除外輸軟管；在30 min 內(nèi)拉力2 次超過120 t 時(shí)，應(yīng)停止提油作業(yè)，解掉大纜，穿梭油輪離開FPSO 所在油田區(qū)域。

3）船體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。當(dāng)系泊大纜與FPSO 的艏艉線夾角達(dá)到30°時(shí)，及時(shí)調(diào)整穿梭油輪的方向，做好停止外輸?shù)臏?zhǔn)備。當(dāng)系泊大纜與FPSO 的艏艉線夾角接近45°時(shí)立即停止外輸，穿梭油輪做好拆除外輸軟管的準(zhǔn)備。當(dāng)夾角超過45°并有繼續(xù)增大的趨勢(shì)時(shí)，相關(guān)人員按照外輸緊急部署就位，視現(xiàn)場(chǎng)情況決定穿梭油輪是否離泊。

2.4 移動(dòng)端設(shè)計(jì)

移動(dòng)端選擇中柏29.46 cm（Jumper，11.6 英寸）win10 EZpad Go 4G+128G 平板電腦，可在手持終端上實(shí)時(shí)查看各傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)并對(duì)光電測(cè)量設(shè)備進(jìn)行控制。手持終端機(jī)接收無線傳輸基站發(fā)送的信息，在軟件界面上體現(xiàn)類似于FPSO 智能管理平臺(tái)服務(wù)器的軟件系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)、預(yù)測(cè)及預(yù)警3 大功能，各手持終端機(jī)之間、手持終端機(jī)和服務(wù)器之間可實(shí)現(xiàn)信息交流，手持終端機(jī)具備自賦值和遠(yuǎn)程訪問FPSO 智能管理平臺(tái)服務(wù)器的功能。

3 系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)

3.1 硬件架構(gòu)設(shè)計(jì)

光電測(cè)量系統(tǒng)在船載電源箱的供電下進(jìn)行工作，獲取圖像信息以及激光測(cè)距信息，并進(jìn)行目標(biāo)跟蹤，將圖像信息和轉(zhuǎn)臺(tái)角度信息和距離信息通過光端機(jī)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)，經(jīng)船上通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至船上顯控計(jì)算機(jī)，由安裝在顯控計(jì)算機(jī)中的光電綜合處理軟件進(jìn)行圖像數(shù)據(jù)的接收，并在顯控計(jì)算機(jī)中進(jìn)行顯示、處理，計(jì)算偏離角和船距信息，判斷是否超出預(yù)定范圍，將報(bào)警信息發(fā)送給報(bào)警系統(tǒng)。

光電測(cè)量儀主機(jī)組成包括：可見光高清攝像機(jī)、激光照明器、激光測(cè)距機(jī)、紅外熱像儀、光譜檢測(cè)儀5 個(gè)有效光學(xué)載荷，以及海用光電轉(zhuǎn)臺(tái)、視頻跟蹤器等平臺(tái)部件，如圖5所示。

圖5 光電測(cè)量儀主機(jī)組成框圖Fig.5 Composition block diagram of photoelectric measuring instrument host

圖5 中，海用光電轉(zhuǎn)臺(tái)內(nèi)部由轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)體、電源轉(zhuǎn)換板、信號(hào)處理板、伺服控制器等組成。電源轉(zhuǎn)換板將24 V 電源電壓轉(zhuǎn)換為內(nèi)部各模塊所需要的電壓，信號(hào)處理板轉(zhuǎn)發(fā)內(nèi)部各控制信號(hào)和視頻信號(hào)，伺服控制器實(shí)現(xiàn)控制算法驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)運(yùn)動(dòng)，轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)體實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)支撐和環(huán)境防護(hù)。船載電源通信箱包含防護(hù)箱體、ACDC 轉(zhuǎn)換電源模塊、視頻光端機(jī)、光纖盒等。ACDC 轉(zhuǎn)換電源模塊實(shí)現(xiàn)從220 V交流電到24 V 直流電的轉(zhuǎn)換，為光電測(cè)量主機(jī)提供電源，視頻光端機(jī)將光電測(cè)量主機(jī)輸出的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)進(jìn)行傳輸。顯控計(jì)算機(jī)安裝于FPSO 控制中心，內(nèi)部包含光電綜合處理軟件，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互以及數(shù)據(jù)接收、顯示和處理。

3.2 光學(xué)器件設(shè)計(jì)

要求系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)功能，因此選擇可見光相機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)視頻監(jiān)測(cè)，為了增強(qiáng)夜晚光線，選擇激光照明器在特定情況下對(duì)可見光相機(jī)進(jìn)行輔助實(shí)時(shí)視頻監(jiān)測(cè)，同時(shí)添加紅外熱像儀作為補(bǔ)充視頻監(jiān)測(cè)。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)FPSO 與穿梭油輪之間的距離進(jìn)行精準(zhǔn)測(cè)量，選擇激光測(cè)距機(jī)進(jìn)行激光測(cè)距。

在FPSO 原油外輸作業(yè)中，F(xiàn)PSO 與提油輪的距離大約在70 m～100 m 左右，光電轉(zhuǎn)臺(tái)安裝在FPSO船艉，高清攝像機(jī)監(jiān)測(cè)提油輪船艏某個(gè)目標(biāo)。

要求系統(tǒng)具有廣角大視場(chǎng)，至少能覆蓋整個(gè)提油輪。最大提油輪總長245 m，則提油輪兩端對(duì)相機(jī)的夾角為

若采用3.45μm 像元的探測(cè)器，則1 920×1 080 pixel 的靶面大小為6.624 mm×3.726 mm，對(duì)角線長度為7.6 mm。該視場(chǎng)下焦距為

指標(biāo)要求中,假設(shè)觀測(cè)目標(biāo)大小為0.4 m×0.4 m，在200 m 外實(shí)現(xiàn)目標(biāo)探測(cè)（探測(cè)像素按8×8 pixel 計(jì)算），則滿足探測(cè)要求的光學(xué)系統(tǒng)焦距為

因此，采用焦距為6.2 mm～13.8 mm 的光學(xué)系統(tǒng)即可滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

在紅外相機(jī)選擇方面，由于常見1 280×1 024 pixel 非制冷焦平面陣列探測(cè)器的像元尺寸通常為12μm，靶面大小為15.4 mm×12.3 mm，對(duì)角線長度為2y′=20 mm。為了與高清可見光相機(jī)的視場(chǎng)范圍匹配，故相機(jī)廣角視場(chǎng)角應(yīng)達(dá)到2ω=60°，半視場(chǎng)角ω=30°，相機(jī)焦距為

長焦焦距應(yīng)滿足對(duì)目標(biāo)的探測(cè)需要，假設(shè)觀測(cè)目標(biāo)大小為0.4 m×0.4 m，在200 m 外實(shí)現(xiàn)目標(biāo)探測(cè)（探測(cè)像素按8×8 pixel 計(jì)算），則滿足探測(cè)要求的光學(xué)系統(tǒng)焦距為

因此，采用焦距為18 mm～48 mm 的紅外光學(xué)系統(tǒng)即可實(shí)現(xiàn)指標(biāo)要求。

選擇激光測(cè)距機(jī)及激光照明器時(shí)，首先選擇對(duì)人眼安全的設(shè)備，避免提油輪上的工作人員直視而發(fā)生眼部傷害。由于本系統(tǒng)的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度與測(cè)距值有直接關(guān)系，故選擇測(cè)距機(jī)時(shí)優(yōu)先考慮短距離、精度高的設(shè)備。

此外，系統(tǒng)還要求可以在外輸作業(yè)時(shí)對(duì)外輸軟管狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，一旦發(fā)生因外輸軟管破裂導(dǎo)致原油泄漏的情況，通過系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)可及時(shí)發(fā)現(xiàn)溢油，并根據(jù)光譜檢測(cè)圖像對(duì)溢油的危險(xiǎn)狀態(tài)進(jìn)行定級(jí)。白天使用可見光譜段進(jìn)行光譜檢測(cè)，夜間則使用激光照明器作為主動(dòng)光源，選擇近紅外譜段進(jìn)行光譜實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)[9]。

本系統(tǒng)通過模擬海上外輸?shù)牟煌h(huán)境及被監(jiān)測(cè)物質(zhì)的不同屬性來實(shí)現(xiàn)光譜儀對(duì)被監(jiān)測(cè)物質(zhì)光譜頻段的學(xué)習(xí)，最終實(shí)現(xiàn)在150 m 范圍內(nèi)對(duì)溢油及時(shí)探測(cè)并鎖定溢油位置、油液擴(kuò)散范圍和運(yùn)動(dòng)軌跡的圖像。如圖6 和圖7所示，高光譜相機(jī)獲取水體某一區(qū)域信號(hào)，通過區(qū)域信號(hào)來判斷水體目標(biāo)的光譜信息，如水質(zhì)中含有某些特定成分（溢油），則區(qū)域內(nèi)對(duì)應(yīng)的信號(hào)從光譜角度進(jìn)行分析，可知與正常水體的特征光譜是存在差異的，然后通過機(jī)器學(xué)習(xí)的方法，對(duì)光譜曲線進(jìn)行訓(xùn)練學(xué)習(xí)，得到相應(yīng)的數(shù)據(jù)模型，進(jìn)而為后續(xù)的油污檢測(cè)提供分析依據(jù)。

圖6 光譜數(shù)據(jù)采集示意圖Fig.6 Schematic diagram of spectral data acquisition

圖7 光譜曲線圖Fig.7 Spectral curves

通過圖7 可明顯看出，在450 nm～650 nm 波段內(nèi)油漬與水的光譜圖像有明顯差別，油漬反射的光強(qiáng)度遠(yuǎn)高于水，因此可通過建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型實(shí)現(xiàn)對(duì)油漬的識(shí)別定位。

3.3 無線傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)建立無線傳輸基站進(jìn)行數(shù)據(jù)信號(hào)傳輸，無線基站主機(jī)安裝在FPSO 中控室，F(xiàn)PSO 無線基站室內(nèi)天線通過WiFi 模式與顯控終端進(jìn)行數(shù)據(jù)信號(hào)交換。FPSO 無線基站室外天線安裝于FPSO 船艉至高點(diǎn)，通過手持單兵基站與無線基站建立鏈接，平板電腦與手持單兵基站建立鏈接，將數(shù)據(jù)信號(hào)傳送到穿梭油輪和拖輪上的平板電腦上。無線基站的建立模式如圖8所示。

圖8 無線基站示意圖Fig.8 Schematic diagram of wireless base station

4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

4.1 系統(tǒng)集成

根據(jù)各集成設(shè)備的接口要求，需要集成的器件有5 類傳感器，接口主要有RS-232 及RJ-45。為使兩種接口類型的數(shù)據(jù)均由RJ-45 輸出，采用串口服務(wù)器USR-N668 來轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)串口與網(wǎng)口數(shù)據(jù)的收集交互。傳感器的集成布局如圖9所示。

圖9 傳感器集成布局圖Fig.9 Layout of sensor integration

圖9 中，USR-N668 輸入端與RS-232 接口傳感器相連，輸出端連接至網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)；光電測(cè)量設(shè)備的數(shù)據(jù)由光纖輸出端轉(zhuǎn)換成網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)通過RJ-45 打包發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)；網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)的輸出端再與軟件終端機(jī)器相連，實(shí)現(xiàn)軟件對(duì)傳感器數(shù)據(jù)的讀取和對(duì)光電測(cè)量設(shè)備的控制。通過無線局域網(wǎng)的搭建，軟件終端所顯示視頻數(shù)據(jù)及圖表數(shù)據(jù)可發(fā)送到穿梭油輪和拖輪上，使手持終端實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。

4.2 系統(tǒng)應(yīng)用測(cè)試

該系統(tǒng)應(yīng)用于南海某FPSO 外輸作業(yè)過程中，系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，并將所采集到的數(shù)據(jù)通過光纜或無線傳輸模塊傳輸?shù)缴衔粰C(jī)平臺(tái)，由上位機(jī)按照時(shí)間順序進(jìn)行分類存儲(chǔ)，并以直觀的方式將數(shù)據(jù)在顯示窗口進(jìn)行更新顯示，如圖10所示。

圖10 軟件系統(tǒng)主界面Fig.10 Main interface of software system

針對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)延時(shí)進(jìn)行以下測(cè)試：在復(fù)合光電轉(zhuǎn)臺(tái)前方放置秒表計(jì)時(shí)器，系統(tǒng)實(shí)時(shí)顯示可見光圖像，此時(shí)對(duì)秒表計(jì)時(shí)器與顯示的可見光圖像同時(shí)拍照，比較秒表計(jì)時(shí)器實(shí)際計(jì)時(shí)值T1與顯示的可見光圖像上秒表計(jì)時(shí)器值T2，并計(jì)算T1和T2差值。按以上方法連續(xù)測(cè)3 次取平均值，可得出監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)延時(shí)。

針對(duì)測(cè)距誤差與夾角誤差進(jìn)行以下測(cè)試：在復(fù)合光電轉(zhuǎn)臺(tái)前方放置目標(biāo)物，啟動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)跟蹤功能，記錄此時(shí)轉(zhuǎn)臺(tái)的方位角值γ1，測(cè)距機(jī)測(cè)距值A(chǔ)C1，并用測(cè)量工具測(cè)量出目標(biāo)物與轉(zhuǎn)臺(tái)的實(shí)際距離AC2，沿目標(biāo)物與轉(zhuǎn)臺(tái)連線的垂直方向水平移動(dòng)目標(biāo)物后，記錄轉(zhuǎn)臺(tái)方位角值γ2，并且用測(cè)量工具測(cè)量出目標(biāo)物的移動(dòng)距離AC3，計(jì)算AC1與AC2差值L。按以上方法連續(xù)測(cè)3 次取平均值，可得出轉(zhuǎn)臺(tái)測(cè)距精度ΔL。

通過（2）式可計(jì)算出γ與 θ，并計(jì)算其相差值。按以上方法連續(xù)測(cè)3 次取平均值，可得出轉(zhuǎn)臺(tái)跟蹤精度 Δγ。

如圖11所示，B點(diǎn)為FPSO 系泊大纜儀，C點(diǎn)為提油輪系泊大纜儀，A點(diǎn)為復(fù)合光電轉(zhuǎn)臺(tái)，CD為兩船相對(duì)距離，CD⊥AB，F(xiàn)PSO 與提油輪相對(duì)夾角為α。設(shè)轉(zhuǎn)臺(tái)零位垂直于FPSO 船艉，轉(zhuǎn)臺(tái)跟蹤角為γ，β=90°-γ，AC為轉(zhuǎn)臺(tái)測(cè)距機(jī)測(cè)量值，AB≈5 m。

圖11 測(cè)角精度誤差分析Fig.11 Diagram of error analysis of angle measurement accuracy

根據(jù)以下公式計(jì)算相對(duì)夾角：

FPSO 與提油輪相對(duì)夾角α的監(jiān)測(cè)誤差與轉(zhuǎn)臺(tái)角γ的精度以及轉(zhuǎn)臺(tái)測(cè)距機(jī)測(cè)量值A(chǔ)C的精度相關(guān)。

設(shè)AC=70 m，γ=5°，則：

通過（4）式計(jì)算可得FPSO 與提油輪相對(duì)夾角監(jiān)測(cè)誤差，若該值小于1°，則滿足系統(tǒng)要求。

測(cè)試結(jié)果表明：系統(tǒng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)延遲≤0.5 s，F(xiàn)PSO 與穿梭油輪相對(duì)距離測(cè)量誤差≤0.4 m，F(xiàn)PSO與穿梭油輪相對(duì)夾角測(cè)量誤差≤0.2°，120 s 內(nèi)夾角預(yù)測(cè)精度≥80%。

在外輸作業(yè)過程中，主界面的預(yù)警模塊會(huì)根據(jù)預(yù)警值設(shè)置不同的預(yù)警顏色和信息。在系泊纜拉力超過120 t 時(shí)，預(yù)警達(dá)到一級(jí)，預(yù)警燈變?yōu)榧t色，同時(shí)顯示出預(yù)警信息。

此外，在數(shù)據(jù)顯示界面，可以對(duì)FPSO 以及拖輪的船艉進(jìn)行視頻顯示，還可對(duì)風(fēng)速風(fēng)向、浪高浪速、流速流向、拉力、FPSO 以及穿梭油輪和拖輪的經(jīng)緯度和航向等數(shù)據(jù)進(jìn)行波形圖表顯示。在歷史數(shù)據(jù)查詢界面，可以通過選擇對(duì)應(yīng)的日期和時(shí)間對(duì)3 個(gè)月內(nèi)的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢。在此功能欄中，可以選擇任意傳感器進(jìn)行監(jiān)測(cè)，視頻及文字信息查詢。

5 結(jié)論

本文提出了一種FPSO 原油外輸光電輔助決策系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，系統(tǒng)集成了FPSO 原有傳感器的監(jiān)測(cè)信息，增加了由可見光探測(cè)、紅外探測(cè)、激光測(cè)距/照明以及光譜分析技術(shù)組成的光學(xué)探測(cè)設(shè)備，在硬件集成的基礎(chǔ)上開發(fā)了軟件系統(tǒng)，并建立了系統(tǒng)專用的無線自組網(wǎng)絡(luò)。

該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)視頻實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)/預(yù)警等功能，通過激光測(cè)距與機(jī)械傳感器測(cè)角可測(cè)量外輸作業(yè)相對(duì)距離與夾角，并對(duì)外輸軟管的狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)光譜監(jiān)測(cè)。系統(tǒng)解決了目前FPSO外輸作業(yè)時(shí)存在實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)不全面，缺少FPSO與穿梭油輪之間夾角和間距監(jiān)測(cè)，以及對(duì)外輸軟管狀態(tài)監(jiān)測(cè)等問題，為外輸指揮人員進(jìn)行外輸作業(yè)提供了可視化參考依據(jù)。