戴國(guó)華，郝 銘，龐洪林，單 薦

（中海石油（中國(guó)）有限公司天津分公司，天津 300459）

大力發(fā)展海洋油氣產(chǎn)業(yè)，提升海洋油氣勘探開(kāi)發(fā)力度，對(duì)我國(guó)能源安全意義重大[1]。隨著渤海油田開(kāi)發(fā)深入，越來(lái)越多的構(gòu)造儲(chǔ)量低的邊際油田逐步被發(fā)現(xiàn)。邊際油田的開(kāi)發(fā)方式采用“三一”模式，無(wú)人平臺(tái)依托周邊的中心平臺(tái)進(jìn)行開(kāi)發(fā)。但是渤海邊際油田無(wú)人平臺(tái)現(xiàn)有登臨方式不能適應(yīng)惡劣海況作業(yè)和防外部人員登臨的條件，需要進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新，進(jìn)一步研究安全、可靠、結(jié)構(gòu)緊湊的海上無(wú)人平臺(tái)登臨裝置具有重要意義。

由于海洋水文氣象條件的限制，人員登臨、撤離平臺(tái)是海上油氣資源開(kāi)發(fā)安全可控的第一要求，也是整體安全系統(tǒng)中的“第一顆紐扣”。一切事故都是在“人-機(jī)-環(huán)境”相互作用下發(fā)生的出乎人們意料的破壞性事件。要避免和減少事故的發(fā)生，人們就必須能控制“人-機(jī)-環(huán)境”這一系統(tǒng)，能預(yù)知和限制事故的發(fā)生[2]。因此，在海上無(wú)人平臺(tái)登臨過(guò)程中，既要保證工作人員受到過(guò)合格的安全培訓(xùn)，又要保障機(jī)械結(jié)構(gòu)安全可靠，還要對(duì)“人-機(jī)-環(huán)境”這一綜合復(fù)雜的系統(tǒng)進(jìn)行全方位、智能化的監(jiān)控和預(yù)測(cè)，在新興的人工智能技術(shù)和電氣裝備的幫助下實(shí)現(xiàn)安全、自動(dòng)的人員登臨作業(yè)。

為解決上述問(wèn)題，本文通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外海上平臺(tái)登臨方式進(jìn)行調(diào)研，整理分析傳統(tǒng)海上平臺(tái)登臨裝置技術(shù)特點(diǎn)，提出了一種適應(yīng)當(dāng)下發(fā)展形勢(shì)和需求的海上無(wú)人平臺(tái)登臨裝置，并分析海上無(wú)人平臺(tái)登臨裝置的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)，為未來(lái)研制新型海上無(wú)人平臺(tái)登臨裝置，保障維保人員安全登臨海上無(wú)人平臺(tái)作出參考。

1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1.1 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)現(xiàn)有海上平臺(tái)常用的登臨方式按照主登方式主要有以下六種組合方式（圖1 和表1）：第一種方式為登船平臺(tái)+固定梯道，這種裝置比較簡(jiǎn)易較為安全，通常用鎖頭防止外來(lái)人員進(jìn)入，但是不可搬遷；第二種方式為登船平臺(tái)+固定梯道+掛梯，這種方式同樣較為簡(jiǎn)易且通過(guò)掛梯和鎖頭的方式防止外來(lái)人員進(jìn)入，但安全性不高且不可搬遷；第三種方式為遙控懸梯+固定梯道，該裝置可搬遷且安全性較高，通過(guò)提升方式防止外來(lái)人員進(jìn)入，但是裝置簡(jiǎn)易性較低；第四種方式為登船平臺(tái)+固定梯道+遙控軟鋼梯，第五種方式為登船平臺(tái)+固定梯道+遙控直梯，這兩種登臨方式均可搬遷、安全性較高、通過(guò)提升的方式防止外來(lái)人員登臨，但是裝置不簡(jiǎn)易且在國(guó)內(nèi)使用較少；第六種方式為登船平臺(tái)+固定梯道+拉伸直梯，這種裝置較為簡(jiǎn)易，通過(guò)鎖頭防止外來(lái)人員登臨，但不可搬遷且安全性較低。

表1 海上無(wú)人平臺(tái)登臨方式對(duì)比

圖1 國(guó)內(nèi)海上平臺(tái)常用登臨方式[3-5]

通過(guò)比較上述幾種國(guó)內(nèi)常用的海上平臺(tái)登臨方式可見(jiàn)，簡(jiǎn)易性、是否可搬遷、安全性等重要問(wèn)題在國(guó)內(nèi)尚未解決。

1.2 國(guó)外研究現(xiàn)狀

國(guó)外海上平臺(tái)常用的登臨方式主要有以下三種（圖2）。

圖2 國(guó)外海上平臺(tái)常用登臨方式[6-7]

第一種方式是對(duì)于近岸風(fēng)電平臺(tái)，采用小型船舶直接頂靠風(fēng)機(jī)基座爬梯，并與海上風(fēng)機(jī)平臺(tái)塔基相互接觸，利用普通登乘裝置登上海上風(fēng)機(jī)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)作業(yè)人員的轉(zhuǎn)送。這種系統(tǒng)適合在風(fēng)浪變化小、氣候狀況良好的條件下使用[7]，適用于小型運(yùn)維船且性價(jià)比高。近些年國(guó)內(nèi)海工單位也開(kāi)始逐漸使用這些小型風(fēng)電運(yùn)維船進(jìn)行人員轉(zhuǎn)運(yùn)，但受制于船體適航性，該系統(tǒng)在東海與南海作業(yè)較為困難。

第二種方式是在風(fēng)機(jī)平臺(tái)上安裝可遠(yuǎn)程控制的伸縮舷梯，維護(hù)人員通過(guò)舷梯或與舷梯相連的掛梯（或軟梯）登靠風(fēng)機(jī)平臺(tái)，僅可實(shí)現(xiàn)人員的轉(zhuǎn)移。這種登臨當(dāng)時(shí)的主要特點(diǎn)是適合人員轉(zhuǎn)送并且適合于尾靠船舶。

登靠舷梯能夠檢測(cè)運(yùn)維船受海浪影響后的姿態(tài)和位移，通過(guò)控制混并聯(lián)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)海浪的主動(dòng)補(bǔ)償，這樣維修人員攜帶設(shè)備通過(guò)該平臺(tái)上的廊橋能夠安全平穩(wěn)到海上平臺(tái)[8]。但是其系統(tǒng)復(fù)雜，包括回轉(zhuǎn)系統(tǒng)、變幅系統(tǒng)、通道伸縮系統(tǒng)，且設(shè)備造價(jià)高。

第三種方式是使用主動(dòng)波浪補(bǔ)償棧橋，通過(guò)棧橋自身的運(yùn)動(dòng)來(lái)抵消傳播運(yùn)動(dòng)引起的波浪影響，使棧橋保持相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)，補(bǔ)償棧橋由基座、鋼塔、桁架式伸縮橋、走道平臺(tái)、司機(jī)室、液壓系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)等組成。主動(dòng)波浪補(bǔ)償棧橋可廣泛安裝于浮式生產(chǎn)儲(chǔ)卸油裝置（Floating Production Storage and Offloading，F(xiàn)PSO）、風(fēng)電安裝船、風(fēng)電安裝平臺(tái)等各類支持平臺(tái)，可隨船航行于無(wú)限航區(qū)參加相關(guān)作業(yè)。

CHEN H 等[9]提出，當(dāng)起重機(jī)在船舶或移動(dòng)平臺(tái)上使用時(shí)，由于船體的影響，起重機(jī)的載荷運(yùn)動(dòng)類似于空間球擺，這使得升沉位移表現(xiàn)出明顯的非線性運(yùn)動(dòng)特征。此外，檢測(cè)機(jī)構(gòu)的時(shí)滯和控制誤差會(huì)導(dǎo)致補(bǔ)償不及時(shí)，從而影響系統(tǒng)的性能。為此提出了一種先進(jìn)的預(yù)測(cè)補(bǔ)償方法，即粒子群優(yōu)化模型預(yù)測(cè)軌跡控制器（Particle Swarm Optimization-Motion Prediction，PSO-MPTP），以提高升沉補(bǔ)償性能。該方法基于模型預(yù)測(cè)控制（Model-based Predictive Control，MPC），首次應(yīng)用于位置伺服系統(tǒng)，同時(shí)考慮了升沉預(yù)測(cè)和控制效果。該方法可對(duì)起重機(jī)載荷的升沉位移進(jìn)行多步預(yù)測(cè)，并作為補(bǔ)償機(jī)位置回路的輸入。仿真結(jié)果表明，該控制器具有較好的預(yù)測(cè)能力、較高的控制精度和較強(qiáng)的魯棒性。

由于船舶的波浪運(yùn)動(dòng)和繩索的柔韌性，有效載荷的搖擺是不可避免的，可能會(huì)給相關(guān)作業(yè)帶來(lái)危險(xiǎn)。WANG S H 等[10]在三柱船舶直接運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)幕A(chǔ)上，提出了一種新的海上起重機(jī)組合補(bǔ)償方法——四柱組合補(bǔ)償。四柱方案具有以下優(yōu)點(diǎn)：一是可以顯著降低執(zhí)行機(jī)構(gòu)的最大力要求；二是工作負(fù)荷在氣缸間分配更均勻；三是主支撐軸可以防止平臺(tái)翻倒，執(zhí)行器總是推動(dòng)平臺(tái)，而不是雙向的，這可能會(huì)降低成本和風(fēng)險(xiǎn)。

LANDSVERK R 等[11]研究了帶載荷的多用途起重機(jī)與近海運(yùn)輸船的耦合動(dòng)力學(xué)問(wèn)題。利用完整約束和牛頓-歐拉動(dòng)力學(xué)導(dǎo)出了經(jīng)典的多體模型，將得到的微分代數(shù)方程（Differential Algebraic Equation，DAE）的索引-3 系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為索引-1 系統(tǒng)，并使用常用的數(shù)值求解器進(jìn)行求解。

QIAN Y Z 等[12]提出了一種基于增強(qiáng)自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Neural Networks，NN）的協(xié)同海上起重機(jī)反擺動(dòng)跟蹤控制策略，提出了一種船舶運(yùn)動(dòng)預(yù)測(cè)算法來(lái)生成貨物的目標(biāo)軌跡，并提出了一種自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來(lái)處理復(fù)雜的未知波浪引起的干擾。通過(guò)完整的基于Lyapunov 的穩(wěn)定性分析，保證了有界跟蹤性能。

2 新型海上無(wú)人平臺(tái)登臨裝置

在綜合研究國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀和現(xiàn)實(shí)海上平臺(tái)工作需求后，本文提出一種新型海上無(wú)人平臺(tái)登臨裝置（圖3），相比于其他登臨裝置，這種新型海上無(wú)人平臺(tái)登臨裝置的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、占用空間小，同時(shí)具有系統(tǒng)可靠、便于安裝、經(jīng)濟(jì)性好、可推廣用于其他海上結(jié)構(gòu)物登臨作業(yè)的特點(diǎn)。在防控外來(lái)人員登臨方面，本裝置需要局域網(wǎng)內(nèi)對(duì)克令吊和登臨裝置進(jìn)行呼叫，因此可基本杜絕外來(lái)人員憑借該海上無(wú)人平臺(tái)登臨裝置進(jìn)入生產(chǎn)區(qū)域。另外，這種海上無(wú)人平臺(tái)登臨裝置也可以作為應(yīng)急撤離逃生設(shè)施，在海上平臺(tái)人員逃生和撤離過(guò)程中發(fā)揮重要作用[4-5]。

圖3 新型海上無(wú)人平臺(tái)登臨裝置示意圖

其中，提升系統(tǒng)具有運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償（升沉補(bǔ)償）功能，可將起伏不定的運(yùn)維船上的技術(shù)人員安全提升到海上石油平臺(tái)的底部平臺(tái)，從而避免運(yùn)維船頂靠爬梯后往返于爬梯的危險(xiǎn)環(huán)節(jié)，降低往返運(yùn)維船和平臺(tái)之間的人身風(fēng)險(xiǎn)。系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng)可以自動(dòng)調(diào)節(jié)起吊繩索的位置，人員和系統(tǒng)掛鉤連接后，即使在上下起伏的運(yùn)維船上也不會(huì)受到干擾，不會(huì)造成人員和船體之間的碰撞。吊臂可前后伸縮，避免人員碰撞平臺(tái)。

新型海上無(wú)人平臺(tái)登臨裝置的登臨作業(yè)流程和離開(kāi)作業(yè)流程略有不同，但其相同點(diǎn)在于登臨和離開(kāi)的作業(yè)流程都分為4 個(gè)階段。當(dāng)各個(gè)控制模式轉(zhuǎn)換時(shí)，通過(guò)運(yùn)動(dòng)軌跡平滑與光順技術(shù)，以及力位耦合控制技術(shù)，保證吊點(diǎn)加速度無(wú)突變，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的平穩(wěn)過(guò)渡。

2.1 登臨作業(yè)流程與控制模式

新型海上無(wú)人平臺(tái)登臨裝置的登臨作業(yè)流程與控制模式如下。

階段1：平穩(wěn)下降（穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)模式）。運(yùn)維人員用無(wú)線遙控器發(fā)出吊鉤下放指令，吊臂伸出平臺(tái)，吊鉤穩(wěn)定、勻速下放。

階段2：吊鉤落船（升沉同步控制模式）。吊鉤下降至風(fēng)險(xiǎn)區(qū)時(shí)，利用懸臂上搭載的激光位移傳感器實(shí)時(shí)獲取船舶的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，控制系統(tǒng)自主建立船舶的升沉預(yù)測(cè)模型，基于系統(tǒng)內(nèi)置的預(yù)測(cè)控制算法以及力位耦合控制策略，控制繩索的伸縮，快速將吊鉤下放至甲板，纜繩處于松弛狀態(tài)。

階段3：安全脫離（高點(diǎn)抬升控制模式）。運(yùn)維人員將吊鉤扣到安全帶上后，用無(wú)線遙控器發(fā)出登臨指令，基于懸臂上搭載的激光位移傳感器實(shí)時(shí)獲取船舶（甲板）的升沉運(yùn)動(dòng)信息，當(dāng)?shù)觞c(diǎn)（人員）位于升沉運(yùn)動(dòng)周期的高點(diǎn)時(shí)，控制繩索的收縮，在一個(gè)波浪運(yùn)動(dòng)周期內(nèi)，將吊點(diǎn)（人員）抬升至可能發(fā)生碰撞的區(qū)域以外。

階段4：平穩(wěn)上升（穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)模式）。吊鉤升至頂端后，吊臂回縮，吊鉤再下放，將運(yùn)維人員放至平臺(tái)上。

2.2 離開(kāi)作業(yè)流程與控制模式

新型海上無(wú)人平臺(tái)登臨裝置的離開(kāi)作業(yè)流程與控制模式如下。

階段1：平穩(wěn)下降（穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)模式）。運(yùn)維人員將吊鉤掛到安全帶上，點(diǎn)擊無(wú)線遙控器離開(kāi)指令，吊鉤升起至高點(diǎn)，吊臂伸出平臺(tái)，吊點(diǎn)（人員）的穩(wěn)定、勻速下放。

階段2：安全落船（升沉同步控制模式）。吊點(diǎn)（人員）下降至風(fēng)險(xiǎn)區(qū)時(shí)，利用懸臂上搭載的激光位移傳感器實(shí)時(shí)獲取船舶的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，控制系統(tǒng)自主建立船舶的升沉預(yù)測(cè)模型，基于系統(tǒng)內(nèi)置的預(yù)測(cè)控制算法和力位耦合控制策略，控制繩索的伸縮，當(dāng)甲板升至波浪波峰（高點(diǎn)）時(shí)快速松下纜繩，將運(yùn)維人員安全下放至甲板。

階段3：安全脫離（高點(diǎn)抬升控制模式）。基于懸臂上搭載的激光位移傳感器實(shí)時(shí)獲取船舶（甲板）的升沉運(yùn)動(dòng)信息，建立船舶的升沉運(yùn)動(dòng)實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)模型，當(dāng)甲板位于升沉運(yùn)動(dòng)周期的高點(diǎn)時(shí)，控制繩索的收縮，在一個(gè)波浪運(yùn)動(dòng)周期內(nèi)，將吊鉤抬升至可能發(fā)生碰撞的區(qū)域以外。

階段4：平穩(wěn)上升（穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)模式）。將吊鉤升起至高點(diǎn)，吊臂縮回，系統(tǒng)回歸待機(jī)狀態(tài)。

2.3 安全性仿真分析

基于Fluent 軟件，研究設(shè)計(jì)了安全性仿真分析實(shí)驗(yàn)，目的是分析作業(yè)人員在風(fēng)力作用下的擺動(dòng)幅度，設(shè)計(jì)合理的支撐結(jié)構(gòu)主尺寸，避免撞擊平臺(tái)結(jié)構(gòu)，保障人員在登臨過(guò)程中的人身安全。本裝置安全性仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)參數(shù)如表2 所示。

表2 安全性仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)參數(shù)

安全性仿真實(shí)驗(yàn)的方法是按照各種最惡劣的情況相疊加來(lái)計(jì)算，并設(shè)計(jì)支撐結(jié)構(gòu)主尺寸，使得人員受風(fēng)擺動(dòng)后不發(fā)生碰撞（圖4 和圖5）。平臺(tái)高度選擇15 m，風(fēng)力為6 級(jí)風(fēng)速最大值13.8 m/s，風(fēng)向正對(duì)人體與平臺(tái)，體重取較小值60 kg。

圖4 流場(chǎng)圖

圖5 流跡圖

根據(jù)安全性仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)后，結(jié)果表示人體的迎風(fēng)阻力約為50 N，繩索傾斜角度為4.766°。當(dāng)平臺(tái)高度為15 m 時(shí)，作業(yè)人員在風(fēng)力作用下水平偏移距離為1.42 m。因此，為了確保人員在不高于6 級(jí)風(fēng)速的登臨安全時(shí)，吊機(jī)的起重臂設(shè)計(jì)值要至少要大于1.42 m。本裝置安全性仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3 所示。

表3 安全性仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3 新型海上無(wú)人平臺(tái)登臨裝置關(guān)鍵技術(shù)

3.1 人員姿態(tài)識(shí)別

在海上平臺(tái)登臨過(guò)程中，作業(yè)人員的人身安全是最為重要的考慮因素。不同于其他研究中只對(duì)人員進(jìn)行識(shí)別與定位，本設(shè)計(jì)還對(duì)人員行為姿態(tài)進(jìn)行了識(shí)別與分類，充分考慮到登臨過(guò)程中的人機(jī)工效，避免在人員離船過(guò)程中與甲板、吊索發(fā)生撞擊，也避免在人員登臨上升過(guò)程中因懸吊、扭轉(zhuǎn)受到傷害。另外，安全的、具有標(biāo)志性的登臨姿態(tài)也可以在保護(hù)人員本身的同時(shí)，為控制系統(tǒng)和輔助人員傳遞安全作業(yè)信號(hào)，保證全過(guò)程的安全性。近年來(lái)，人體行為識(shí)別（Human Activity Recognition，HAR）技術(shù)是計(jì)算機(jī)視覺(jué)（Computer Vision，CV）領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，但多人HAR 的研究仍存在很多技術(shù)難點(diǎn)。目前的少樣本姿態(tài)識(shí)別工作大部分都是基于連續(xù)視頻，其劣勢(shì)在于可解釋性差、數(shù)據(jù)維度高、難以訓(xùn)練和部署等問(wèn)題。

本文嘗試從低維的骨骼點(diǎn)數(shù)據(jù)上進(jìn)行姿態(tài)少樣本識(shí)別。這是由于一個(gè)肢體姿態(tài)可以由少量的骨骼點(diǎn)序列信息高效表示，大量減少了人體姿態(tài)的信息冗余，增加對(duì)作業(yè)人員人體姿態(tài)識(shí)別的可解釋性。近年來(lái)有許多學(xué)者在人員動(dòng)作、姿態(tài)識(shí)別領(lǐng)域做出了大量貢獻(xiàn)，經(jīng)典的姿態(tài)識(shí)別算法有AlphaPose、pytorchopenpose、PoseC3D、ST-GCN、MobilePose 等[13]。

在該項(xiàng)任務(wù)中，我們需要識(shí)別登臨目標(biāo)人員及姿態(tài)（圖6），在計(jì)算機(jī)中重建人體關(guān)節(jié)和肢體并進(jìn)行可視化表達(dá)，其難點(diǎn)在于降低模型分析算法的復(fù)雜程度，并能夠適應(yīng)各種多變的情況、環(huán)境，特別是復(fù)雜的海上作業(yè)環(huán)境對(duì)圖像產(chǎn)生的各種不良影響。最終該項(xiàng)任務(wù)輸出的是一個(gè)高維的姿態(tài)向量，而不是某個(gè)類別的類標(biāo)，這就意味著研究需要一個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)的是一個(gè)從高維觀測(cè)向量到高維姿態(tài)向量的映射。

圖6 姿態(tài)識(shí)別示意圖

3.2 船舶升沉運(yùn)動(dòng)檢測(cè)及預(yù)測(cè)

船舶隨波浪運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的精準(zhǔn)預(yù)測(cè)是進(jìn)行波浪補(bǔ)償、實(shí)現(xiàn)精確控制、保障作業(yè)安全的重要基礎(chǔ)。本系統(tǒng)內(nèi)置運(yùn)動(dòng)狀態(tài)預(yù)測(cè)模塊，可基于現(xiàn)場(chǎng)傳感信息自動(dòng)建立并實(shí)時(shí)更新運(yùn)動(dòng)預(yù)測(cè)模型，短臨預(yù)測(cè)（3~5 個(gè)控制周期）準(zhǔn)確度可達(dá)95%，長(zhǎng)時(shí)預(yù)測(cè)（1個(gè)波浪運(yùn)動(dòng)周期）準(zhǔn)確度接近80%，可為作業(yè)人員在甲板上的下放與分離環(huán)節(jié)的精確控制提供模型。

船舶升沉運(yùn)動(dòng)檢測(cè)及預(yù)測(cè)可采用激光測(cè)距或微機(jī)電系統(tǒng)（Microelectro Mechanical Systems，MEMS）運(yùn)動(dòng)傳感器測(cè)量等方式?？紤]到盡量簡(jiǎn)化石油平臺(tái)系統(tǒng)來(lái)使系統(tǒng)簡(jiǎn)單、可靠等因素，采用北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)+MEMS 運(yùn)動(dòng)傳感器測(cè)量的方式進(jìn)行測(cè)量。北斗能夠?qū)崿F(xiàn)船舶位置的測(cè)量，同時(shí)還能夠與平臺(tái)上的北斗進(jìn)行絕對(duì)高程和相對(duì)高差的測(cè)量。MEMS陀螺儀利用科里奧利力——旋轉(zhuǎn)物體在有徑向運(yùn)動(dòng)時(shí)所受到的切向力，測(cè)量徑向加速、科里奧利加速度和切向加速度，通過(guò)計(jì)算獲取運(yùn)動(dòng)物體的運(yùn)動(dòng)方向、距離等。可以將陀螺儀裝置于控制終端，放置在甲板上進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量結(jié)果如圖7 所示。

圖7 基于北斗/MEMS 傳感器組合的甲板起伏測(cè)量

3.3 波浪預(yù)測(cè)與補(bǔ)償

根據(jù)陀螺儀實(shí)時(shí)測(cè)量的船舶甲板高度數(shù)據(jù)，采用深度學(xué)習(xí)算法建立船舶升沉預(yù)測(cè)模型，具體流程如下。

首先，工作船攜帶登臨系統(tǒng)控制主機(jī)采集多次出海作業(yè)時(shí)海平面波浪的起伏數(shù)據(jù)，使用基于時(shí)間序列預(yù)測(cè)的深度學(xué)習(xí)算法如長(zhǎng)短時(shí)記憶神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Long Short-term Memory Networks，LSTM）、循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Recurrent Neural Network，RNN）、雙向遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Bidirectional Recurrent Neural Network，BiRNN）等神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)完成模型的初始訓(xùn)練。

其次，在使用時(shí)，模型根據(jù)采集的前3~5 s 海浪變化數(shù)據(jù)，來(lái)預(yù)測(cè)海浪起伏到最高點(diǎn)的時(shí)刻和最大運(yùn)動(dòng)幅度，從而給登臨裝置的上升和下降控制提供參考。

另外，此模型需具有在線學(xué)習(xí)的功能，能夠不斷地訓(xùn)練新采樣的數(shù)據(jù)，從而邊訓(xùn)練邊預(yù)測(cè)，不斷地提高此預(yù)測(cè)模型的準(zhǔn)確度。

系統(tǒng)控制主機(jī)根據(jù)船甲板升沉測(cè)量和預(yù)測(cè)的高度值來(lái)計(jì)算吊鉤起落的高度，通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)向起重機(jī)和輔助設(shè)備發(fā)送操控指令，實(shí)現(xiàn)吊鉤與甲板相對(duì)位置的恒定或張力恒定?；谇笆鲞\(yùn)動(dòng)預(yù)測(cè)模型實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)控制（超前控制），能夠有效解決海上運(yùn)動(dòng)同步或補(bǔ)償過(guò)程中的滯后性問(wèn)題，最大限度確保作業(yè)安全與搭乘舒適性。

3.4 二級(jí)補(bǔ)償起吊

在高海況下，工作船會(huì)受風(fēng)浪影響進(jìn)行多角度搖擺、俯仰。除垂直升沉以外，還會(huì)進(jìn)行水平位移。由此會(huì)造成登臨人員離開(kāi)甲板時(shí)的位置不在起重機(jī)吊繩的正下方，產(chǎn)生徑向和側(cè)向的偏角（圖8），當(dāng)偏角較大時(shí)，就會(huì)造成登臨人員在空中大幅度擺動(dòng)，從而引發(fā)危險(xiǎn)。為解決這個(gè)問(wèn)題，本文提出兩級(jí)起吊的結(jié)構(gòu)和工作模式，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作原理如圖9 所示。

圖8 徑向偏角和側(cè)向偏角

圖9 兩級(jí)起吊系統(tǒng)機(jī)構(gòu)示意圖

兩級(jí)起吊系統(tǒng)機(jī)構(gòu)的工作流程如下。

第一級(jí)粗調(diào)。工作人員通過(guò)遙控器向平臺(tái)上的起重機(jī)控制系統(tǒng)發(fā)出指令，起重機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)吊臂，放下吊鉤至距離甲板2 m 左右的距離，工作人員將快速收放纜盒子掛到吊鉤上，收放纜盒子下方柔性纜繩放出，另一端掛到工作人員的提升安全帶上。然后，起重機(jī)提起收放纜盒子升至離甲板3 m 處待命。

第二級(jí)快速微調(diào)。工作人員發(fā)出升起指令后，收放纜盒子拉緊柔性纜繩，波浪補(bǔ)償和張力恒定系統(tǒng)開(kāi)始工作，保持合適的張力，待甲板升至波峰時(shí)拉起登臨人員離開(kāi)甲板。再與起重機(jī)配合，將登臨人員提升至平臺(tái)。

這種設(shè)計(jì)有3 個(gè)優(yōu)點(diǎn)：第一，通過(guò)起重機(jī)動(dòng)-靜滑輪組的組合，能夠使吊臂和吊鉤之間由三根纜連接，可以起到防止大幅度的偏角擺動(dòng)；第二，采用獨(dú)立的收放纜盒子，能夠提高波浪補(bǔ)償?shù)撵`敏度和整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性；第三，收放纜盒子可以作為獨(dú)立的產(chǎn)品，具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。

4 結(jié) 論

本文總結(jié)了目前國(guó)內(nèi)外海上平臺(tái)登臨方式，并提出了一種新型海上無(wú)人平臺(tái)登臨裝置的研發(fā)方案。本文根據(jù)安全性仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)后，結(jié)果表示人體的迎風(fēng)阻力約為50 N，繩索傾斜角度為4.766°。當(dāng)平臺(tái)高度為15 m 時(shí)，作業(yè)人員在風(fēng)力作用下水平偏移距離為1.42 m，得出6級(jí)風(fēng)況下人員安全使用新型海上無(wú)人平臺(tái)登臨裝置的臂展長(zhǎng)度。未來(lái)新型海上無(wú)人平臺(tái)登臨裝置的發(fā)展趨勢(shì)將集中在人工智能技術(shù)的應(yīng)用，以提高作業(yè)人員的安全性和工作效率。

通過(guò)人工智能技術(shù)的應(yīng)用，提高登臨系統(tǒng)的環(huán)境適應(yīng)能力和智能控制能力是未來(lái)的發(fā)展方向。智能化裝備具有智能控制屬性和網(wǎng)絡(luò)連接能力，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)海上無(wú)人平臺(tái)登臨裝置的遠(yuǎn)程操控。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，我們需要考慮裝置對(duì)登臨人員和工作船艇的識(shí)別與定位，以及對(duì)現(xiàn)場(chǎng)水文氣象條件的感知和智能調(diào)整。智能化能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備的運(yùn)行狀況，還能提高安全性。有學(xué)者認(rèn)為，安全科學(xué)研究人及技術(shù)和環(huán)境之間的關(guān)系，以建立這三者的平衡共生態(tài)（Equilibrated Sysbiosis）為目的[15]。新型海上無(wú)人平臺(tái)登臨裝置特別要關(guān)注登臨人員的人身安全，減少環(huán)境對(duì)人員和機(jī)械安全性的不良影響，并及時(shí)將設(shè)備檢修和維護(hù)的相關(guān)信息反饋給后勤維修人員。