FPSO串靠外输安全指挥系统设计与测试＊

郑晓涛 朱进全 余 捷

（中海油能源发展采油服务公司技术中心 天津 300451）

郑晓涛，朱进全，余捷.FPSO串靠外输安全指挥系统设计与测试［J］.中国海上油气，2015，27（6）：122-126.

FPSO采用单点系泊方式作业，可在20～1 000 m水深范围内工作，已被广泛用于浅海、深海和边际油气田的开发［1-3］。目前FPSO外输作业越来越频繁，其安全性受风、浪、流等水文气象及信息交流畅通等条件影响［4-6］。FPSO外输作业是由单点、FPSO、穿梭油轮及拖轮通过串靠方式组成的系统进行的，当FPSO、穿梭油轮及拖轮3条船呈直线排列时为安全状态。FPSO外输作业时间一般较长（12～24 h），外输作业人员在夜间操作时由于客观原因对FPSO和穿梭油轮相对位置观测不及时，等两船相对距离过小或相对夹角过大时往往来不及调整两船的位置关系；尤其当外输作业期间遇到突发天气情况时，提油船长需要依托风速风向、浪高浪向、流速流向、系泊缆拉力、FPSO与穿梭油轮之间相对距离和相对夹角等实时关键数据向拖轮发出拖曳指令，调整FPSO、穿梭油轮和拖轮的位置关系。由于提油船长缺少3条船相对位置关系的直观数据，只能依靠经验来指挥调整，存在发生碰撞、输油软管断裂等安全隐患。

为了规避由于海上原油外输作业所需关键信息缺乏导致指挥人员操作不当而造成的安全事故，同时减轻油轮外输人员的劳动强度，急需设计一套FPSO串靠外输作业安全指挥系统，指挥人员可以根据该系统提供的数字化信息提升外输作业的安全性。本文依托工信部项目“FPSO原油外输系统集成技术研究及关键设备研制”，采用Visual Studio 2010程序开发平台、Moses软件、传感器和GPS定位等技术，设计出一套便于操作的FPSO串靠外输安全指挥系统软硬件系统。该系统通过各种设备采集外输关键参数，通过设在FPSO上的中心站对采集数据进行处理，基于实测数据和作业船资料进行统计学分析得出船体运动状态预报，并以无线通信的方式发送数据至手持终端。

1 系统设计

1.1 硬件设计

FPSO串靠外输安全指挥系统硬件由单点GPS基准站、FPSO中心站、一体测量站、外输参数采集设备、手持终端等组成（图1）。其中，风速仪、浪流仪AWAC和GPS基准站安装在FPSO单点上；系泊缆拉力传感器安装在FPSO缆绳上，配载仪、AIS系统、中心站安装在FPSO船体上，通过电缆先将数据接入多信息号数据集成转化模块，然后将数据信号以网线RJ-45接口的形式接入服务器，服务器通过网线与数传电台进行连接；穿梭油轮上安装一体测量站，由外输指挥人员登船时携带安装。

FPSO串靠外输安全指挥系统工作时，GPS基准站向所有一体测量站和中心站发送实时动态测量差分信息，由一体测量站和中心站完成厘米级定位及船体姿态测量；FPSO上的服务器将监测传感器采集的数据信号经过数据采集器处理后实时显示在屏幕上，同时通过FPSO上的数传电台与穿梭油轮上的数传电台进行数据传输交换，再经WIFI AP转换，实现服务器终端与手持终端机的数据同步。

在外输作业时，一体测量站临时安装在穿梭油轮和拖轮上，用于测量船体的位置、姿态等信息。为了明确各模块的空间位置关系，对一体测量站进行了三维结构设计。FPSO串靠外输安全指挥系统一体测量站结构如图2所示，可以看出，主、从GPS天线由伸缩臂与主机固联，设备不工作时可卸下GPS天线并将GPS天线伸缩臂收回；电台天线采用伸缩式一体天线，不使用时可以一并收回；主机内部高度集成锂电池、AC／DC电源模块、姿态测量模块、双天线GPS模块、中心控制模块和数传电台模块。由此可见，一体测量站结构设计实现了模块化，具有质量配比合理、兼有“防错插”功能、电磁屏蔽性能较好、连接器插接和设备维护方便等特点。

图1 FPSO串靠外输安全指挥系统结构图Fig.1 Structure diagram of safety command system for FPSO tandem offloading operation

图2 FPSO串靠外输安全指挥系统一体测量站结构图Fig.2 Structure diagram of integrated measuring station for FPSO tamdem offloading openation

1.2 软件设计

1.2.1 系统逻辑结构设计

FPSO串靠外输安全指挥系统按逻辑结构分为数据输入、存储与处理、显示输出等3个流程，如图3所示。由图3可知，FPSO串靠外输安全指挥系统有船型数据库、监测数据库、空间数据库、预测数据库、预警数据库等五大数据库，其中由船名、总长、型宽、型深、吃水等船型资料建立船型数据库；监测设备（如风速风向仪、浪流仪、拉力传感器、配载仪、AIS系统）传送监测数据，采取标准化数据格式构建监测数据库；以嵌入FPSO外输作业区域的电子海图为背景，以船形图标显示船舶方位信息并构建空间数据库；借助Moses软件模拟计算FPSO外输作业参数所得结果，并经临界条件过滤判断形成预测数据库；由预先设定的各种预警信息建立预警数据库。

预测数据库是FPSO串靠外输安全指挥系统的核心。基于现场监测数据进行风、浪、流共同作用下的FPSO外输作业参数计算，不仅风、浪、流组合复杂多变，而且FPSO和穿梭油轮的船舶载度随着输油量变化而改变，因此计算的工作量颇大。如果该系统直接集成计算模块，每一次预报均现场计算，且耗时大于0.5 h，那么预测和预警的功能在时效上将失去意义。为了能实时预报，模拟计算结果必须快速反馈，故基于FPSO外输作业所在海域的水动力环境特征，模拟外输作业期间FPSO与穿梭油轮在水流、波浪和风等共同作用下的运动姿态和方位等信息，建立模拟数据库，这样系统在每一次工作时即可迅速调入相应模拟值，为外输作业安全提供决策参考。

1.2.2 模拟数据库构建

模拟计算时，假定流体为均匀、不可压缩、无黏、无旋条件下，流动的基本方程为关于速度势的线性Laplace方程。应用线性理论后，定常空间速度势φ（x，y，z）要满足的控制方程［7］为 Δ2φ（x，y，z）=0。应用叠加原理，线性速度势可分解为入射势φI、绕射势φD和对应于各运动模态的辐射势φMj，即

图3 FPSO串靠外输安全指挥系统逻辑结构图Fig.3 Logic structure diagram of safety command system for FPSO tandem offloading operation

考虑到系泊系统、环境载荷等非线性因素的共同影响，需要采用时域方法进行求解。时域中的运动方程为，为系统的时延函数，Bij为阻尼系数矩阵；t、τ为时间参数，且0≤τ≤t；Gi为系泊缆张力；FiD为波浪载荷；FiW为风载荷；FiC为流载荷。

由FPSO、穿梭油轮以及系缆组成的多浮体系统在风、浪、流等环境载荷和系泊载荷的共同作用下处于平衡，在时域内可根据平衡方程（2）对此多浮体系统进行求解，得到FPSO和穿梭油轮处于平衡位置的运动状态数据。

Chen等［8］阐述了由频域到时域转换的多浮体运动分析方法，表明由此方法可得任意波随时间变化的响应。结合外输系统现状，建立了FPSO串靠外输安全指挥系统数值模拟流程，如图4所示。由图4可知，依据厂家提供的FPSO和穿梭油轮的型值表建立FPSO、穿梭油轮的水动力模型。将FPSO、穿梭油轮划分成面单元，建立系泊系统，定义系统的初始位置及风、浪、流等环境参数，在时域中模拟多浮体运动响应及计算系泊系统的受力。主要分析步骤如下：

1）利用三维势流理论计算船舶在频域中的水动力系数（附加质量、辐射阻尼、波浪力）；

2）通过卷积积分将频域中的水动力系数转换成时域下的水动力系数；

3）根据系泊缆绳的预张力确定其初始参数；

4）计算风力和流力；

5）不计入系缆子系统，求解时域中的运动方程；

6）根据船体的运动计算系泊缆的动力参数；

7）在船体运动方程计入系缆张力后，求解时域运动方程。重复第6步和第7步，直至得到系统的稳态解，得出在模拟时间内FPSO及穿梭油轮所处的位置、运动速度及加速度。

式（2）中：i，j=1，2，…，6，为船体六自由度，包括纵荡、横荡、垂荡、横摇、纵摇和艏摇；Mij为浮体质量矩阵；Aij（∞）为浮体附加质量矩阵；X为浮体的位移向量（包括纵荡、横荡、升沉、横摇、纵摇和艏摇）；Aij为质量惯性矩矩阵；Cij为浮体恢复力系数矩阵；Lij=

图4 FPSO串靠外输安全指挥系统数值模拟流程图Fig.4 Numerical simulation of flow diagram of safety command system for FPSO tandem offloading operation

2 系统测试

FPSO串靠外输安全指挥系统测试的环境条件为：风速≤8.9 m／s，流速≤1.1 m／s，浪高≤2.5 m；测试设备为：设置在单点系统上的GPS基准站、FPSO上的中心站、穿梭油轮和拖轮上的一体测量站。中心站和一体测量站中的3个数传电台之间通过电台天线组成局域网实现FPSO、穿梭油轮和拖轮3条船舶之间的数据传送，再通过在各船舶的工作区域架设WIFI AP及其天线实现服务器、3个手持终端机相互之间信息同步显示。

FPSO串靠外输安全指挥系统测试分为硬件通信测试和软件功能测试两部分。

1）硬件通信测试。FPSO上电台天线与穿梭油轮上电台天线间距约340 m，穿梭油轮上电台天线与拖轮上电台天线间距约200 m，数传电台的输出功率均为5 W，中心站的数传电台天线安装于FPSO的至高点。一体测量站分别设置于穿梭油轮和拖轮驾驶室楼顶的至高点，且一体测量站的双GPS天线与船舶航向保持平行。WIFI AP的输出功率为1 W，在FPSO船尾的至高点、提油船长的舱室内活动区域分别架设WIFI天线，进行WIFI覆盖。测试结果显示：FPSO、穿梭油轮与拖轮之间的信息无数据包丢失；室内外的提油作业区域内手持终端机的WIFI信号均为满格显示；各手持终端机之间、手持终端机与服务器之间的数据传输稳定可靠。

2）软件功能测试。由于穿梭油轮由半载变化到满载过程中发生碰撞风险较大［6］，因而选取了穿梭油轮 的 50%、60%、70%、80%、90%、100% 等 6种载荷，风速≤7 m／s，流速≤3 m／s，采用水动力学模型进行了模拟计算。1次提油作业中设穿梭油轮的载荷 分 别 为 50%、60%、70%、80%、90%、100%等在初始0时刻，先分别计算出FPSO和穿梭油轮在5、10、15 min的经度、纬度和航向的预测值；再借助GPS模块实测出FPSO和穿梭油轮在5、10、15 min的经度、纬度和航向；然后对实测值与预测值的差值取绝对值，即得1次提油作业中FPSO和穿梭油轮在6种载荷下的预测误差值。采用同样的方法在8次提油作业中进行了计算，得到每1种载荷下的8个预测误差值，即得6种载荷下的预测平均误差值，如表1所示。此外，还测试了各监测数据能否及时显示，模拟出现危险状态时系统能否发出预警信息。测试结果显示：系统的监测和预警数据能够及时显示，且运行稳定；对于穿梭油轮6种不同载荷工况，FPSO和穿梭油轮的方位预测精度均基本满足了工程需要。因此，硬件通信和软件功能的测试结果均验证了本文FPSO串靠外输安全指挥系统的可靠性。

表1 FPSO串靠外输时FPSO和穿梭油轮经度、纬度、航向预测平均误差值Table 1 Mean error of prediction of longitude，latitude and course of FPSO and shuttle tanker in FPSO tandem offloading

3 结论

根据FPSO串靠外输安全指挥系统工作原理，分析了在单点、FPSO、穿梭油轮及拖轮上的硬件组成，提出了一种硬件设计技术方案，并对一体测量站进行了一体化模块设计，使其具有“防错插”功能、安装拆卸方便等特点。预测数据库是FPSO串靠外输安全指挥系统的核心，数值模拟计算的工作量较大，为了满足预报和预警的功能时效性需要，依托经典的势流理论建立了模拟数据库，并提出了系统数值模拟技术流程。硬件通信测试与软件功能测试结果均表明，本文设计的FPSO串靠外输安全指挥系统是可靠的，可以提升FPSO外输作业的安全性。

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