AIS在FPSO原油外输作业中的设计应用
2016-01-18朱进全,郑晓涛,董海杰
AIS在FPSO原油外输作业中的设计应用
朱进全,郑晓涛,董海杰
(中海油能源发展采油服务公司,天津 300452)
摘要：为了利用已有设备给提油作业指挥人员提供关键参考依据，提出集成AIS系统的方法。实例分析AIS的数据解码过程，验证集成AIS数据的可行性。对于AIS解码后的GPS定位数据，借助Visual Studio程序开发平台设计C#语言程序，并图形化显示FPSO、穿梭油船和拖轮相对位置关系。设计FPSO与穿梭油船的相对距离计算流程，并划分不同报警等级，实现对危险状态的报警，减轻外输作业关键人员的劳动强度，降低外输作业风险。
关键词：FPSO; AIS; 外输作业; 数据解码; 设计应用
DOI:10.3963/j.issn.1671-7953.2015.05.031
中图分类号：U662;P751
文献标志码：A
文章编号：1671-7953(2015)05-0113-04
收稿日期：2015-07-30
作者简介：第一朱进全(1983-)，男，硕士，工程师
Abstract:In order to use the existing equipment to provide reference for oil extraction command staff, the method of integrated AIS system is proposed. The data decoding process of AIS is analyzed, and the feasibility of integrating AIS data is verified. For AIS decoding of GPS positioning data, C# language program is designed with the aid of visual studio programming platform. The relative position relationship of FPSO, shuttle tanker and tugboat is displayed in graphical form. The calculation procedure of the relative distance between the FPSO and the shuttle tanker is designed, and it is divided into three different alarm levels to realize alarm of the dangerous state, reduce the labor intensity of the key personnel of the outer transportation, thereby reducing the outer transmission operation risk.
修回日期：2015-09-01
资助项目：工信部项目(2012533)；海油发展英才计划(HYFZ-YCJH-CY2014-04)
研究方向:海洋石油装备(FPSO)的科研管理
E-mail:zhujq@ cnooc.com.cn
近年来，随着浅海和近海所剩的油气资源越来越少，而深水、超深水占全部海上油气资源量的30%～40%，勘探开发深海油气势在必行。对于开发深海和超深海油气田，固定式平台无论技术还是经济性都不可行[1]。浮式生产储卸油装置(FPSO)能够在油田寿命期间保持在远离陆地的作业现场，只需在海上进行年检，通常设计成能够抵御100年重现期的风暴，因而广泛应用于深海油田的开采作业[2-3]。一般而言，深海的气象环境较恶劣，FPSO选择串靠外输方式把原油输送至穿梭油船上。FPSO、穿梭油船与拖轮之间呈一条直线排列时，是最安全状态，目前只能依靠人员目测来判断或者调整3艘船舶之间相对位置关系。一次外输作业时间长达十几h，一旦外输作业期外输作业间出现突变恶劣海况，尤其在外输作业中后期阶段，FPSO与穿梭油船之间相对夹角变大、相对距离变小，发生船体碰撞的概率颇大[4-7]。
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”和海油发展英才计划课题“FPSO原油外输监测系统研究”，集成FPSO上已有的AIS系统、系泊缆拉力传感器和风速风向仪，新购置了通讯模块和GPS模块等设备，开发了FPSO原油外输安全保护系统。该系统的一项重要功能是实时监测FPSO、穿梭油船与拖轮之间相对位置关系，当监测到FPSO与穿梭油船之间相对夹角和相对距离超过设定的报警值时，能够自动发出语音和文字报警，解决了提油船长在外输指挥作业时缺少实时关键参考依据的问题。AIS系统能为该系统提供外输作业区域内的所有装有AIS系统的船舶的航向、经度和纬度数据[8-9]，尤其在GPS模块失效时，仍然能解码外输作业船舶的AIS定位数据，并计算出FPSO和穿梭油船之间相对距离，从而实现监测、报警功能。
1AIS系统的解码
1.1采集AIS数据
AIS系统是在甚高频海上移动频段采用自组织时分多址接入方式自动广播和接收船舶动态、静态等信息以便实现识别、监视和通信的系统[10]。按照国际海事组织的要求，500 t以上船舶均须配备AIS系统。一般的AIS系统定位精度达到10 m，如果其GPS 模块支持GPS 伪距差分功能，对AIS信息处理模块软件稍加处理升级，即可实现单GPS系统的差分高精度定位引航[11]。
AIS 系统提供了以串行方式输出本船及目标船的动静态信息的用户接口，以便其他系统共享AIS的信息。本项目集成的AIS系统的输出端口类型为RS-232，安装在FPSO报房机柜内，通过RS-232接口输出的AIVDM格式(符合IEC61162-1 )的数据是AIS通信协议的数据。直接将接口连接至PC的RS232接口，并设置波特率38 400，1位起始位，8位数据位，1位停止位，即可获取该数据，从而验证了集成AIS数据的可行性。
1.2AIS信息解码实例分析
为了解决信息更新率与数据容量(VDM消息的语句长度≤82个字符)的矛盾，国际电工委员会推出了数据封装的暗码，其格式为：!aabbb, x , y , z, u ,c-c,v*hh< CR>
由图1可见，解码方法：依据数据接收处理的总流程，依次检查语句头和校验头，再计算校验和。若均通过，则判断报文有效，提取报文ID，具体分解报文内容，进行存储、计算和显示。
以“!AIVDM,1,1, ,A,168sJEP001`K062FCH`UDnin0@S4,0*59”为例，该消息的内容为压缩字符码，按照GB/T 20068中的6位ASCII码表，将其转换为6 bit 二进制码：000001 000110001000111011011010010101100000000000 000000 000001 101000 011011 000000 000110 000010 010110 010011 011000 101000 100101 010100 110110 110001 110110 000000 010000 100011 000100。然后编辑C#语言程序进行各项内容的解码，求取结果见表1。
图1 AIS数据接收处理流程
表1 船位报文解码结果
2AIS在外输作业中的设计应用
2.1船舶位置的监测
图2为AIS数据的显示界面。
图2 AIS数据的显示界面
由图2a)可知，在FPSO原油外输安全保护系统软件主界面中，AIS数据主要实现以下功能：在以单点系统为中心，半径为2 km的圆形范围内，动态显示船舶的MMSI号、经度、纬度、航向和航速等信息，并指引船型图标在电子海图上模拟船舶的航行情况，即为提油船长直观了解FPSO、穿梭油船和拖轮三艘船舶之间的相对位置关系提供技术支撑。单击“AIS系统信息”模块，可以查看AIS系统监测的所有船舶位置数据、航行数据等详细信息，能为提油船长提供其关注的船舶其他重要参数，见图2b)。
2.2船舶间距计算
软件系统根据录入当前外输作业的穿梭油船和拖轮信息，从FPSO的AIS系统获得对应MMSI号的航行信息，提取其中的GPS定位信息，利用3艘船的GPS定位信息和船型信息，在Visual Studio程序开发平台上编辑C#语言程序，计算FPSO与穿梭油船的相对距离。具体的计算流程[12]见图3。
图3 船舶间相对距离计算流程
2.3危险状态的报警
FPSO串靠外输作业一般采用FPSO，穿梭油船，拖轮协同作业的方式，由拖轮的船艉通过拖缆牵引穿梭油船的船艉，穿梭油船备车但不输出动力，穿梭油船的船艏再通过系泊缆连接FPSO的船艉，而FPSO的船艏围绕单点系统做圆周运动。正常情况下，系泊缆始终保持张力状态，系泊缆的长度为一定值(如70 m)，FPSO与穿梭油船的相对夹角θ和相对距离L存在关系见表2。
表2 FPSO外输作业报警等级表
由表2知，以相对夹角分别取值20°、30°和45°作为报警等级临界值，得到FPSO外输作业报警等级表。一种特殊情况是，即系泊缆破断，系统直接发出一级报警。
由图4可知，软件系统中实现报警功能的流程。利用AIS系统实时计算出FPSO与提油船的相对距离，当进入报警等级范围内时，系统可自动发出对应报警等级的语音和文字报警，报警信息在软件“告警信息”标题下滚动播放，直至属于安全范围时，报警解除，如图4所示。
图4 报警功能实现流程
外输指挥人员参考报警信息，发出有效的指令，从而保证外输的安全。同时，软件系统存储预警信息数据，以供后期调用。
3结论
1)提出集成AIS数据的方法，实例分析AIS的数据解码过程，从而验证集成AIS数据的可行性。
2)对于AIS解码后的GPS定位数据，借助Visual Studio程序开发平台设计C#语言程序，图形化显示FPSO、穿梭油船和拖轮相对位置关系，为提油船长提供实时关键参考数据。设计FPSO与穿梭油船的相对距离计算流程，并划分3个不同报警等级，实现了对危险状态的报警，同时减轻了外输关键人员的劳动强度，从而降低了外输作业风险。
参考文献
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Application of AIS in Design of Crude Oil Outer Transportation of FPSO
ZHU Jin-quan, ZHENG Xiao-tao, DONG Hai-jie
(CNOOC Energy Technology & Services-Oil Production Services Co., Tianjin 300452, China)
Key words: FPSO; AIS; outer transportation; data decode; design application
