基于北斗技术的FPSO 单点监测与预警系统的设计

张智新 苗志旺

（1.中海石油（中国）有限公司蓬勃作业公司 天津市 300459）

（2.中海油信息科技有限公司天津分公司 天津市 300452）

1 引言

浮式生产储油船（Floating Production Storage and Offloading,FPSO）是对开采出来的石油进行油气分离、动力发电、供热、处理含油污水、储存和运输原油产品，集人员居住与生产指挥系统于一体的综合性的大型海上石油生产基地，广泛适合于远离海岸的深海、浅海海域及边际油田的开发，是海上油气田开发的主流生产方式。FPSO 由海底系统、船体系统、系泊定位系统、动力系统、油气处理系统、储油与外输系统等十几个大类组成。系泊定位系统是FPSO 中最有特点的系统，它多采用一个或多个锚点、一根或多跟立管、一个浮式或固定浮筒、一座转塔或骨架来提供足够的系泊力，按系泊方式分为单点系泊和多点系泊。单点系泊系统的主要作用是将FPSO 定位于预定地点，同时起着输送、通信等功能，保证FPSO 在海上可长期持续作业。

根据海上FPSO 生产作业的需要，需要对FPSO 船体位置和姿态进行长时间、连续、准确地监测和危险预警，监测元素包括船体位置（经度、纬度、高程）、航向、姿态（横滚、俯仰）、沉浮、单点的漂移等，并对这些监测元素进行实时分析与展示，当监测数据偏离设定预警值时及时发出告警，同时监测数据要完整记录存储并能够做到随时回调检查。

卫星定位技术是支撑海洋及边远油气田开发的关键核心技术，由于部分FPSO 建造时间较早，当时国内卫星导航定位技术早起仍处于起步阶段，难以满足海油船舶对卫星定位的技术要求，导致国内大部分FPSO 单点监测与预警系统主要是基GPS 定位技术实现的。以往的系统多采用2 台单天线GPS 接收机结合倾斜传感器测定各监测元素数据。GPS接收机主要以单机定位为主，加之系统设备冗余度不足，系统的整体精度和可靠性不是很理想。我国没有对GPS 定位系统运行的控制权，系统一旦出现异常，将可能导致油气生产事故，损失不可估量，这对作为重要国家战略资源的海上石油生产构成了一定的安全隐患。因此必须加快推动北斗高精度导航、定位国产化替代及应用，保障国家能源安全与船舶生产作业安全。

北斗卫星导航系统是我国着眼于国家安全和经济社会发展需要，自主建设、独立运行的卫星导航系统，是为全球用户提供全天候、全天时、高精度的定位、导航和授时服务的国家重要空间基础设施。我国北斗全球卫星导航系统于2020 年7 月31 日正式开通运行，包括北斗数据的DGNSS服务技术也已成熟。在此基础上，自主设计研发基于北斗及DGNSS 定位技术的国产FPSO 单点监测与预警系统，可进一步降低安全生产风险、提高监测系统精度和可靠性、节约生产成本。

本系统将北斗高精度定位系统与专业测量仪器相结合，实现对单点位移和船体六自由度的精确监控。基于北斗高精度定位技术实现单点监测与预警，实现对单点位置、位移数据的监控，对船体六自由度数据的远程监测，对船体三维姿态、定位、定向的实时数据采集与分析，实现单点避碰以保障FPSO 生产安全。

2 系统配置与工作原理

2.1 系统硬件配置

系统硬件主要由3 套定位设备与定姿设备共同组成，系统的硬件配置重点考虑了硬件长时间连续可靠运行能力，并且保证硬件数据具备一定冗余度。采用了双天线DGNSS 接收机使得系统的定位和测向精度均能较好地得到保证。

由于FPSO对设备参数、施工工艺、防爆标准等要求较高，本系统根据FPSO 安全生产要求，将硬件设备安装在特制的防爆箱或防爆机舱内，防爆箱及设备布置见图1。

图1：防爆箱及箱内设备布置图

3 套硬件中其中一套安装在FPSO 船艏部位，其余两套安装在船艉的防爆机舱内，4 个天线分别安装在中控室左右两侧。船艏硬件设备中的双天线DGNSS 接收机数据与倾斜传感器数据通过无线AP 发送到中控室中的路由器上，船艉2 套硬件数据通过网线连接导入中控室中的同一台路由器上，3 台硬件设备数据通过路由器最后连接到控制电脑，接入系统软件。系统设备布置图如图2 所示。

图2：系统设备布置图

2.2 系统软件及主要特点

系统软件设计中重点考虑了长时间连续可靠运行的FPSO 生产要求，采用多个模块化设计，各个模块之间具有良好的协调性又有一定的独立性，各个模块功能简单清晰，简化了软件编制的复杂程度，增加重用行、可扩展性，也增强了软件运行的可靠性，同时可根据用户需求灵活配置、组合，实现平滑升级扩容。

软件设计中同时考虑了用户个性化需求和开放性功能，允许使用人员根据船形、硬件设备配置等不同情况，编辑输入相应的参数，使得系统具备灵活性、可复制性，计算结果更符合实际情况、更加精确。

软件采用VC++设计语言编写，适用于从Windows7 至Windows10 各个操作系统版本，满足不同场景应用。

系统软件由8 大模块组成，分别是：显示主界面、参数设置、数据采集与记录入库、数据主处理、监测与警告、数据实时分析、数据导出、数据回放。

2.2.1 显示主界面

在软件显示主界面上，设置了不同分区，显示不同的信息。通过菜单栏，可完成设置参数、设置告警等级、监测、导出、回放以及退出等功能操作；界面左上角为设备信息，包括北斗和倾斜仪设备的状态、实时采集到的数据，以及根据设备完好性情况所选用的实际使用设备标志等；界面左下角为定位和姿态精度检核信息；界面中间区域为定位显示区域，包括整个施工环境、系泊缆、船舶以及系泊点等；界面右侧为监测结果信息，可显示定位精度与姿态精度的检核情况；界面右上角为船舶监测的角度信息，包括了船舶艏向、垂荡、纵摇和横摇数据；界面右下角为位置信息，包括船舶单点设计、实际坐标，以及相对于设计位置的偏差，另外有缩略图，箭头图标代表船舶，在监测范围内的位置和艏向，以及偏离系泊点的距离。软件显示主界面见图3。

图3：软件显示主界面

2.2.2 参数设置

参数设置模块除了通常需要设置的设备通讯参数和安装初始参数、坐标转换参数、船舶正常、预警限值外，还增加了CAD 设计图导入现场背景、系泊缆、船舶外形等数据，并引进图层管理概念，进行分层着色，减少了对这些数据的重复绘制输入的工作量，显示内容可以更加细致准确。

2.2.3 数据采集与记录入库

采用单独的数据模块，独立完成数据采集与记录入库，引进数据库管理模式，方便数据管理和统计分析，可进行事务处理、决策分析等各种数据处理工作，保证数据完整性的同时，也为数据的事后完整回放提供数据记录。

2.2.4 数据主处理

数据主处理模块主要完成对数据的解码，联合多套设备进行船舶位置、方向和姿态的计算，分析系统安全和健康状态，自动或人工选择最佳设备组合。

2.2.5 监测与警告

监测与警告模块根据报警等级分级，分别计算、统计，并可形成历史报告，输出报警次数、报警时刻，以及最近一次报警时间。

2.2.6 数据实时分析

数据实时分析模块可在整个单点系泊监测过程中，对设备数据质量进行实时监控，并以图文方式进行显示并记录。

2.2.7 数据导出

数据导出模块可以对单个或多个设备的原始数据及统计数据按设定时间段导出到数据文件中，方便对重点设备数据的分析研究，可用于管理人员的决策分析。

2.2.8 数据回放

数据回放模块可根据记录数据实现原始数据级的回放功能，在回放过程中可以任意设置回放时间点和时间段，并可设定回放速度。可为重要事件的追溯还原提供必要的数据依据。

2.3 数据处理过程和可靠性分析

系统设计有一定冗余的设备及数据，采用DGNSS 数据源及较高的GNSS 设备配置，通过细致的数据分析，合理采用这些冗余设备数据，使得系统精度和可靠性得到保障。

2.3.1 数据处理流程

数据处理的主要工作在“数据处理”模块中进行，数据处理模块从数据库中提取设备数据后对数据进行解码，对解码后的数据判断其有效性，若无效则舍弃，若有效，则分别进行单台设备的位置、方向解算；单台解算后进行多天线间的数据组合解算，将解算后的数据与解码后的数据一同进行多设备状态数据精度分析，再进行设备数据统计分析、估计数据质量、计算最优设备数据，解算船舶位置、方向及姿态，进行报警等级计算，再将处理后的数据回传至数据库。数据处理详细流程见图4。

图4：数据处理流程

数据处理模块仅与数据库存在接口，最大限度地避免与软件系统中其他模块的交叉，具有良好的封装性，减小对软件数据处理过程可能的干扰，保证软件运行的安全性和稳定性。

2.3.2 多天线数据组合与最佳数据选取

单点监测要求精确测定FPSO 船的位置、方向和姿态，由于系统硬件采用了双天线DGNSS 接收机和双轴倾斜传感器，单套设备已经具有较高的定位和定向精度，因此理论上可以仅采用一套硬件设备实现FPSO 船的监测工作，但是单套设备不具备数据冗余，可靠性不能得到保证，另外单套设备的双天线安装间距有限，影响定向精度。因此在监测系统中增加了两套设备，拉开多个天线的间距，提高系统监测精度和设备的冗余与备份，使整个系统的可靠性得到提升。

根据设备安装后的标定数据，可以对多套设备之间进行组合，检核天线实测间距与标定结果的差异，可以对各个天线的定位结果精度进行定量的分析。对多个倾斜传感器之间的数据也同样进行分析比较，判断传感器的数据质量和稳定性，最终获得最佳数据组合，计算最佳监测结果。

由于系统中设计了一定的冗余设备，在个别设备产生故障时，只要设备仍然满足最低设备配置要求，系统可以继续正常工作，避免一旦任何设备出现故障系统即刻失去监测功能的问题，同时也不影响在对故障设备维护更换期间的系统正常运行，提高了系统长时间运行能力。

2.4 个性化与开放性

软件系统中设计了允许用户导入CAD 设计文件，CAD文件可以是周围地形图、障碍物、管线、锚链、施工图、船形等。对不同船采用对应的船形数据，可以达到更好的识别性，提供软件在不同船上使用适宜性；环境图的导入使得系统在实现监测与预警功能的同时具有更多的细节及视觉参考；采用直接导入CAD 图的方式，可以避免单独输入图形数据时可能增加的工作量和人为错误。软件系统对系统配置要求具有开放性，允许根据系统设备配置情况，相应地增加或减少设备。

个性化与开放性的设计可以最大限度的增强系统价值，充分考虑了不同情况下系统的硬件扩展、应用扩展、功能扩展等多层面的延伸。保证系统的开放性，以提升系统的可靠性，满足用户需求不断发展变化的要求，便于系统升级与扩展，减少系统的二次开发或定制的工作量。

3 系统应用与效果

目前最新设计研发的“基于北斗技术的FPSO 单点监测与预警系统”在FPSO 船上已经开始试用。与以往同类系统相比较，定位、测姿精度有了明显提高，由于系统软件的个性化和开放性设计，提高了数据输入和管理效率，增强了系统监测功能的直观性，系统运行情况表明该系统达到了设计要求。

本系统的应用在现有高精度导航定位服务场景中降低了对GPS 依赖性，改变了国外垄断海洋高精度位置服务现状，依靠中国北斗系统推进了关键技术国产化，解决“卡脖子”的问题，实现了基于北斗系统的海洋高精度定位服务和高精度定位终端设备安装，符合核心技术国产化的政策要求，将大幅降低海洋石油资源开发成本，实现降本增益。

改变了国外垄断海洋高精度位置服务现状，提升国家海洋卫星导航话语权和主动权，顺应北斗系统行业应用推广趋势，更大程度提高北斗系统的应用范围，符合我国卫星导航的国家战略布局。满足油气行业对北斗高精度位置服务的需求，助力数字化转型、推动企业工业互联网建设，提升我国在海洋高精度定位领域的定价权和议价权，维护国家利益。

今后还需要扩大系统应用范围，进一步检验系统在更长连续运行时间和各种不利使用条件下的运行稳定性和可靠性，并在系统中接入更多的外部设备，形成更加完备的监视与预警系统。