深水浮式平台一体化海洋监测系统发展现状与国产化探索

何骁勇 李达 陈勇军 王婷婷 贾创

基金项目：中国海油科技项目陵水半潜式生产平台研究专项（批准号：LSZX-2020-HN-05-0402）资助的课题。

作者简介：何骁勇（1982-），高级工程师，从事海洋工程相关仪表自动化、数字化和智能化技术的研究与方案设计工作，hexy2@cnooc.com.cn。

引用本文：何骁勇，李达，陈勇军，等.深水浮式平台一体化海洋监测系统发展现状与国产化探索［J］.化工自動化及仪表，2024，51（2）：145-151；349.

DOI：10.20030/j.cnki.1000-3932.202402001

摘 要 通过对深水浮式平台一体化海洋监测系统的发展历史以及在我国海洋油气平台上的应用现状进行调研，给出了监测设备具体部署以及国产化设备的研制和示范应用情况。通过对现场监测关键传感器设备、系统集成等核心技术进行国产化现状分析与研究，提出国产化研究方向和建议，为打破国外技术垄断、指导深水浮式平台一体化海洋监测系统进一步开展国产化研制提供了依据。

关键词 一体化海洋监测系统 深水浮式平台 国产化 传感器

中图分类号 TP277   文献标志码 A   文章编号 1000-3932（2024）02-0145-08

随着我国海上油气田开发逐渐走向深水、超深水，海洋环境条件越来越恶劣，深水浮式平台的响应越来越难以预测，为了保障深水浮式生产平台在全生命周期内生产作业安全并提高其运维管理效率，充分了解平台的在位状态和实际响应，有必要在平台上设置一套一体化海洋监测系统（Integrated Marine Monitoring System，IMMS）。

通过一体化海洋监测系统对浮式平台的现场海洋环境与运动姿态进行实时监测和分析，有利于全面了解平台的实际运行状态，从而为作业者提供现场决策支持。同时，长期的实测数据有助于及时评估结构的损害和剩余寿命，为平台完整性管理提供数据支持。另外，通过对现场实测数据的分析研究，可以校核和改善数值设计方法，优化设计参数，为以后的项目设计提供可靠的基础。

1 国内外发展和应用现状

1.1 国外发展历史与趋势

世界上第1个海洋浮式油气生产平台的监测系统可以追溯到1987年BMT公司在康菲石油公司的Joliet张力腿平台上安装的性能监测系统（Performance Monitoring System，PMS）。随后，壳牌石油公司为了充分了解平台在恶劣环境中的总体响应，陆续在多个张力腿平台上安装了类似的监测系统［1，2］。

1995年，安装于挪威海域的Heidrun平台是世界上第1座混凝土船体的张力腿平台。为了监测周边环境、平台运动以及张力腿张力等，平台上配置了一套比较完整的海洋监测系统［3］。1996年，世界上第1座Spar平台由Oryx石油公司安装在美国墨西哥湾Neptune油田，平台监测系统从1997年11月开始采集数据，用于研究平台的运动特征、浮体与立管的耦合作用等［4］。平台监测内容包括海洋环境数据、平台位置与姿态数据、系泊缆张力数据、立管顶部张力与相对运动数据等。平台传感器布置如图1所示。

1998年，第1根钢制悬链线立管（SCR）在巴西石油公司Petrobras的P-18半潜平台上成功安装。为了更好地研究SCR的性能和响应特征，在SCR上安装了一套监测设施，用于监测SCR的曲

图1 Neptune Spar平台传感器布置示意图

率、张力、加速度及位移等。监测数据同时用于对SCR的涡激振动现象进行研究［1，5，6］。2001年，

Technip公司开发了一套立管一体化管理（Pipe Integrity Management，PIM）系统，将光纤预埋到柔性立管中，用于监测立管内复杂的力学特性，并对立管端部进行了变形状态的研究［5］。

2002年，英国石油公司在1 650 m水深的Horn Mountain油田安装了一座Spar平台，这是海洋油气领域首次突破了1 500 m的水深限制，步入超深水区域。平台上配备了一套完整的一体化海洋监测系统，能够实现对平台姿态、系泊张力及立管响应等信息的同步测量。

2005年，GRAAF J等通过预置在整条SCR上的光纤应变计对大尺寸SCR在安装过程中的力学响应情况进行了监测和研究［7］。

目前，一体化海洋监测系统已广泛应用于世界范围内的各海上油气开发区域。从墨西哥湾到北海、从南美到西非，从东南亚到澳大利亚，世界上所有深水浮式生产平台几乎都装备有一套一体化海洋监测系统，尽管每个平台的具体监测内容和复杂度不同。国外深水浮式平台安装有一体化海洋监测系统的包括墨西哥湾的Big Foot TLP、Perdido Spar、Appomattox Semi、Turritella

FPSO，北海的Aasta Hansteen Spar、东南亚的

Malikai TLP、Kikeh Spar，南美的Papa Terra TLP及西非的Moho Nord TLP等。

随着传感器、通信、计算机、大数据与人工智能技术的不断发展，深水浮式平台在线监测技术也不断更新；不但监测内容越来越广泛，而且监测数据更实时、更可靠、数据分析和应用更加智能。具体表现在以下几个方面：

a. 更为先进的现场监测设备，耐用、稳定、兼容、可靠、冗余；

b. 海上平台现场监测数据实现本地监测+陆地远程监测的海陆协同；

c. 海上平台现场监测数据实现本地边缘计算+陆地云储存的云边协同；

d. 采用大数据和人工智能技术实现更为准确的数据分析，状态监测、预警与预报；

e. 采用可视化和数字孪生技术，为现场非专业技术人员操作运维提供决策支持。

1.2 国内的应用和发展

我国对海洋平台的监测起步于20世纪90年代，最早是由中国海油在渤海的多条海上浮式生产储卸油装置（Floating Production Storage Off-

loading，FPSO），如明珠号、HYSY112、HYSY113 FPSO上安装了环境监测、应力监测和船体姿态监测设备［8］，近年来又在HYSY118、HYSY119FPSO上安装了单点监测系统，这可以看作是IMMS的早期雏形。我国对海洋平台的监测起步虽然较晚，但经过多年研究和探索，目前也取得了一定的进展。樊哲良等基于渤海多条FPSO的长期结构监测结果，对软刚臂单点系统和极浅水下FPSO的运动性能开展了研究［9］。上海交通大学海洋工程团队依托国家科技重大专项，研发了“深海平台安全保障监测系统”，并且成功应用于我国首座超深水半潜式钻井平台“海洋石油981”［10］。倪学莉等基于南海500 m水深油田的潜在张力腿平台，首次提出了与其相适应的一体化监测系统总体设计方案［11］。但总的来说，我国浮式生产平台的监测仍处于试验验证阶段。

我国第1座采用自主开发的监测系统的平

台是“南海挑战号”半潜式生产平台。“南海挑战号”在1995年完成改造后服务于我国南海流花11-1油田，平台上安装有一套监测系统，传感器布置如图2［12］所示。

2012年坞修时，在平台上安装了一套自主开发的监测系统，监测内容包括海洋环境、平台姿态、结构应力以及系泊系统等［13，14］。依托此项目，同期国内还研制了北斗信息传送软件、系泊系统水下倾角传感器监测装置及夹具等［12］。

“深海一号”能源站是我国首座超深水浮式生产储油平台，于2021年2月安装于水深1 500 m

图2 南海挑战号浮式生产系统（FPS）

传感器布置示意图

的陵水气田，2021年6月正式投产。平台的安全生产和装卸油作业对于作业公司是一项全新的挑战。由于陵水平台是我国第1次采用聚酯缆作为永久系泊系统、第1次采用钢制悬链线立管、第1次采用30年不入坞的平台［15］。为了保障平台在全生命周期内作业安全和提高运维管理效率，平台上安装了一套完整的一体化海洋监测系统，传感器布置如图3所示。

图3 “深海一号”能源站传感器布置示意图

为了加速推进海洋监测设备的国产化应用进程，“深海一号”能源站上还安装了部分国产化监测传感器设备和国产化监测集成软件。表1为国产化和进口监测传感器技术参数的对比，其中进口设备为实际安装在平台上的传感器；国产化设备中上标*代表示范应用安装在平台上的，其他的为基于厂家调研结果的设备。

2 系统软硬件国产化现状

2.1 系统组成

一体化海洋监测系统的总体构成如图4所示，包括传感器设备、机房设备及系统集成软件等。传感器设备根据功能需要，安装布置在平台各处，包括直升机甲板、主甲板、立柱顶部及底部等。为了能充分了解平台在台风恶劣环境下的响应并校核验证数值计算理论和方法，系統一般需配备不间断电源（UPS），用于保证监测系统在台风撤离期间能够正常运行并采集到重要的环境和平台响应数据。UPS后备时间一般不少于72 h。

一体化海洋监测系统中，除了海洋环境和平台姿态外，其他的监测内容一般都自成体系。为了避免相互孤立，一体化海洋监测系统将各监测子系统的数据通过网络集成在一起，在统一的集成软件中进行展示，从而让作业人员能够综合评价平台的整体状态。

一体化海洋监测系统的关键技术包括监测传感器设备、系统集成及软件。

2.2 现场监测传感器设备

一体化海洋监测系统的现场监测传感器设备不仅需要满足海洋环境的高湿度、高温度、高盐度及易腐蚀等要求，还需要适应平台运动（尤其是倾角和加速度）的要求。部分设备对防尘、防水、防爆、防辐射及防雷击等有特殊要求，如风速仪需要防雷击保护措施，温湿压仪需要防辐射保护措施。同时因为监测数据直接影响到平台的运维和生命财产安全，所以系统对于监测设备的精度、灵敏度、可靠性、寿命等也有很高的要求。另外，对于关键监测参数，为了确保数据的可靠性和冗余性，系统需多配置一个同样的监测设备，分别布置在平台的不同位置。

目前深水浮式平台一体化海洋监测系统的现场监测传感器设备主要被欧美公司所垄断。2021年6月安装于中国南海的“深海一号”能源站是我国第1座超深水浮式生产平台，其海洋环境和平台姿态的监测传感器设备采用的都是欧美进口产品。

在海洋环境和平台姿态监测方面，波浪仪、流速仪及平台运动监测仪等属于关键设备。测量波浪参数的主要仪器包括波浪浮标、X-波段雷达等。英国R.S.Aqua、美国Ocean Sensor Systems和挪威Nortek、MIROS公司的测波雷达处于市场领导地位。测量流的主要仪器是声学多普勒流速剖面仪（ADCP），其他的类型还包括旋桨式流速仪、电磁式流速仪等。为了测量整个水柱的流速和流向，深水平台一般需要安装多个ADCP水平型仪表用于测量表面流速和垂直型仪表，用于测量从海底到浮体基线不同深度的流剖面。在流速仪方面，挪威AADI、美国RDI、Teledyne Marine等公司的产品垄断了大部分市场。平台姿态是平台作业者最关心的数据之一，一般通过惯性导航系统INS测量。在平台运动监测方面，美国Inertial Labs和挪威Kongsberg等的运动参考单元（Motion Reference Unit，MRU）产品占据了市场主导地位。

我国国内各类监测传感器虽然厂商众多，但不少是以代理商的形式存在；即便是制造厂商，其传感器的核心元器件大多数仍是依赖进口，真正完全国产化的传感器设备较少。同时部分国产化传感器设备虽然技术参数指标与进口设备相当，但是目前还没有全部应用在海洋浮式平台上，因此其监测范围和精度、可靠性以及寿命等仍待通过实际工程的应用才能得到验证。

2.3 系统集成及软件

系统集成是一体化监测系统最核心和最关键的技术，是将各个传感器信号接入数据采集器，并通过软件进行接收、清洗、储存、显示和分析。传感器的数据采集方式一般采用串口通信（RS422/RS485）或网络方式。集成软件与其他子系统的数据交互则一般采用Modbus或OPC Server进行。

一体化海洋监测系统的传感器设备与数据采集器的连接方式一般有3种形式。最常见的是硬连线形式，主要用于安装在平台上部组块和浮体内部的传感器，采用缆线供电和传送数据，具备安装方便、维护容易及数据传输实时等优点。但是缆线容易损坏，布置需要避免穿过非安全区域等。独立应用形式是将所有相关设备，包括电池和储存卡，整合在一个金属容器内，然后采用水下机器人（ROV）定期取回，更换电池和下载监测数据。独立应用形式虽然安装处理方便、容易，但是取得的监测数据非实时，ROV使用成本高，所以主要用于深水中和海底的结构物监测。声波传输形式介于硬连线和独立应用形式之间，采用电池供电，利用声学调制解调器与平台进行通信和数据传递。安装在平台基线附近的流速仪便采用声波传输。

一体化海洋监测系统的集成软件主要包括数据采集和数据展示分析两个模块。数据采集模块安装于服务器上，用于从各个传感器采集实时测量到的数据，经过过滤和清洗后同步存储于数据库，同时对每一个传感器的运行状态进行监控和显示。数据采集模块一般采用LabVIEW语言进行开发，数据存储一般采用数据库，如开源MySQL。

数据展示分析模块安装于操作台的计算机上，通过友好的人机交互界面将监测数据用图像和表格形式实时进行可视化显示；对异常信号进行预警；对历史数据进行查询、显示及统计分析等。

一体化海洋集成系统集成商的主要工作内容包括监测系统的设计和设备布置，监测传感器及其他设备的采购与安装调试，集成软件的开发以及平台上现场软硬件的联调等。

在系统集成和軟件开发方面，英国BMT公司和Strainstall公司处于主导地位。BMT公司从1987年开始就集成了世界上第1座浮式平台监测系统，到现在已经完成了100多套监测系统。在系泊和立管监测集成方面，美国Stress Engineering、英国Pulse、2H公司等处于市场领先地位。

在我国，虽然早期的监测系统都由国外公司集成，但是近年来多条FPSO平台的监测系统改造和升级以及监测软件的开发和集成等已经开始由国内公司自己主导。2021年6月投产的首座超深水浮式生产储油平台“深海一号”能源站的一体化海洋监测系统软件开发和系统集成就是由国内公司自主完成的。另外，将要投产的我国首座深水圆筒型FPSO的一体化海洋监测系统的集成与软件开发也将由国内公司自主完成。在借鉴国外先进经验的基础上，国产化监测系统集成软件能够更适合中国人的操作习惯，并满足国内海上油气田生产运维的要求，而且能够根据用户需求，及时进行系统软件功能配置与升级。“深海一号”能源站的国产化软件除了具有常规的数据采集和展示功能外，为了满足海上智能生产运维的要求，还首次在监测系统内嵌入了姿态智能预报、压载智能调节和系泊智能调节等智能化功能。

3 国产化探索

3.1 国产化的必要性

一体化海洋监测系统的系统集成和软件开发基本上已经实现了国产化，并逐步应用在新平台和老平台的更新换代上。但是传感器设备大部分仍然依赖进口，或者其中的元器件依赖进口。进口设备（元器件）不但来源垄断、成本高、采购过程复杂并且周期长，而且售后的安装、维护及零部件替换等服务困难。

近年来，我国传感器的电子元器件国产化程度虽然不断提高，但是以微处理器CPU、数字信号处理器DSP等为代表的高端元器件的国产化率还相对比较低［16］。海洋传感器方面，在国家

“863”计划支持下，取得了一定的成效，逐步缩小了与世界先进技术间的差距，但发展水平参差不齐，尤其是在深远海应用方面尚处于初始阶段。例如，我国声学海流剖面测量技术已达到世界先进水平，但波浪测量技术仍有一定的差距。另外，虽然部分测量技术研发水平已接近国际先进水平，但其成果产品转化步伐缓慢，相应产品只限于实验室阶段，缺乏真正的工程应用，产品质量难以提高。总体来说，我国在海洋传感器技术上整体落后欧美国家15～20年。

我国海洋能源开发正逐步走向深远海域，如陵水17-2气田，流花11-1/4-1油田二次开发等，对一体化海洋监测系统的需求越来越多。海洋能源开发产业的健康发展需要具有自主知识产权的国产化技术和设备来支撑。这样不仅能满足产业发展中对于知识储备、技术能力和装备制造的需求，而且还能降低对国外技术、设备和原料的依赖，打破欧美国家的技术垄断，避免核心技术的封锁和“卡脖子”。同时，如果一体化海洋监测设备能逐步实现国产化，还可以：

a. 降低采购成本，缩短供货周期，便于安装和维护；

b. 带动相关产业一起发展，如安装、零部件、产品售后服务等；

c. 自主掌握产品更新换代，开发适合国情的产品；

d. 建立自己的标准体系，增强通用性，易于购买与维修，便于与其他国产化设备相连接；

e. 提升国产品牌技术竞争力，护持民族产业/企业发展。

3.2 国产化分析

我国海洋油气工程开发已成为发展海洋经济的先导性产业。海洋监测设备的国产化是我国建设“海洋强国”的必由之路。海洋监测设备国产化最主要的方向是传感器核心元器件的国产化，这需要一个较长的研究制造、示范应用、改进完善周期：

a. 基础研究。国家应加大在传感器材料、制作工艺等基础性技术研究的投入。

b. 产品转化。我国部分监测技术研发水平和实验室测量范围、精度已接近国际先进水平，但是产品化进度慢。国家需要为这些技术成果提供政策扶持，积极推动其产品转化，尽早形成产业化。

c. 示范應用。在资金许可的情况下，示范工程应该同时配置国产和进口设备。国产设备通过与进口设备在监测范围和精度、长期稳定性、环境适用性、可靠性、使用寿命等方面进行对比与验证后，才能逐步改进和完善。

d. 工程应用。国产化设备只有在不断的实际应用中才能发现问题、改进制造工艺、提高技术性能，逐步达到世界先进水平并推广应用。国家应该鼓励和提倡国内企业（项目）优先采用国产化设备，从而形成规模化应用，降低成本。

虽然在一体化海洋监测系统硬件设备方面，欧美国家应用得比我国早，经验丰富，技术领先，但是对于近年来兴起的物联网、智能化及数字化等高新技术，各国都处于起步探索阶段，这对我国是难得的机遇和挑战。应用物联网、智能化和数字化技术，可以使海洋浮式生产平台升级成为“智慧平台”，甚至是“无人平台”，这就需要大量的高精度、高质量的监测设备和强大的大数据处理分析能力。在软件方面，目前主要用于对监测数据进行图表显示，对历史数据进行基本的分析，利用简单的上下限阈值对异常信号进行预警等。随着大数据和人工智能技术的出现，可以在软件中集成新兴技术，在智能化方面实现弯道超车：

a. 增强预报功能。通过大数据和人工智能方法，基于历史数据，实时预报恶劣环境和平台极端情况；通过自学习自动修订预报的参数，提高预报准确性。这样可以提前预报风险、降低损害、提高生产效率。

b. 增强预警功能。基于现场实测数据和数值分析结果，实时更新预警阈值，尽早发现可能的异常信号，并对预警信号进行原因识别（环境恶劣、传感器读数问题、平台实际发生破损）；对于破损情况，推荐切实可行的消警措施，如压载、系泊调节方案等。

c. 增强可视化。采用数字孪生技术，将平台监测到的姿态性能等数据，采用三维图像或虚拟现实进行显示，让决策者有非常直观甚至身临其境的感觉。

d. 增强校核功能。对监测到的数据实时进行数值计算，可以用于校核监测数据的准确性和可靠性，从而提高监测信号的质量。例如通过对平台横摇纵摇进行谱分析，得到其固有周期，从而推算出平台实际重心高度；通过对平台偏移进行差分计算，可以校核测量得到加速度；通过对平台在两个水平方向的波频运动方差进行计算，可以校核测量得到波浪方向等。

e. “大数据”应用。通过建立我国深水浮式平台监测网络化信息管理系统及陆地数据中心，实现监测数据集中管理；通过对监测“大数据”的分析与挖掘，为海洋工程的科研、设计、生产、运维和完整性管理提供服务。

4 结束语

深水浮式平台一体化海洋监测系统的国产化和核心技术自主可控是我国建设“海洋强国”的必由之路。目前，我国海上深水浮式平台的海洋监测设备大多依赖进口，虽然近年来我国在深水浮式平台一体化海洋监测系统集成与监测软件开发方面取得了一定的发展，但关键监测设备性能指标和可靠性相对欧美发达国家成熟产品还有一定的差距。为了避免技术封锁和“卡脖子”，下一步需要加大科研投入，加强关键核心技术攻关，尤其是关键监测设备的国产化研制；制定相关产业政策，给予企业支持和鼓励；协调行业内企业间相互合作，共同发力，我国深水浮式平台的一体化海洋监测系统将完全实现国产化，并且通过依托我国首座超深水浮式生产储油平台“深海一号”能源站以及我国首座深水圆筒型FPSO进行一体化海洋监测系统国产化研制和智能化核心技术攻关，未来有望在深水浮式平台监测系统智能化研究方面实现弯道超车。

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（收稿日期：2023-03-04，修回日期：2024-01-10）

Development Status and Domestication Exploration of Integrated

Marine Monitoring System for Deep-water Floating Platform

HE Xiao-yong1， LI Da1， CHEN Yong-jun2， WANG Ting-ting1， JIA Chuang1

（1. CNOOC Research Institute Co.， Ltd.； 2. Beijing DMAR Marine Technology Co.， Ltd.）

Abstract   Through investigating development history of the deep-water floating platforms integrated marine monitoring system（IMMS）and its research and application there， the specific deployment of monitoring equipment， the development and demonstration application of domesticated  equipment were presented.  Through analyzing domestication status of the on-site key sensors， system integration and other core monitoring technologies， the research direction and suggestions of domestication were put forward to provide a basis for breaking foreign monopoly in the technology and guiding the further development of domesticating the integrated marine monitoring system for deepwater floating platform.

Key words   integrated marine monitoring system， deep-water floating platform， domestication， sensor