高 峰 黃永清 張陽安 洪 毅 田 佳

(北京郵電大學，北京 100876；2.中海油研究總院，北京 100028)

基于LabVIEW的FPSO陀螺儀3D姿態(tài)實時監(jiān)測系統(tǒng)

高 峰1黃永清1張陽安1洪 毅2田 佳2

(北京郵電大學，北京 100876；2.中海油研究總院，北京 100028)

設計了一套FPSO陀螺儀3D姿態(tài)實時監(jiān)測系統(tǒng)，給出了該系統(tǒng)的軟硬件結構。系統(tǒng)基于LabVIEW虛擬儀器技術的三軸加速度數(shù)據(jù)提取程序，并設計了FPSO運動姿態(tài)實時顯示人機交互界面。實驗室測試結果表明：該系統(tǒng)能實時監(jiān)測并還原FPSO運動實體的姿態(tài)。

3D姿態(tài)監(jiān)測 陀螺儀 FPSO LabVIEW

海上浮式生產(chǎn)儲油裝置(FPSO)作為深水開發(fā)模式的關鍵設施，獲得了廣泛的關注和應用。目前，大多數(shù)FPSO作為海上油田的處理中心，采用的是離岸定位錨泊系統(tǒng)，并且不配備動力航行能力。錨泊方式分為單點系泊和多點系泊，多點系泊在FPSO的首尾各有一根以上的錨鏈將其直接錨泊于海底，限制船的直線運動與旋轉運動，適用于風浪流方向單一的區(qū)域；大部分FPSO的系泊系統(tǒng)屬于單點系泊，允許FPSO繞單點自由轉動，從而減少風浪流的作用力。當前，主流的單點系泊系統(tǒng)為軟鋼臂式(Soft Yoke Mooring)和轉塔式(Turret)[1]。單點系泊系統(tǒng)除自身要受到環(huán)境載荷的作用外，還要平衡來自FPSO的搖蕩運動所產(chǎn)生的慣性作用力[2，3]。此外，單點還是原油管線、動力電纜及通信光纜等關鍵設施的連接點。我國南海是全球海況最惡劣的海域之一，臺風頻發(fā)，對單點系泊FPSO和海上油氣田開發(fā)的安全生產(chǎn)提出了很大的挑戰(zhàn)。目前，對FPSO的實時運動姿態(tài)缺乏有效的監(jiān)測手段，在臺風等惡劣的海況下，F(xiàn)PSO暴露在因姿態(tài)偏移安全的錨泊范圍而導致油氣管線泄漏或電纜/信號纜斷裂的風險之中。因此，F(xiàn)PSO運動姿態(tài)的在線監(jiān)測對深水油氣田開發(fā)的安全運營、安全管理和工程建設有著重要意義。

筆者利用虛擬儀器技術，將高性能的陀螺儀3D姿態(tài)監(jiān)測樣機與高效靈活的數(shù)據(jù)提取[4]以及姿態(tài)還原軟件結合起來，以慣性傳感器作為運動實體，通過編寫三軸加速度提取程序、LabVIEW串口數(shù)據(jù)幀提取程序和3D姿態(tài)實時顯示人機交互界面，完成對運動實體三軸加速度的實時提取和姿態(tài)還原。該系統(tǒng)具有成本低、能耗低和輕便的特點，可實時對運動實體的姿態(tài)進行顯示，應用于海上FPSO的姿態(tài)監(jiān)測中具有極大的潛力。

FPSO運動姿態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的結構如圖1所示，該系統(tǒng)包括硬件部分和軟件部分。硬件部分由慣性傳感器、單片機、數(shù)據(jù)線和PC機構成。慣性傳感器采用ADIS16365，可以感知運動實體的搖蕩運動姿態(tài)。單片機采用ATmega128，通過編程提取傳感器感知的三軸加速度數(shù)據(jù)，濾波處理后經(jīng)RS232串口輸出至PC端。軟件部分包括基于LabVIEW虛擬儀器技術的三軸加速度數(shù)據(jù)提取程序[5]、運動姿態(tài)實時顯示人機交互界面。

圖1 FPSO運動姿態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)結構框圖

VISA是LabVIEW軟件中用于虛擬儀器編程的標準I/O函數(shù)庫總稱，VISA庫駐留于計算機中，是計算機與虛擬儀器之間的軟件層連接，通過高層的應用程序編程接口(API)調(diào)用低層的驅動程序以提取虛擬儀器特征參數(shù)或向虛擬儀器發(fā)布控制指令。LabVIEW運動姿態(tài)數(shù)據(jù)提取程序與PC通信串行接口采用RS232協(xié)議，信息幀格式如圖2所示。數(shù)據(jù)1、數(shù)據(jù)2、數(shù)據(jù)3為三軸旋轉速率，數(shù)據(jù)4、數(shù)據(jù)5、數(shù)據(jù)6為三軸加速度，幀尾為FF，通過幀尾校驗保證數(shù)據(jù)的完整性提取。其中每個數(shù)據(jù)皆由4位十六進制字符串組成，信息傳輸速率115 200bit/s。

圖2 運動姿態(tài)信息幀格式

運動姿態(tài)監(jiān)測樣機和實時顯示人機交互界面如圖3所示。該樣機由慣性傳感器、三軸加速度數(shù)據(jù)采集單片機和外圍電路構成，搖蕩運動姿態(tài)通過慣性傳感器ADIS16365感應并映射為運動姿態(tài)信息幀，數(shù)據(jù)采集單片機對信息幀進行濾波去噪和同步處理，傳輸至PC機LabVIEW軟件進行數(shù)據(jù)存儲和姿態(tài)還原。

圖3 姿態(tài)監(jiān)測樣機和運動姿態(tài)實時顯示人機交互界面

2 實驗測試

FPSO的艏-艉(前后)方向稱縱向，用X表示；左-右舷(左右)方向稱橫向，用Y表示；上甲板-船艙底(上下)方向稱垂直方向，用Z表示。人為改變姿態(tài)監(jiān)測樣機在X、Y、Z方向的加速度和繞Z軸的旋轉速率，可以定性模仿FPSO在海上遇到的前后、左右、上下起伏和繞單點的旋轉運動姿態(tài)，如圖4所示。

圖4 運動姿態(tài)監(jiān)測樣機實驗室測試結果

圖4是采用虛擬儀器技術提取的姿態(tài)監(jiān)測樣機XYZ三軸加速度數(shù)據(jù)，其運動姿態(tài)和相關參數(shù)可實時顯示于LabVIEW人機交互界面。圖4a是模仿較為平靜的海面，旋轉速率為零時，姿態(tài)監(jiān)測樣機在X、Y、Z3個方向隨機起伏運動的加速度。圖4b模仿繞Z軸旋轉速率不為零時，且橫向起伏運動變化劇烈的情況，可見左下角代表橫向的曲線劇烈波動，右下角代表繞Z軸旋轉速率的曲線呈現(xiàn)周期性變化。

3 結束語

設計了一套低成本、低能耗、輕便的FPSO陀螺儀3D姿態(tài)實時監(jiān)測系統(tǒng)，闡述了該系統(tǒng)的軟硬件組成，將陀螺儀3D姿態(tài)監(jiān)測樣機與基于LabVIEW虛擬儀器技術的數(shù)據(jù)提取、姿態(tài)還原程序結合起來，以慣性傳感器作為運動實體，將XYZ三軸加速度數(shù)據(jù)映射并還原為運動姿態(tài)，實時顯示于人機交互界面，所有三軸加速度和旋轉速率數(shù)值均可從后臺讀取并存儲。利用該系統(tǒng)可檢測海上FPSO的整體運動姿態(tài)，當運動數(shù)據(jù)超過預警值后，及時向操作人員和陸上終端發(fā)出報警，即使在臺風撤離無人值守期間也能實時提取關鍵數(shù)據(jù)，以實現(xiàn)臺風天氣或其他惡劣海況下的預警保護作用。為了實現(xiàn)這個目標，還需進一步研究該實時監(jiān)測系統(tǒng)在FPSO上的最佳布設方案、船體姿態(tài)還原數(shù)據(jù)與系泊受力特征值之間的統(tǒng)計關系，以確定最佳的姿態(tài)預警值。

[1] 呂立功，景勇，溫寶貴，等．FPSO系泊系統(tǒng)設計上的考慮[J]．中國造船，2005，46(z1)：348～356.

[2] 亓俊良.FPSO單點系泊監(jiān)測系統(tǒng)設計與應用[J].中國海上油氣，2014，26(z1)：31～34.

[3] 劉振國，楊貴強.服役期FPSO面臨的挑戰(zhàn)及應對措施[J].資源節(jié)約與環(huán)保，2012，(5)：123～130.

[4] 李亞軍，尤文卿，藺亞軍，等.基于實時數(shù)據(jù)庫的換熱器實時監(jiān)測管理系統(tǒng)[J].化工機械，2011,38(4):475～476,494.

[5] 宋文龍，劉湘晨，周曉，等.基于Matlab和Solidworks的水輪機葉片設計和三維建模[J].化工機械，2015,42(1)：93～96.

AReal-timeSystemforMonitoringFPSOGyro’s3DPostureBasedonLabVIEW

GAO Feng1, HUANG Yong-qing1, ZHANG Yang-an1, HONG Yi2, TIAN Jia2

(1.BeijingUniversityofPostsandTelecommunications,Beijing100876,China; 2.CNOOCResearchInstitute,Beijing100028,China)

A novel FPSO gyro’s 3D posture monitoring system was designed, including its software and hardware structure and human-machine interface for the real-time display of FPSO moving posture. The system has LabVIEW’s triaxial acceleration data based to extract the procedure. Laboratory tests show that this system can monitor and restore the state of FPSO moving object at real time.

3D posture monitoring, gyro, FPSO, LabVIEW

TH865

A

1000-3932(2016)02-0151-03

2015-04-14(修改稿)