甄興偉，呂瑩瑩，段秋陽(yáng)，杜文杰，寧軼男，黃一

大連理工大學(xué) 船舶工程學(xué)院，遼寧 大連 116024

水下生產(chǎn)系統(tǒng)是當(dāng)今實(shí)施深遠(yuǎn)海油氣資源開(kāi)發(fā)生產(chǎn)的尖端裝備，不僅能夠提高采收率、解決油井產(chǎn)出物的處理和輸送問(wèn)題，而且受強(qiáng)風(fēng)、巨浪以及表面強(qiáng)流等海面災(zāi)害性海洋環(huán)境要素影響較小，因此備受關(guān)注并蓬勃發(fā)展。然而，在深遠(yuǎn)海，以海床為支撐基礎(chǔ)的水下生產(chǎn)系統(tǒng)存在以下技術(shù)局限性：水下生產(chǎn)及工藝設(shè)備的技術(shù)性能要求高，設(shè)計(jì)和制造工藝復(fù)雜，造價(jià)高昂；安裝、維修和維護(hù)工藝復(fù)雜，操作難度大；流動(dòng)保障困難。

針對(duì)水下生產(chǎn)系統(tǒng)的上述局限性，一種深海人工海床（deepwater artificial seabed，DAS）系統(tǒng)[1]被提出，該系統(tǒng)通過(guò)建立大型水下承載平臺(tái)，在充分降低強(qiáng)風(fēng)、巨浪、表面強(qiáng)流和海底超高壓等災(zāi)害性海洋環(huán)境要素的影響基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了“淺海水下生產(chǎn)系統(tǒng)”在深海油氣開(kāi)發(fā)生產(chǎn)中的拓展應(yīng)用，降低了現(xiàn)行水下生產(chǎn)及工藝設(shè)備的性能要求及安裝維護(hù)的工藝要求。

近年來(lái)，大型水下承載平臺(tái)在深海油氣田開(kāi)發(fā)活動(dòng)中得到日益廣泛的關(guān)注，主要應(yīng)用于混合式立管，綜合了剛性立管和柔性立管的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。平臺(tái)主要包括剛性立管支撐平臺(tái)（單線偏移立管[2]、同軸偏移立管[3]、集輸混合偏移立管[4]等）和鋼懸鏈線立管支撐平臺(tái)[5]。相關(guān)研究成果為深海人工海床系統(tǒng)的技術(shù)可行性和優(yōu)越性提供了有力的技術(shù)佐證。

大連理工大學(xué)甄興偉副教授課題組長(zhǎng)期專注于深海人工海床系統(tǒng)設(shè)計(jì)和性能分析的基礎(chǔ)研究工作，具有較深厚的研究基礎(chǔ)。本文主要論述甄興偉副教授課題組在深海人工海床系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析關(guān)鍵技術(shù)方面的研究進(jìn)展，并對(duì)今后的研究重點(diǎn)進(jìn)行了展望。

1 深海人工海床系統(tǒng)技術(shù)概述

深海人工海床系統(tǒng)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)原理[1]是采用多級(jí)子生產(chǎn)系統(tǒng)（海面、水中、海底）的分層設(shè)計(jì)。首先在海面下適當(dāng)深度的“淺海環(huán)境”處建立一個(gè)水中承載平臺(tái)，即人工海床，人工海床通過(guò)張力系泊系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)定位。在此基礎(chǔ)上，剛性立管提升海底井口至水中，并聯(lián)合淺海水下生產(chǎn)設(shè)備和工藝設(shè)備設(shè)置于人工海床。接著通過(guò)柔性跨接管纜建立人工海床與海面浮式生產(chǎn)設(shè)施（floating production unit，F(xiàn)PU）的聯(lián)系通道。深海人工海床系統(tǒng)主要由以下4 部分結(jié)構(gòu)組成：人工海床、張力系泊、剛性立管和柔性跨接管，如圖1 所示。表1 系統(tǒng)總結(jié)了深海人工海床系統(tǒng)的設(shè)計(jì)特征。

圖1 深海人工海床系統(tǒng)

表1 深海人工海床系統(tǒng)設(shè)計(jì)特征

綜上可知，深海人工海床系統(tǒng)的突出優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1）人工海床位于海面下適當(dāng)深度，充分降低了強(qiáng)風(fēng)、巨浪、表面強(qiáng)流和海底超高壓等災(zāi)害性海洋環(huán)境要素的影響，具有良好的在位服役性能；

2）水下生產(chǎn)及工藝設(shè)備設(shè)計(jì)安裝在位于“淺海深度”的水中井口上，實(shí)現(xiàn)了淺海水下生產(chǎn)及工藝設(shè)備在深海的拓展應(yīng)用，降低了深海水下生產(chǎn)及工藝設(shè)備的性能要求及安裝和維護(hù)的工藝要求；

3）低溫海床上無(wú)長(zhǎng)距離的海底管線回接，易于滿足流動(dòng)保障要求。

2 概念設(shè)計(jì)

深海人工海床系統(tǒng)作為一種新原理深海油氣生產(chǎn)和外輸系統(tǒng)，其概念設(shè)計(jì)方法尚無(wú)直接的規(guī)范或指南可以遵循。鑒于此，黃一等[6]提出了一種交互式的設(shè)計(jì)方法，如圖2 所示。從中可以看出，深海人工海床系統(tǒng)的概念設(shè)計(jì)是一個(gè)不斷調(diào)整、螺旋式上升的過(guò)程，需要各設(shè)計(jì)工作的交互實(shí)現(xiàn)。值得注意的是，人工海床結(jié)構(gòu)型式的設(shè)計(jì)有2 個(gè)演變階段，如圖3 所示。

圖2 深海人工海床系統(tǒng)交互式設(shè)計(jì)方法[1]

圖3 人工海床結(jié)構(gòu)型式演變

第1 階段：桁架式海星單體構(gòu)型[1]。該型人工海床由封閉式的浮筒本體和開(kāi)放式的桁架結(jié)構(gòu)組成，桁架結(jié)構(gòu)連接在浮筒本體外緣，向外延伸成懸臂梁結(jié)構(gòu)，各自?shī)A角120°。開(kāi)放的桁架式懸臂結(jié)構(gòu)具有良好的水動(dòng)力特性，且以最少的系泊纜繩數(shù)量（3 根）有效約束了人工海床運(yùn)動(dòng)，簡(jiǎn)化了系泊工藝；但其單體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)難以同時(shí)滿足剛性立管和系泊纜繩的不同頂張緊力需求，且三點(diǎn)定位的安全裕度不足。

第2 階段：組合式多體構(gòu)型[7]。該型人工海床由外層平臺(tái)和內(nèi)層浮力罐組成，內(nèi)層浮力罐和外層平臺(tái)分別提供剛性立管和系泊纜繩所需頂張緊力。

3 優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 柔性跨接管長(zhǎng)度優(yōu)化設(shè)計(jì)準(zhǔn)則建立

柔性跨接管建立了FPU 和人工海床的聯(lián)系通道，是深海人工海床系統(tǒng)關(guān)鍵子結(jié)構(gòu)。基于運(yùn)動(dòng)耦合分離的設(shè)計(jì)原理，柔性跨接管長(zhǎng)度優(yōu)化設(shè)計(jì)準(zhǔn)則的建立至關(guān)重要。現(xiàn)行工程設(shè)計(jì)準(zhǔn)則是基于經(jīng)驗(yàn)選擇的FPU 與人工海床水平跨距的1.4～1.6倍[7]，缺乏理論依據(jù)，且未建模人工海床深度與經(jīng)濟(jì)性要素影響。針對(duì)上述問(wèn)題，甄興偉等[8]基于懸鏈線理論建立了綜合水平極限跨距、人工海床深度以及經(jīng)濟(jì)性的高精度柔性跨接管長(zhǎng)度優(yōu)化設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，核心思想是確定柔性跨接管的最小長(zhǎng)度以平衡其運(yùn)動(dòng)耦合分離設(shè)計(jì)要求和經(jīng)濟(jì)性要求之間的矛盾，其表達(dá)式為

式中：lcrit為柔性跨接管的最優(yōu)設(shè)計(jì)長(zhǎng)度，sfar為柔性跨接管的最大水平跨距，d為人工海床潛沒(méi)深度。

圖4 和圖5 分別建立了在不同水平跨距和人工海床潛沒(méi)深度下的柔性跨接管頂張緊力與長(zhǎng)度的數(shù)值關(guān)系。

圖4 不同水平跨距下柔性跨接管頂張緊力與長(zhǎng)度關(guān)系[8]

圖5 不同潛沒(méi)深度下柔性跨接管頂張緊力與長(zhǎng)度關(guān)系[8]

從中可以發(fā)現(xiàn)，存在關(guān)聯(lián)柔性跨接管最小頂張緊力的最優(yōu)設(shè)計(jì)長(zhǎng)度，且數(shù)值結(jié)果與式（1）的理論結(jié)果吻合良好，證明了柔性跨接管長(zhǎng)度優(yōu)化設(shè)計(jì)準(zhǔn)則的有效性和準(zhǔn)確性。

3.2 基于試驗(yàn)設(shè)計(jì)和代理模型的立管系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

深海人工海床立管系統(tǒng)由柔性跨接管和剛性立管組成，建立了FPU 與海底井口的聯(lián)系通道，是深海人工海床系統(tǒng)的關(guān)鍵子結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)基于經(jīng)驗(yàn)的立管串行設(shè)計(jì)方法存在大量反復(fù)性嘗試與修改計(jì)算，立管總體設(shè)計(jì)效率低下，并缺乏多目標(biāo)的均衡考慮，失去系統(tǒng)整體最優(yōu)解。

針對(duì)上述問(wèn)題，吳佳豪[9]提出了一種基于試驗(yàn)設(shè)計(jì)和代理模型的立管整體優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，以提升立管系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)效率。該方法建立了立管系統(tǒng)優(yōu)化模型：

式中：X為設(shè)計(jì)變量，f(X)為目標(biāo)函數(shù)，gj(xi)為約束函數(shù)，cj1為約束函數(shù)的下限，cj2為約束函數(shù)的上限，xi,l為設(shè)計(jì)變量的下限，xi,u為設(shè)計(jì)變量的上限。

深海人工海床立管系統(tǒng)優(yōu)化模型的設(shè)計(jì)變量較多，包括人工海床的潛沒(méi)深度（d）、阻力面積（A）和阻力系數(shù)（Cd），系泊系統(tǒng)的頂部張力（T）、頂部鏈長(zhǎng)（Ltc）和底部鏈長(zhǎng)（Lbc），柔性跨接管的水平跨度（s），剛性立管的頂部張力系數(shù)（FTT）、底部應(yīng)力接頭長(zhǎng)度（Lbsj）、龍骨接頭長(zhǎng)度（Lkj）、外徑（Do）和壁厚（To），過(guò)多的設(shè)計(jì)變量將導(dǎo)致優(yōu)化設(shè)計(jì)效率低下。鑒于此，在優(yōu)化設(shè)計(jì)開(kāi)始前，采用二水平全因子（2k）試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，分析立管系統(tǒng)設(shè)計(jì)變量的靈敏度，從而篩選出對(duì)立管系統(tǒng)有顯著主效應(yīng)的4 個(gè)優(yōu)化設(shè)計(jì)變量，即：人工海床的潛沒(méi)深度、剛性立管的頂部張力系數(shù)、外徑和壁厚。圖6 給出了設(shè)計(jì)變量對(duì)立管系統(tǒng)輸出變量（成本和響應(yīng)）的影響等級(jí)。

圖6 設(shè)計(jì)變量對(duì)輸出變量的影響等級(jí)[9]

為了提升優(yōu)化過(guò)程中深海人工海床系統(tǒng)全耦合動(dòng)態(tài)響應(yīng)的數(shù)值預(yù)報(bào)效率，采用基于反向傳播神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的代理模型快速、準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)了立管系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)響應(yīng)。

3.3 深海人工海床系統(tǒng)多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化

如前所述，深海人工海床系統(tǒng)是由人工海床、剛性立管、柔性跨接管、系泊纜繩等構(gòu)建的多體復(fù)雜工程系統(tǒng)，其設(shè)計(jì)過(guò)程涵蓋水動(dòng)力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)及經(jīng)濟(jì)性等多學(xué)科的理論和分析方法，且學(xué)科之間耦合關(guān)聯(lián)，需要對(duì)各學(xué)科均衡考慮，才能形成完整的深海人工海床系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。鑒于此，吳佳豪等[10-11]系統(tǒng)開(kāi)展了深海人工海床系統(tǒng)的多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化研究工作。

深海人工海床系統(tǒng)總體優(yōu)化劃分為成本、拖曳力和整體運(yùn)動(dòng)響應(yīng)3 個(gè)學(xué)科。其中成本學(xué)科包含了所有全局設(shè)計(jì)變量，且從拖曳力學(xué)科到整體動(dòng)力響應(yīng)學(xué)科，既有數(shù)據(jù)正向傳遞，又有數(shù)據(jù)反饋。圖7 給出了基于多學(xué)科可行策略的深海人工海床系統(tǒng)多學(xué)科優(yōu)化模型，其中成本學(xué)科置于系統(tǒng)級(jí)優(yōu)化層內(nèi)。從中可以看出，系統(tǒng)優(yōu)化層包含所有設(shè)計(jì)變量、約束條件和目標(biāo)函數(shù)。

圖7 深海人工海床系統(tǒng)確定性多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化模型[11]

為了充分考慮深海人工海床系統(tǒng)多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化過(guò)程中不確定性因素的影響，建立了基于區(qū)間模型的深海人工海床系統(tǒng)不確定性多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化模型，如圖8 所示。

從圖8 中可以看出，系統(tǒng)優(yōu)化層為外層優(yōu)化，包含深海人工海床系統(tǒng)的區(qū)間不確定性優(yōu)化模型。

4 水動(dòng)力特性

深海人工海床系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理規(guī)避了表面波對(duì)人工海床的作用，因此需重點(diǎn)考慮海流和內(nèi)孤立波的作用。

4.1 人工海床水動(dòng)力特性研究

為了準(zhǔn)確預(yù)報(bào)深海人工海床系統(tǒng)的動(dòng)力響應(yīng)，人工海床水動(dòng)力系數(shù)的確定至關(guān)重要。甄興偉[1]系統(tǒng)開(kāi)展了桁架式海星構(gòu)型人工海床水動(dòng)力特性研究，并計(jì)算得到了桁架式海星構(gòu)型人工海床的拖曳力系數(shù)，如表2 所示。由于桁架式海星構(gòu)型人工海床由封閉式的浮筒本體和開(kāi)放式的桁架懸臂結(jié)構(gòu)組成，因此采用數(shù)值模擬方法（大渦模擬）獲取大尺度浮筒本體的拖曳力，采用Morison 方程計(jì)算小尺度桁架懸臂結(jié)構(gòu)的橫向拖曳力。另外為了校驗(yàn)所提出的拖曳力系數(shù)數(shù)值預(yù)報(bào)方法的準(zhǔn)確性，采用人工海床深水鉆井（artificial seabed deepwater drilling,ASDD）模型的三維固定繞流試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證[12]。目前，組合式多體構(gòu)型人工海床水動(dòng)力特性的研究工作正在進(jìn)行中。

表2 桁架式海星構(gòu)型人工海床拖曳力系數(shù)

4.2 人工海床內(nèi)孤立波載荷特征研究

大連理工大學(xué)與國(guó)防科技大學(xué)開(kāi)展合作研究，采用物理模型實(shí)驗(yàn)方法系統(tǒng)研究了人工海床潛沒(méi)深度、內(nèi)孤立波波幅和上下層流體深度比對(duì)人工海床內(nèi)孤立波載荷的影響規(guī)律，如圖9所示。

圖9 人工海床內(nèi)孤立波載荷實(shí)驗(yàn)布置

圖10 給出了人工海床模型位于內(nèi)界面，不同波幅下無(wú)因次內(nèi)孤立波載荷的時(shí)歷曲線。從圖10 中可以發(fā)現(xiàn)：隨著先導(dǎo)內(nèi)孤立波波峰逐漸靠近人工海床模型，其受到的水平力和垂向力的絕對(duì)值逐漸增大，并在內(nèi)孤立波波峰經(jīng)過(guò)人工海床模型中心軸時(shí)達(dá)到最大值；此后，隨著先導(dǎo)內(nèi)孤立波逐漸遠(yuǎn)離人工海床模型，其水平力、垂向力的絕對(duì)值逐漸減小至零。人工海床模型會(huì)在尾波列作用下出現(xiàn)小幅震蕩，但震蕩幅值遠(yuǎn)小于先導(dǎo)內(nèi)孤立波產(chǎn)生的載荷幅值。垂向力幅值相較于水平力較小，這是由于流場(chǎng)的垂向速度相對(duì)于水平速度較小。

圖10 人工海床無(wú)因次內(nèi)孤立波載荷時(shí)歷曲線

4.3 波流作用下深海人工海床系統(tǒng)動(dòng)力響應(yīng)特征

甄興偉等[13-17]建立了FPU-DAS 系統(tǒng)全耦合數(shù)值模型，如圖11 所示。

圖11 FPU-DAS 系統(tǒng)全耦合數(shù)值模型

系統(tǒng)研究了深海人工海床系統(tǒng)在波浪-海流聯(lián)合作用下的動(dòng)力響應(yīng)特征，包括系泊系統(tǒng)性能分析、柔性跨接管運(yùn)動(dòng)響應(yīng)分析及剛性立管運(yùn)動(dòng)響應(yīng)分析、干涉分析、強(qiáng)度分析、屈曲分析和疲勞分析。研究結(jié)果表明：波浪運(yùn)動(dòng)對(duì)剛性立管在位性能影響微小，證明了FPU 與人工海床間具有良好的解耦作用；剛性立管的干涉、強(qiáng)度、屈曲和最大疲勞損傷均很好地滿足了設(shè)計(jì)要求。

圖12 給出了人工海床外層平臺(tái)和內(nèi)層浮力罐在極端海況條件下（有義波高Hs=15 m，過(guò)零周期Tz=10.4 s）的縱蕩和垂蕩運(yùn)動(dòng)?？梢钥吹剑簝?nèi)層浮力罐在縱蕩方向上受到外層平臺(tái)的約束，二者運(yùn)動(dòng)保持一致；但在垂蕩方向上，內(nèi)層浮力罐與外層平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了有效解耦，利于保持水中井口系 統(tǒng)的穩(wěn)定性。

圖12 波流聯(lián)合作用下人工海床運(yùn)動(dòng)時(shí)歷曲線

4.4 內(nèi)孤立波作用下系泊人工海床耦合動(dòng)力響應(yīng)

段秋陽(yáng)等[18]提出了一種內(nèi)孤立波作用下的系泊人工海床耦合動(dòng)力響應(yīng)分析方法，具體過(guò)程如圖13 所示。主要步驟包括：在初始化階段，以非線性和色散性參數(shù)為依據(jù)，選擇適用的內(nèi)孤立波理論模型；在靜態(tài)分析結(jié)果中提供人工海床-系泊系統(tǒng)初始狀態(tài)下單元/節(jié)點(diǎn)的位置和受力信息；在動(dòng)力分析中，以Generalized-α 時(shí)間步進(jìn)技術(shù)結(jié)合牛頓迭代法求解模擬時(shí)間內(nèi)耦合系統(tǒng)的動(dòng)力響應(yīng)。

圖13 內(nèi)孤立波作用下系泊人工海床耦合動(dòng)力響應(yīng)分析方法[18]

圖14 給出了人工海床運(yùn)動(dòng)和系泊纜張力的時(shí)歷曲線，其中工況1～3（Case1～3）分別代表人工海床處于上層流體、密度躍層和下層流體。

圖14 內(nèi)孤立波作用下人工海床運(yùn)動(dòng)和系泊纜張力的時(shí)歷曲線[18]

從圖14 中可以看出，張力系泊系統(tǒng)對(duì)人工海床水平方向運(yùn)動(dòng)的約束較小，因此縱蕩運(yùn)動(dòng)顯著，其幅值可達(dá)32.54 m；垂蕩響應(yīng)和縱搖效應(yīng)受內(nèi)孤立波載荷和張力系泊約束，幅值均較小。

5 安全分析

在工業(yè)化應(yīng)用和推廣過(guò)程中，深海人工海床系統(tǒng)的安全性是業(yè)界關(guān)注的焦點(diǎn)。鑒于此，針對(duì)深海人工海床系統(tǒng)面臨的潛在危險(xiǎn)，大連理工大學(xué)與挪威科技大學(xué)聯(lián)合開(kāi)展了原油泄漏風(fēng)險(xiǎn)定量評(píng)估、在線風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)及FPU 作業(yè)安全極限的研究工作。

5.1 深海人工海床系統(tǒng)原油泄漏風(fēng)險(xiǎn)定量評(píng)估

甄興偉等[19]建立了深海人工海床系統(tǒng)原油泄漏風(fēng)險(xiǎn)定量評(píng)估的理論框架，包括：風(fēng)險(xiǎn)分析邊界定義、風(fēng)險(xiǎn)接受準(zhǔn)則建立、危險(xiǎn)辨識(shí)、失效概率分析、失效后果分析、不確定性評(píng)估和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)。其中，危險(xiǎn)事件主要包括水下井口頭泄漏、剛性立管泄漏、水中井口頭泄漏、采油樹(shù)泄漏和柔性跨接管泄漏。圖15 給出了深海人工海床系統(tǒng)的安全屏障原理圖，從中可以確立原油的泄漏路徑及泄漏最終位置。

圖15 深海人工海床系統(tǒng)安全屏障原理[19]

原油泄漏風(fēng)險(xiǎn)定量評(píng)估結(jié)果表明：由于深海人工海床系統(tǒng)的“偏移距”特征，水中及井下設(shè)備的失效對(duì)于人員風(fēng)險(xiǎn)無(wú)明顯影響；相較于已建立的風(fēng)險(xiǎn)接受準(zhǔn)則，只有水下井口頭泄漏的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)水平位于最低合理可行（as low as reasonably practicable，ALAPR）區(qū)域，其余危險(xiǎn)事件的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)水平和經(jīng)濟(jì)風(fēng)險(xiǎn)水平均位于可接受風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域。值得注意的是，深海人工海床系統(tǒng)較低的經(jīng)濟(jì)風(fēng)險(xiǎn)水平對(duì)深海油氣開(kāi)發(fā)商具有較大的吸引力。

5.2 深海人工海床系統(tǒng)在線風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)

深海人工海床系統(tǒng)的主要危險(xiǎn)和事故情況確定為：井控失效、系泊系統(tǒng)失效、壓載系統(tǒng)失效、水下生產(chǎn)設(shè)備與立管系統(tǒng)泄漏與損壞。此外，大量海洋工程事故統(tǒng)計(jì)表明，所辨識(shí)的主要危險(xiǎn)和事故情況的發(fā)生頻率較高。鑒于此，甄興偉等[20]提出基于在線風(fēng)險(xiǎn)建模與決策支持原理為深海人工海床系統(tǒng)的井口系統(tǒng)、系泊系統(tǒng)、壓載系統(tǒng)和外部沖擊防護(hù)系統(tǒng)增加新的安全屏障功能，從而實(shí)現(xiàn)深海人工海床系統(tǒng)內(nèi)在風(fēng)險(xiǎn)水平的降低。如圖16 所示，深海人工海床系統(tǒng)在線風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)和決策支持架構(gòu)包括：組織管理模塊、自主輔助決策模塊、在線風(fēng)險(xiǎn)模型模塊和數(shù)據(jù)收集模塊。案例分析結(jié)果表明：在線風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)和決策支持系統(tǒng)將為作業(yè)人員提供深海人工海床系統(tǒng)在位實(shí)時(shí)風(fēng)險(xiǎn)圖，并對(duì)可能出現(xiàn)的偏差進(jìn)行預(yù)警，低風(fēng)險(xiǎn)水平的偏差將通過(guò)自主輔助決策模塊自動(dòng)糾正；中高風(fēng)險(xiǎn)水平偏差的糾正，自主輔助決策模塊須獲取操作人員的授權(quán)方可實(shí)施。由此可見(jiàn)，在線風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)和決策支持系統(tǒng)能夠幫助相關(guān)作業(yè)人員做出準(zhǔn)確及時(shí)的決策，且避免信息過(guò)載。

圖16 深海人工海床系統(tǒng)在線風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)和決策支持架構(gòu)[20]

5.3 動(dòng)力定位FPU-DAS 耦合系統(tǒng)作業(yè)安全界限預(yù)測(cè)

FPU 動(dòng)力定位系統(tǒng)存在失效風(fēng)險(xiǎn)，主要表現(xiàn)為驅(qū)離（drive-off）和漂移（drift-off）2 種失效模式。在驅(qū)離和漂移2 種失效模式下，F(xiàn)PU 牽引柔性跨接管發(fā)生接近或遠(yuǎn)離人工海床的運(yùn)動(dòng)，均易破壞深海人工海床系統(tǒng)的井口完整性。因此，有必要建立FPU-DAS 耦合系統(tǒng)預(yù)警界限并實(shí)現(xiàn)動(dòng)力定位FPU 作業(yè)安全界限的實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)，從而確保深海人工海床系統(tǒng)的安全運(yùn)行。大連理工大學(xué)與挪威科技大學(xué)主要圍繞動(dòng)力定位FPU 漂移失效模式下深海人工海床系統(tǒng)的作業(yè)安全開(kāi)展聯(lián)合研究。

5.3.1 FPU 漂移預(yù)警界限分析

韓玥等[21]建立了FPU-DAS 耦合系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，在此基礎(chǔ)上，建立了FPU-DAS 耦合系統(tǒng)的漂移預(yù)警界限準(zhǔn)則，如圖17 所示。漂移預(yù)警界限由黃色界限、紅色界限和物理界限組成，分別對(duì)應(yīng)FPU 應(yīng)急解脫程序的準(zhǔn)備、啟動(dòng)和完成。在正常作業(yè)期間，F(xiàn)PU 位于黃色界限內(nèi)；當(dāng)FPU 發(fā)生漂移并超過(guò)黃色界限時(shí)，操作員應(yīng)做好應(yīng)急解脫程序的準(zhǔn)備工作；當(dāng)FPU 漂移至紅色界限時(shí)，應(yīng)及時(shí)啟動(dòng)應(yīng)急解脫程序，從而確保FPU 漂移至物理界限前完成解脫。

圖17 FPU-DAS 耦合系統(tǒng)的漂移預(yù)警界限定義[21]

圖18 給出了一年一遇海況條件下不同環(huán)境載荷方向的FPU-DAS 耦合系統(tǒng)的漂移預(yù)警界限。從中可以看出，由于深海人工海床的分層設(shè)計(jì)特征，漂移預(yù)警界限構(gòu)成的安全運(yùn)動(dòng)區(qū)域呈蝶形，且FPU 漂移預(yù)警界限主要分布于人工海床的近端和遠(yuǎn)端；對(duì)于大多數(shù)環(huán)境載荷方向，由于結(jié)構(gòu)失效發(fā)生在柔性跨接管與防彎器的連接處（柔性跨接管被過(guò)度牽拉），預(yù)警界限分布在人工海床的遠(yuǎn)端；但在180°載荷方向上，即當(dāng)FPU 靠近人工海床時(shí)（柔性跨接管過(guò)度彎曲），由于結(jié)構(gòu)失效發(fā)生在柔性跨接管的懸垂位置，預(yù)警界限分布在人工海床的近端。

圖18 不同環(huán)境載荷方向下FPU-DAS 耦合系統(tǒng)的漂移預(yù)警界限（一年一遇海況條件）[21]

影響因素分析結(jié)果表明，環(huán)境載荷方向、波高和柔性跨接管長(zhǎng)度對(duì)FPU-DAS 耦合系統(tǒng)漂移預(yù)警界限的影響最為顯著，需引起注意。

5.3.2 FPU 漂移作業(yè)安全界限實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)

為了實(shí)現(xiàn)FPU-DAS 耦合系統(tǒng)漂移作業(yè)安全界限的實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)，韓玥等[22]提出了一種綜合力學(xué)模型、代理模型和概率模型的3 階段概率模擬方法，該方法的輸出是作業(yè)安全界限的統(tǒng)計(jì)分布。方法的實(shí)施主要包括以下步驟：首先，建立FPUDAS 耦合系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型；接著由特定的訓(xùn)練樣本集合為動(dòng)力學(xué)模型提供環(huán)境載荷的輸入，動(dòng)力學(xué)模型的輸出是該訓(xùn)練樣本集合下的失效狀態(tài)和作業(yè)安全界限；進(jìn)一步地，由該訓(xùn)練樣本集合建立并訓(xùn)練代理模型，代理模型用于對(duì)統(tǒng)計(jì)分析的失效狀態(tài)和作業(yè)安全極限進(jìn)行預(yù)報(bào)；另一方面，海況的統(tǒng)計(jì)參數(shù)用以建立威布爾分布表征平均風(fēng)速、表面流速和最大波高的統(tǒng)計(jì)特性，這樣即可由逆變換法生成環(huán)境載荷的隨機(jī)樣本集合，作為代理模型的輸入。

需要注意的是，不同海域環(huán)境載荷的不同將會(huì)影響FPU-DAS 耦合系統(tǒng)漂移作業(yè)安全界限的預(yù)報(bào)。因此，在建立動(dòng)力學(xué)模型前，應(yīng)首先獲取目標(biāo)海域海況的統(tǒng)計(jì)信息，確定環(huán)境載荷的概率分布，進(jìn)而開(kāi)展作業(yè)安全極限的頻率預(yù)報(bào)，從而實(shí)現(xiàn)FPU 漂移失效風(fēng)險(xiǎn)的預(yù)警。

6 結(jié)論與展望

深海人工海床系統(tǒng)是基于深海災(zāi)害性海洋環(huán)境要素并由現(xiàn)行水下生產(chǎn)系統(tǒng)局限性認(rèn)知所提出的一項(xiàng)前瞻性技術(shù)，為深遠(yuǎn)海油氣開(kāi)發(fā)提供了一種全新的解決方案。本文系統(tǒng)梳理并介紹了深海人工海床系統(tǒng)的技術(shù)進(jìn)展，涵蓋概念設(shè)計(jì)、優(yōu)化設(shè)計(jì)、波流/內(nèi)孤立波環(huán)境中水動(dòng)力特性以及安全控制機(jī)制等。上述研究成果的介紹對(duì)深海工程領(lǐng)域水下系泊裝備（如Buoyant Frame[2]、Mid Water Arches[23]等）的研究具有重要的借鑒意義。

然而在現(xiàn)階段，深海人工海床系統(tǒng)技術(shù)的工程化應(yīng)用仍然受到諸多制約因素的挑戰(zhàn)，涉及深海人工海床系統(tǒng)的安裝、監(jiān)控、維護(hù)、維修、應(yīng)急撤離、全生命周期的風(fēng)險(xiǎn)和經(jīng)濟(jì)性分析以及實(shí)海大尺度模型試驗(yàn)驗(yàn)證等關(guān)鍵技術(shù)。因此，為了有效推動(dòng)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的深海人工海床系統(tǒng)的工業(yè)化試驗(yàn)及應(yīng)用進(jìn)程，建議未來(lái)進(jìn)一步系統(tǒng)開(kāi)展深海人工海床系統(tǒng)的安裝與撤離技術(shù)研究、全生命周期定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估研究、內(nèi)孤立波環(huán)境下動(dòng)力響應(yīng)的模型實(shí)驗(yàn)技術(shù)研究和基于數(shù)字孿生的在位監(jiān)控技術(shù)等，以完善和優(yōu)化深海人工海床系統(tǒng)設(shè)計(jì)和運(yùn)維的關(guān)鍵技術(shù)，期待為推動(dòng)中國(guó)深遠(yuǎn)海油氣自主開(kāi)發(fā)的進(jìn)程發(fā)揮重要作用。