李 達(dá) 呂柏呈 武文華 李 輝

(1. 中海油研究總院有限責(zé)任公司 北京 100028； 2. 大連理工大學(xué)工程力學(xué)系 遼寧大連 116024)

海洋平臺(tái)長期服役于復(fù)雜的海洋環(huán)境中，環(huán)境的特殊性使平臺(tái)設(shè)計(jì)預(yù)估的環(huán)境參數(shù)難以完整反映平臺(tái)在服役期間受到的荷載信息。隨著平臺(tái)服役時(shí)間的增加，結(jié)構(gòu)安全問題日益凸顯。數(shù)值分析和模型實(shí)驗(yàn)對環(huán)境荷載以及結(jié)構(gòu)模型的簡化，使其難以完全保障平臺(tái)在服役周期內(nèi)的結(jié)構(gòu)安全。

1987年，首個(gè)海洋平臺(tái)監(jiān)測項(xiàng)目在CONOCO Joliet張力腿平臺(tái)開展[1]。隨著海洋平臺(tái)監(jiān)測技術(shù)和生產(chǎn)要求的提高，在墨西哥灣、北海等海域開展了大量監(jiān)測實(shí)踐。英國Saab、BMT，美國Dunegan、Bentley，挪威CorrOcean等公司針對各類水上、水下結(jié)構(gòu)開發(fā)了綜合的監(jiān)測系統(tǒng)，并在智能化海洋平臺(tái)監(jiān)測和數(shù)字孿生領(lǐng)域率先開展了應(yīng)用[2]。國內(nèi)中國海油[3-4]、大連理工大學(xué)[5-6]、上海交通大學(xué)[7]、哈爾濱工業(yè)大學(xué)[8]等單位在海洋平臺(tái)國產(chǎn)化監(jiān)測硬件、軟件、數(shù)值分析、信息傳輸、客戶端部署等方面取得了長足的技術(shù)積累，在冰區(qū)導(dǎo)管架平臺(tái)、軟鋼臂系泊系統(tǒng)、深水半潛式平臺(tái)等監(jiān)測領(lǐng)域達(dá)到了較為領(lǐng)先的技術(shù)水平。

海洋平臺(tái)現(xiàn)場監(jiān)測通過在平臺(tái)現(xiàn)場開展數(shù)據(jù)采集和分析，對在役結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)驗(yàn)證和安全保障，有效彌補(bǔ)了荷載和結(jié)構(gòu)簡化帶來的安全隱患。近年來，海洋平臺(tái)現(xiàn)場監(jiān)測覆蓋率隨工程需求逐年上升，在監(jiān)測種類、傳輸方式、顯示能力等方面穩(wěn)步提高。

未來海洋平臺(tái)現(xiàn)場監(jiān)測將向深水化、標(biāo)準(zhǔn)化、智能化的方向發(fā)展，但目前技術(shù)水平距離達(dá)到依靠智能化監(jiān)測指導(dǎo)生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)海上無人自運(yùn)營裝備單元的目標(biāo)仍需要大量的理論創(chuàng)新和監(jiān)測標(biāo)準(zhǔn)的建立。本文旨在闡述海洋平臺(tái)現(xiàn)場監(jiān)測技術(shù)現(xiàn)狀，并對未來中國海洋平臺(tái)現(xiàn)場監(jiān)測發(fā)展進(jìn)行探討。

1 海洋環(huán)境荷載監(jiān)測

1.1 風(fēng)速風(fēng)向監(jiān)測

風(fēng)荷載是海洋結(jié)構(gòu)在服役過程中受到的主要荷載形式之一，監(jiān)測信息包括風(fēng)速和風(fēng)向。常見的傳感器類型有機(jī)械風(fēng)速儀[9]、超聲波風(fēng)速儀[10]、熱線風(fēng)速儀和激光多普勒風(fēng)速儀。風(fēng)速風(fēng)向測量需減少結(jié)構(gòu)對測量結(jié)果的影響，測量位置為無遮擋、風(fēng)場穩(wěn)定、迎風(fēng)路徑長、湍流系數(shù)與風(fēng)速轉(zhuǎn)換系數(shù)穩(wěn)定的區(qū)域[11]。圖1為幾種常用的風(fēng)速、風(fēng)向測量儀。表1給出了各類風(fēng)速、風(fēng)向儀的測量原理和一般參數(shù)。

圖1 典型風(fēng)速、風(fēng)向儀

表1 風(fēng)速、風(fēng)向測量儀器原理和參數(shù)Table 1 Anemometer measuring principle and parameters

風(fēng)環(huán)境監(jiān)測既是海洋平臺(tái)服役安全的重要保障，也能夠?yàn)槲磥硇滦秃Ｑ蠼Y(jié)構(gòu)[12]提供可靠的設(shè)計(jì)依據(jù)。風(fēng)荷載分析一般將風(fēng)速分為長周期部分(平均風(fēng))和短周期部分(脈動(dòng)風(fēng))。平均風(fēng)速為標(biāo)準(zhǔn)時(shí)距5 min或10 min的風(fēng)速平均值。脈動(dòng)部分利用統(tǒng)計(jì)參數(shù)如湍流強(qiáng)度、湍流積分尺度、脈動(dòng)風(fēng)速譜等進(jìn)行描述[13-14]。為計(jì)算靜、動(dòng)態(tài)風(fēng)荷載，監(jiān)測系統(tǒng)對風(fēng)速風(fēng)向測量的頻率通常采用1 Hz。利用海洋平臺(tái)現(xiàn)場監(jiān)測技術(shù)對在役平臺(tái)受到的風(fēng)荷載進(jìn)行現(xiàn)場監(jiān)測，能夠更有針對性地獲得平臺(tái)服役海域的風(fēng)場特性，結(jié)合運(yùn)動(dòng)響應(yīng)監(jiān)測數(shù)據(jù)對海洋油氣平臺(tái)在服役過程中產(chǎn)生的危險(xiǎn)工況進(jìn)行分析[15-16]，指導(dǎo)現(xiàn)場生產(chǎn)作業(yè)。

1.2 浪高周期監(jiān)測

波浪荷載是系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)考慮的重要環(huán)境荷載[17]。測量方法分為水下、水面和水上測量。水下測量方法有水壓式測量儀、聲學(xué)式測量儀等。水面測量方法包括電阻式波高傳感器、電容式波高傳感器等。水上測量方法包括雷達(dá)測波、立體攝影測量[18]、光學(xué)測量等[19]。海洋平臺(tái)監(jiān)測系統(tǒng)主要采用測波雷達(dá)，獲取實(shí)時(shí)的波高、周期及波浪方向[20]。圖2為幾種常見的浪高周期測量儀，表2給出了幾種波浪測量儀器原理和一般參數(shù)。

圖2 幾種常見的浪高周期測量儀器

表2 浪高周期測量儀器原理及適用性Table 2 Wave measurement sensors measuring principle and applicability

波浪譜選取對于海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和安全分析具有重要意義。典型的波浪譜有Neumann譜、P-M譜[21]、Jonswap譜[22]。大部分波浪譜是基于經(jīng)驗(yàn)或半經(jīng)驗(yàn)半理論得出的，不同海區(qū)、不同水文條件下波浪譜的選擇都有一定的主觀性[23]。基于現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，對監(jiān)測海域的波浪特征和波浪譜進(jìn)行修正，預(yù)估在役海洋平臺(tái)在服役期間的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)，能夠判斷結(jié)構(gòu)在極端海況下的運(yùn)動(dòng)行為和長期服役下的結(jié)構(gòu)疲勞壽命，保障平臺(tái)服役安全。同時(shí)，基于修正波浪參數(shù)，能夠?yàn)槲磥砗Ｑ笃脚_(tái)設(shè)計(jì)提供更加準(zhǔn)確的波浪環(huán)境條件[24-25]。

1.3 海流流速流向監(jiān)測

海流是水下管纜和系泊系統(tǒng)受到的主要荷載形式。通常認(rèn)為海流主要由風(fēng)海流、密度流構(gòu)成[26]。海流監(jiān)測方式分為測量單一測點(diǎn)海流計(jì)和測量海流剖面的剖面儀[27]?，F(xiàn)階段海流監(jiān)測多利用聲學(xué)多普勒流速流向剖面儀(Acoustic Doppler Current Profiler,ADCP)對分層海流流速及流向進(jìn)行測量。由于多普勒流速流向剖面儀測量方向的單一性，采用多個(gè)傳感器組合測量海流全剖面信息[28]。圖3為幾種常見的海流測量儀器。表3給出了幾種海流測量儀器的測量原理和適用性。

海流流速信息是典型的非穩(wěn)態(tài)隨機(jī)數(shù)據(jù)，采樣頻率和監(jiān)測周期都會(huì)對假設(shè)分布規(guī)律的參數(shù)擬合產(chǎn)生影響。單層海流極值預(yù)測難以反映海流隨水深變化的客觀規(guī)律。簡化的均勻流、剪切流、梯度流也給水下結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)計(jì)算和壽命預(yù)測帶來了不確定性?；诤Ａ髌拭姹O(jiān)測數(shù)據(jù)，對海流剖面進(jìn)行降維處理，通過逆一階可靠度和響應(yīng)函數(shù)等方法計(jì)算海流極值剖面能夠更加完整地保留海流各層之間的相關(guān)性，保障水下結(jié)構(gòu)的服役安全，同時(shí)簡化設(shè)計(jì)對環(huán)境條件的選取[30-32]。利用機(jī)器學(xué)習(xí)算法對監(jiān)測流場進(jìn)行聚類和預(yù)測，分析上部浮體響應(yīng)和水下結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、疲勞等問題，成為近年海流監(jiān)測數(shù)據(jù)應(yīng)用研究的重要方法[33-35]。

圖3 幾種常見的海流測量儀器

表3 海流測量儀器原理及適用性Table 3 Current meters measuring principle and applicability

1.4 海冰監(jiān)測

近年來全球海洋資源開發(fā)和航運(yùn)工業(yè)逐漸向傳統(tǒng)寒區(qū)不斷擴(kuò)展[36]。海冰監(jiān)測已在庫克灣[37]、Baltic、Confederation[38]、渤海等海域開展[39]。海冰監(jiān)測包括海冰參數(shù)(冰厚、冰速等)和冰荷載測量。早期海冰監(jiān)測利用浮標(biāo)測量海冰運(yùn)動(dòng)速度，隨著監(jiān)測手段的提高，多普勒移頻雷達(dá)、衛(wèi)星圖像(合成孔徑雷達(dá)、中分辨率成像光譜儀、全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)[40])等技術(shù)逐漸應(yīng)用在海洋冰荷載分析和預(yù)報(bào)中。相比海冰速度、冰緣線測量，海冰厚度測量更加困難，早期海冰厚度測量利用鉆孔和潛艇聲納，目前視頻、衛(wèi)星、雷達(dá)[41-42]、激光、深度學(xué)習(xí)[43]等技術(shù)逐步應(yīng)用在海冰厚度測量中。冰荷載主要利用冰力測量壓力盒進(jìn)行測量。表4為幾種海冰測量方式原理和適用性。

表4 海冰測量原理和適用性Table 4 Sea ice measuring principle and applicability

基于現(xiàn)場監(jiān)測的冰荷載研究主要集中在最大冰力[44-46]、冰激振動(dòng)[47-48]，以及考慮季節(jié)性海冰對平臺(tái)結(jié)構(gòu)熱點(diǎn)疲勞[49]影響等問題。中國海冰監(jiān)測主要針對在渤海冰區(qū)的導(dǎo)管架平臺(tái)?；诓澈，F(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，開展了平臺(tái)在動(dòng)冰力作用下的結(jié)構(gòu)特性、疲勞分析方法以及結(jié)構(gòu)選型等研究工作。

除以上監(jiān)測信息外，根據(jù)海洋平臺(tái)類型以及服役海域特點(diǎn)，海洋平臺(tái)現(xiàn)場監(jiān)測還對空氣溫度、濕度、氣壓、海水鹽度、氣隙高度等信息進(jìn)行持續(xù)測量。

海洋環(huán)境荷載監(jiān)測經(jīng)過長期發(fā)展累積了大量的技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)，測量技術(shù)已相對成熟。由于環(huán)境荷載的固有屬性差異以及荷載計(jì)算方式的不同，利用監(jiān)測數(shù)據(jù)準(zhǔn)確描述海洋平臺(tái)在服役過程中受到的完整時(shí)序荷載仍較為困難，導(dǎo)致現(xiàn)階段海洋環(huán)境荷載信息在海洋平臺(tái)監(jiān)測分析中的作用難以充分發(fā)揮。隨著傳感器技術(shù)的不斷完善以及荷載模擬理論的進(jìn)步，通過少量監(jiān)測信息準(zhǔn)確還原真實(shí)環(huán)境荷載，繼而更加準(zhǔn)確地保障現(xiàn)場結(jié)構(gòu)和作業(yè)安全是未來海洋平臺(tái)環(huán)境荷載監(jiān)測的重要研究方向。

2 海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)監(jiān)測

2.1 結(jié)構(gòu)響應(yīng)監(jiān)測

2.1.1浮體及上部結(jié)構(gòu)監(jiān)測

海洋平臺(tái)浮體和上部結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)監(jiān)測通常將監(jiān)測對象假定為剛體，測量結(jié)構(gòu)平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)。傳感器主要有DGPS (Differential Global Position System，差分全球定位系統(tǒng))、INS (Inertial Navigation System，慣性導(dǎo)航系統(tǒng))、傾角傳感器等[50]。傳感器安裝位置一般位于平臺(tái)軸線方向，減少加速度對監(jiān)測數(shù)據(jù)的影響。隨著海洋結(jié)構(gòu)物尺寸的逐漸增大，浮體及上部結(jié)構(gòu)的變形逐漸難以被忽略，已有研究利用圖像數(shù)據(jù)，邊緣檢測等方式對大型結(jié)構(gòu)整體變形進(jìn)行監(jiān)測[51]。圖4為幾種常見的浮體及上部結(jié)構(gòu)測量傳感器，表5為幾種測量傳感器的測量原理和適用性。

對于導(dǎo)管架平臺(tái)，平臺(tái)產(chǎn)生整體運(yùn)動(dòng)幅值較小，但結(jié)構(gòu)在波浪作用、冰荷載、碰撞沖擊下結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的振動(dòng)頻率較高，因此對結(jié)構(gòu)振動(dòng)信息進(jìn)行測量。測量一般采用加速度傳感器和應(yīng)變測量裝置，依據(jù)結(jié)構(gòu)振動(dòng)頻率和陣型確定測點(diǎn)位置和傳感器個(gè)數(shù)[52]。

圖4 幾種常見的平臺(tái)運(yùn)動(dòng)測量傳感器

表5 平臺(tái)運(yùn)動(dòng)測量傳感器原理及適用性Table 5 Platform movement measuring sensors principle and applicability

2.1.2系泊錨鏈監(jiān)測

水下測量是海洋平臺(tái)監(jiān)測的難點(diǎn)。系泊錨鏈監(jiān)測主要有3種方式：頂端直接測量、水下傳感器測量和水下機(jī)器人輔助測量。頂端直接測量利用稱重式傳感器測量錨鏈頂端張力，該方法成本低、實(shí)施簡單，但定期維護(hù)矯正較為困難。隨著水深和錨鏈長度的增加，頂部測量難以完整反映水下結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。水下傳感器測量裝置一般在錨鏈上安裝夾持結(jié)構(gòu)，測量安裝位置的水深、傾角等信息[53]。由于水深限制，深水結(jié)構(gòu)測量多采用自容式傳感器。中國南海“挑戰(zhàn)號”監(jiān)測中，已利用此類傳感器完成了較長周期的水下錨鏈運(yùn)動(dòng)連續(xù)監(jiān)測[54]。水下自容式傳感器目前仍存在功耗、時(shí)間校準(zhǔn)等技術(shù)挑戰(zhàn)[55]。但隨著水下數(shù)據(jù)傳輸和無線充電技術(shù)的進(jìn)步，水下自容式傳感器已逐漸向長監(jiān)測周期、超深水方向發(fā)展[56-58]。水下機(jī)器人監(jiān)測通過水下機(jī)器人攜帶的測量裝置對水下信息進(jìn)行測量，突破了水下測量的空間限制，但水下機(jī)器人難以完成長期連續(xù)監(jiān)測，增加了監(jiān)測數(shù)據(jù)利用的難度。圖5為幾種常見的系泊錨鏈監(jiān)測裝置，表6為系泊錨鏈測量儀的測量內(nèi)容和現(xiàn)場監(jiān)測適用性。

圖5 幾種常見的系泊錨鏈測量裝置

表6 系泊錨鏈測量儀器原理及適用性Table 6 Mooring line measuring devices principle and applicability

2.1.3張力腿與張緊式立管監(jiān)測

張力腿和張緊式立管(Top Tension Riser，TTR)采用相似的監(jiān)測方法。主要測量內(nèi)容為頂部張力、水下運(yùn)動(dòng)姿態(tài)、底部在位狀態(tài)。頂部張力利用頂張力傳感器和光纖光柵傳感器進(jìn)行測量[61]。水下運(yùn)動(dòng)姿態(tài)利用水下傳感器進(jìn)行測量，測量參數(shù)包括監(jiān)測節(jié)點(diǎn)的水深、傾角、加速度、溫度等[62]。近年來，水下結(jié)構(gòu)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)成為了水下結(jié)構(gòu)監(jiān)測的熱點(diǎn)之一[63]。此外水下管纜也可采用預(yù)置式測量方案[64-65]，將光纖光柵傳感器在制造時(shí)預(yù)置入結(jié)構(gòu)內(nèi)部，達(dá)到應(yīng)變、溫度等信息完整長度測量的目的。預(yù)置式測量方式需考慮在制造、運(yùn)輸、安裝和在位過程中的變形極限，在服役過程中也難以進(jìn)行及時(shí)更換。張力腿底部在位狀態(tài)監(jiān)測主要依靠遙控?zé)o人潛水器(Remote Operated Vehicle，ROV)或水下巡檢機(jī)器人完成[66]。一般來說，巡檢機(jī)器人需具有運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)、水下視頻系統(tǒng)、照明系統(tǒng)和清障系統(tǒng)幾個(gè)組成部分，保證巡檢過程的安全性和有效性。圖6為TTR立管和張力腿監(jiān)測方案。

圖6 TTR立管和張力腿監(jiān)測

2.1.4軟剛臂系泊系統(tǒng)監(jiān)測

軟剛臂系泊系統(tǒng)是一種較為特殊的海洋系泊形式，其主要系泊部件在水上，能夠在冰區(qū)海域服役。中國首個(gè)海洋核動(dòng)力平臺(tái)也選取了軟剛臂系泊系統(tǒng)作為系泊形式[69-70]。系泊系統(tǒng)(圖7)利用多鉸連接，達(dá)到釋放油氣開發(fā)平臺(tái)的效果，屬于7自由度多體動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)，結(jié)合平臺(tái)的6個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度和系泊腿擺動(dòng)監(jiān)測數(shù)據(jù)，可完整計(jì)算系泊結(jié)構(gòu)在服役過程中的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和受力行為[71]。中國渤海多艘軟剛臂系泊系統(tǒng)已具備系泊系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)實(shí)時(shí)監(jiān)測和計(jì)算的能力，軟剛臂系泊系統(tǒng)監(jiān)測已逐漸趨于成熟[72]。

圖7 軟剛臂系泊系統(tǒng)監(jiān)測

隨著平臺(tái)尺寸的增加和大量非線性材料的應(yīng)用，常規(guī)監(jiān)測手段已難以完整描述平臺(tái)的服役姿態(tài)。未來海洋平臺(tái)響應(yīng)監(jiān)測可基于現(xiàn)有監(jiān)測基礎(chǔ)，結(jié)合圖像分析等方法反映平臺(tái)的多維度響應(yīng)特征，更加完整地復(fù)現(xiàn)平臺(tái)真實(shí)服役狀態(tài)。對于系泊系統(tǒng)監(jiān)測，由于涉及水下結(jié)構(gòu)，方案選取和測量難度都更高，監(jiān)測數(shù)據(jù)應(yīng)用也更加復(fù)雜。國產(chǎn)化監(jiān)測硬件研制和新分析理論是下一步海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)響應(yīng)監(jiān)測和數(shù)據(jù)工程化應(yīng)用的重點(diǎn)。

2.2 局部損傷監(jiān)測

海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)局部損傷監(jiān)測一般使用無損檢測的手段。無損檢測主要有應(yīng)變監(jiān)測、超聲波檢測、射線探傷檢測和磁力探傷檢測幾種。

應(yīng)變監(jiān)測測量結(jié)構(gòu)的應(yīng)變變化。傳感器可分為傳統(tǒng)應(yīng)變計(jì)和智能傳感器。智能傳感器包括光纖傳感器、壓電材料傳感器[73-74]等。與傳統(tǒng)應(yīng)變監(jiān)測傳感器相比，智能傳感器具有更高的靈敏度、靈活性、嵌入性和抗電磁干擾性。應(yīng)變監(jiān)測已應(yīng)用于碰撞和海浪引起的應(yīng)變響應(yīng)[75]、立管的軸向張力彎矩[76]、平臺(tái)關(guān)鍵區(qū)域疲勞裂紋[77-78]、船體甲板整體彎曲[79]等領(lǐng)域。超聲波檢測利用超聲波在構(gòu)件內(nèi)部傳播的反射信號確定結(jié)構(gòu)發(fā)生缺陷的位置，在系泊錨鏈、平臺(tái)焊接結(jié)構(gòu)方面已有應(yīng)用[80-83]。射線檢測測量內(nèi)部缺陷引起的射線強(qiáng)度變化，能夠?qū)Ω黝惒牧线M(jìn)行損傷檢測，但輻射和顯影定影液的污染問題導(dǎo)致其難以在長期、大規(guī)模的海洋平臺(tái)監(jiān)測中應(yīng)用。磁力探傷通過觀測漏磁磁場大小、數(shù)量以及分布判斷構(gòu)件表面、次表面損傷缺陷。磁粉施加方式分為干式和濕式，海洋平臺(tái)鋼結(jié)構(gòu)磁粉探傷一般采用濕式檢測[84]。磁粉探傷具有較高的靈敏度，不受試件的大小及形狀限制，但僅局限于磁性材料，對結(jié)構(gòu)內(nèi)部缺陷的檢測能力也較差。渦流檢測技術(shù)對表面缺陷檢測有較高的靈敏度，能夠?qū)ΚM窄區(qū)域結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測，但僅適用于導(dǎo)電材料的表面缺陷，適用于定性檢測。

局部損傷監(jiān)測面臨的問題主要是無法形成常態(tài)化連續(xù)監(jiān)測能力。傳統(tǒng)損傷檢測方式難以形成連續(xù)測量能力，而利用響應(yīng)信息反演結(jié)構(gòu)損傷的方法對監(jiān)測信息質(zhì)量、反演模型精度以及優(yōu)化算法選取都有很高的要求。隨著無人化平臺(tái)的發(fā)展，利用智能巡檢機(jī)器人可提高局部損傷監(jiān)測的適用性。通過連續(xù)的環(huán)境和響應(yīng)監(jiān)測數(shù)據(jù)指導(dǎo)局部損傷檢測位置選擇和探傷方式也是未來海洋平臺(tái)損傷識別問題的重要研究方向。

3 監(jiān)測數(shù)據(jù)采集與分析

3.1 監(jiān)測數(shù)據(jù)采集與集成

海洋平臺(tái)監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集，即信號由監(jiān)測傳感器傳輸至下位機(jī)的過程，涵蓋電壓電流信號、光信號、Wi-Fi信號等。由于監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸距離較遠(yuǎn)，在實(shí)際監(jiān)測過程中需避免傳感器輸入電壓壓降和輸出模擬信號衰減等問題。滑環(huán)類結(jié)構(gòu)進(jìn)行監(jiān)測時(shí)，由于難以采用線纜形式連接，利用無線傳輸技術(shù)進(jìn)行短距離數(shù)據(jù)傳輸[85]。對于水下結(jié)構(gòu)，傳輸線纜難以及時(shí)維護(hù)，已有研究將水聲技術(shù)引入長期水下數(shù)據(jù)信息傳輸，通過建立水下信息傳輸節(jié)點(diǎn)，形成水下傳輸網(wǎng)絡(luò)保障采集穩(wěn)定性?？紤]傳輸數(shù)據(jù)的采樣頻率和采集類型多樣性，海洋平臺(tái)監(jiān)測系統(tǒng)一般設(shè)置傳輸集成工作站對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行下位存儲(chǔ)和整理。在中控室設(shè)置監(jiān)測上位機(jī)，集成儲(chǔ)存標(biāo)準(zhǔn)化監(jiān)測數(shù)據(jù)。

未來海洋平臺(tái)監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集和集成需形成水下、水面的完整化、標(biāo)準(zhǔn)化、強(qiáng)魯棒性的信息網(wǎng)絡(luò)，攻關(guān)水下信息傳輸理論和傳輸設(shè)備，結(jié)合水上信息采集集成節(jié)點(diǎn)，搭建完整的監(jiān)測信息流，保障監(jiān)測信息的穩(wěn)定性和時(shí)效性。

3.2 監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸

海洋平臺(tái)主要采用衛(wèi)星和海纜傳輸?shù)耐ㄓ嵎绞铰?lián)通陸地終端和其他平臺(tái)。隨著信號傳輸技術(shù)的發(fā)展，監(jiān)測系統(tǒng)可選擇的數(shù)據(jù)傳輸方式日趨豐富，如北斗衛(wèi)星傳輸、微波傳輸和散射傳輸[86]。中國海油信息科技在海洋平臺(tái)數(shù)據(jù)多網(wǎng)融合通訊研究和工程實(shí)踐進(jìn)行了大量的探索與創(chuàng)新，形成了較為完備的海洋平臺(tái)信息傳輸網(wǎng)絡(luò)[87]。表7為各類數(shù)據(jù)傳輸原理和監(jiān)測適用性。

表7 監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸原理和適用性Table 7 Monitoring data transmission principle and applicability

監(jiān)測信息實(shí)時(shí)準(zhǔn)確傳輸是臺(tái)風(fēng)期間海洋油氣平臺(tái)決策的重要依據(jù)?？紤]功耗和監(jiān)測系統(tǒng)獨(dú)立生存時(shí)長要求，北斗衛(wèi)星短報(bào)文傳輸技術(shù)成為監(jiān)測系統(tǒng)在臺(tái)風(fēng)條件下的有效信息傳輸手段[88]。臺(tái)風(fēng)期間通過北斗衛(wèi)星信號將平臺(tái)實(shí)時(shí)測量數(shù)據(jù)傳輸至陸地監(jiān)測中心，能夠使決策人員更加準(zhǔn)確地掌握臺(tái)風(fēng)期間平臺(tái)實(shí)時(shí)安全狀態(tài)，評估作業(yè)決策。微波是比普通無線電波更短、頻率超過1 GHz的電磁波[89]。海上微波無線傳輸組網(wǎng)技術(shù)在陸地建立通訊站點(diǎn)，利用海洋平臺(tái)組成微波局域網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)超視距遠(yuǎn)距離信號傳輸。中國南海運(yùn)營的一條微波鏈路傳輸距離達(dá)到98 km，30 MHz頻寬下可以提供50～80 Mbps的信息傳播率[90]。散射傳輸利用流層中的不均勻體對微波和毫米波的折射和再次輻射進(jìn)行信號傳輸[91]。與衛(wèi)星傳播方式相比，微波和散射傳輸硬件占地面積及功耗更大。

目前各類信息傳輸模式已經(jīng)能夠較為完整地傳輸海洋平臺(tái)監(jiān)測信息。隨著各種新興數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)的應(yīng)用，未來海洋平臺(tái)數(shù)據(jù)傳輸將不斷向低功耗、大帶寬、低延時(shí)的方向發(fā)展。

3.3 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析與集成軟件數(shù)據(jù)庫

在役海洋平臺(tái)安全評估、預(yù)測、預(yù)警以及未來海洋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化是監(jiān)測項(xiàng)目應(yīng)用的核心問題。目前海洋平臺(tái)監(jiān)測數(shù)據(jù)分析方法主要分為兩類，直接基于監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析方法和結(jié)合模型及監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析方法。

直接基于監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析方法研究較為深入，常見的分析方法有特征參數(shù)分析、概率分析以及機(jī)器學(xué)習(xí)(表8)。特征參數(shù)分析方法一般對一維監(jiān)測數(shù)據(jù)的特征參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，與設(shè)計(jì)參數(shù)或標(biāo)準(zhǔn)比較，對環(huán)境荷載和結(jié)構(gòu)響應(yīng)進(jìn)行定量分析[92]。概率分析利用長期監(jiān)測數(shù)據(jù)的概率特征，評估環(huán)境荷載、平臺(tái)響應(yīng)的長重現(xiàn)期極值、安全預(yù)警等級等指標(biāo)[93-94]。機(jī)器學(xué)習(xí)涵蓋了大量算法，已應(yīng)用在多維環(huán)境荷載類別分析、響應(yīng)預(yù)測預(yù)警以及結(jié)構(gòu)損傷識別等多個(gè)方面[95-96]。隨著海洋平臺(tái)監(jiān)測數(shù)據(jù)量的累積和機(jī)器學(xué)習(xí)在其他領(lǐng)域的成功應(yīng)用，機(jī)器學(xué)習(xí)分析方式逐漸被海洋工程領(lǐng)域接受。

表8 基于監(jiān)測數(shù)據(jù)的海洋平臺(tái)分析方法Table 8 Offshore platform analysis methods based on monitoring data

結(jié)合模型的分析方法不僅利用監(jiān)測數(shù)據(jù)，同時(shí)結(jié)合結(jié)構(gòu)物理特征實(shí)現(xiàn)在役平臺(tái)響應(yīng)復(fù)現(xiàn)和結(jié)構(gòu)屬性反演(表9)。理論上，模型和數(shù)據(jù)結(jié)合的方法能夠更好地解釋結(jié)構(gòu)特征變化，保障分析方法的泛化能力，但建模能力和簡化方法也增加了此類分析方式的難度和結(jié)構(gòu)屬性反演計(jì)算的收斂性?；诮Y(jié)構(gòu)模型和監(jiān)測數(shù)據(jù)分析方式多采用智能優(yōu)化算法擬合結(jié)構(gòu)特征完成對在役結(jié)構(gòu)的實(shí)時(shí)反演，在導(dǎo)管架[97]、軟鋼臂系泊系統(tǒng)[98]、半潛式平臺(tái)監(jiān)測過程中已對腐蝕程度、磨損損傷、系泊損傷等問題開展了相關(guān)研究，但距離工程應(yīng)用仍需大量驗(yàn)證工作和理論迭代。

表9 基于模型和監(jiān)測數(shù)據(jù)的海洋平臺(tái)分析方法Table 9 Offshore platform analysis methods based on modeling and monitoring data

海洋平臺(tái)現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)和分析結(jié)果需完整體現(xiàn)在海洋平臺(tái)現(xiàn)場監(jiān)測軟件上。監(jiān)測軟件和數(shù)據(jù)庫的建立需綜合考慮各類數(shù)據(jù)的錄入、管理、查詢并兼顧數(shù)據(jù)的初步分析能力[99]，對傳感器型號信息、有效期、DGPS固定站變化、校準(zhǔn)日期、傳感器存余數(shù)量、獨(dú)立供電系統(tǒng)容量等信息進(jìn)行完備存儲(chǔ)。常用的數(shù)據(jù)庫有Oracle、MySQL、Microsoft SQL Server等。建立監(jiān)測數(shù)據(jù)庫的主要目的之一在于對歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)的回溯和分析，監(jiān)測數(shù)據(jù)庫存對數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗、更新、匯總時(shí)保障原始數(shù)據(jù)不被覆蓋。

隨著計(jì)算能力的提高，海洋平臺(tái)監(jiān)測數(shù)據(jù)分析不斷前移，時(shí)效性也不斷提高。未來海洋平臺(tái)現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)分析將逐漸降低對陸地端科研人員的依賴，通過新理論和新算法的大量應(yīng)用，在現(xiàn)場對監(jiān)測數(shù)據(jù)直接進(jìn)行實(shí)時(shí)評估，保障在役結(jié)構(gòu)安全，指導(dǎo)海上資源開發(fā)作業(yè)。

4 平臺(tái)監(jiān)測供電系統(tǒng)

海洋平臺(tái)現(xiàn)場監(jiān)測系統(tǒng)需獨(dú)立于海洋平臺(tái)生產(chǎn)系統(tǒng)。在臺(tái)風(fēng)等極端工況下，監(jiān)測系統(tǒng)需要依靠自身的能源持續(xù)工作，穩(wěn)定的電力供應(yīng)直接關(guān)系到監(jiān)測系統(tǒng)可靠性。供電系統(tǒng)電壓一般設(shè)置為48 V，利用變壓裝置對各監(jiān)測系統(tǒng)硬件提供穩(wěn)定的工作電壓，滿足絕大多數(shù)工控機(jī)和傳感器使用要求。獨(dú)立供電系統(tǒng)(圖8)需充分考慮各類傳感器、采集裝置、數(shù)據(jù)傳輸裝置和上、下位機(jī)的功耗總和，預(yù)估監(jiān)測系統(tǒng)所需容量，保障至少在一個(gè)平均臺(tái)風(fēng)周期的連續(xù)采集能力。

圖8 監(jiān)測系統(tǒng)獨(dú)立供電系統(tǒng)

現(xiàn)階段獨(dú)立供電技術(shù)已能較好地保障平臺(tái)監(jiān)測系統(tǒng)在避臺(tái)期間的連續(xù)電力供應(yīng)。隨著監(jiān)測對象的不斷完善，海洋平臺(tái)監(jiān)測系統(tǒng)的電力需求逐步提高。近年來，充放電優(yōu)化設(shè)計(jì)[100]、風(fēng)光互補(bǔ)[101]以及新型蓄電池技術(shù)取得了快速發(fā)展，未來海洋平臺(tái)監(jiān)測供電系統(tǒng)需具備更長周期的穩(wěn)定電力供應(yīng)能力，提高海洋平臺(tái)監(jiān)測系統(tǒng)的獨(dú)立生存能力。

5 海洋平臺(tái)現(xiàn)場監(jiān)測技術(shù)展望

伴隨現(xiàn)場監(jiān)測硬件、軟件和分析技術(shù)的進(jìn)步，以及大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、數(shù)字孿生、元宇宙等新理論和新算法的應(yīng)用，未來海洋平臺(tái)監(jiān)測將逐漸向標(biāo)準(zhǔn)化、深水化、智能化方向發(fā)展。

5.1 監(jiān)測標(biāo)準(zhǔn)化

海洋平臺(tái)監(jiān)測的難點(diǎn)之一在于海洋平臺(tái)種類眾多，同一類海洋平臺(tái)服役環(huán)境也不相同，現(xiàn)場監(jiān)測的側(cè)重點(diǎn)存在差別，尚未形成統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)指導(dǎo)海洋平臺(tái)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)。同時(shí)海洋平臺(tái)設(shè)計(jì)和建造階段，未充分考慮監(jiān)測系統(tǒng)硬件布局、走線方式以及集成空間冗余，造成目前海洋平臺(tái)監(jiān)測往往在平臺(tái)服役后逐步更新，加大了監(jiān)測系統(tǒng)安裝的困難。未來海洋平臺(tái)現(xiàn)場監(jiān)測需形成較為統(tǒng)一的監(jiān)測物理量選擇、測點(diǎn)位置、走線方式、集成方式、接口方式、波特率、功耗、工作電壓、硬件構(gòu)架和傳感器硬件標(biāo)準(zhǔn)，利用集成程度更高、數(shù)量更少的監(jiān)測傳感器使海洋平臺(tái)現(xiàn)場監(jiān)測能夠更加快速、完備地在各類海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)物上開展。

標(biāo)準(zhǔn)化信息管理平臺(tái)既是現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)工程化應(yīng)用的重要手段，也是未來海洋平臺(tái)智能化發(fā)展的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。建立標(biāo)準(zhǔn)化信息管理平臺(tái)，完整覆蓋海上各類油氣開發(fā)設(shè)施，構(gòu)建區(qū)域化信息管理網(wǎng)絡(luò)，結(jié)合陸地運(yùn)營決策中心為在役海洋平臺(tái)提供更加科學(xué)的運(yùn)營維護(hù)服務(wù)和工程作業(yè)指導(dǎo)。

5.2 監(jiān)測深水化

隨著水下技術(shù)日趨成熟，海洋資源開發(fā)逐漸向深水發(fā)展。中國典型監(jiān)測系統(tǒng)服役平臺(tái)所在海域水深逐步增大(圖9)。1 500 m水深的“深海一號”能源站服役，標(biāo)志著中國海洋平臺(tái)開發(fā)已經(jīng)從淺海走向深遠(yuǎn)海[102]。未來海洋資源開發(fā)，作業(yè)中心逐漸向深水轉(zhuǎn)移。對于海洋平臺(tái)監(jiān)測，深水、超深水水下監(jiān)測傳感器、水下信號傳輸裝置、水下信息組網(wǎng)技術(shù)、水下聲傳輸、水下無線充電技術(shù)以及水下多功能機(jī)器人等多領(lǐng)域的國產(chǎn)化硬件研制和集成化水下監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)建設(shè)將成為海洋平臺(tái)監(jiān)測深水化的研究重點(diǎn)。

圖9 中國典型海洋平臺(tái)水深

5.3 監(jiān)測智能化

海洋平臺(tái)智能化監(jiān)測旨在通過傳感器采集環(huán)境信息、響應(yīng)信息，形成具有認(rèn)知能力、記憶能力、學(xué)習(xí)能力、自適應(yīng)能力、預(yù)測能力和決策能力的智能數(shù)字化孿生系統(tǒng)，完成對在役結(jié)構(gòu)的實(shí)時(shí)評估、預(yù)測和控制。目前海洋平臺(tái)現(xiàn)場監(jiān)測對智能化核心問題，實(shí)時(shí)結(jié)構(gòu)評估和預(yù)測的理論與技術(shù)的研究仍較為初步。其主要原因首先在于海洋平臺(tái)監(jiān)測需在真實(shí)的海洋環(huán)境下，真實(shí)結(jié)構(gòu)上開展，現(xiàn)場開展難度限制了監(jiān)測技術(shù)和分析方法研究的參與性；其次，海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)分析綜合多個(gè)復(fù)雜學(xué)科、領(lǐng)域的理論和技術(shù)，增加了海洋平臺(tái)監(jiān)測智能化的研究難度。

監(jiān)測智能化分析主要有以下幾部分核心內(nèi)容。

1) 數(shù)據(jù)特征分析。

數(shù)據(jù)特征分析包括環(huán)境數(shù)據(jù)、單一或組合響應(yīng)監(jiān)測數(shù)據(jù)的特征分析，如頻域分布、相關(guān)性分析、概率密度擬合、功率譜、固有頻率等。通過數(shù)據(jù)特征分析獲得服役海域環(huán)境和海洋平臺(tái)響應(yīng)的特征，對平臺(tái)進(jìn)行設(shè)計(jì)評價(jià)和安全評估。

2) 監(jiān)測數(shù)據(jù)類別分析。

海洋平臺(tái)大部分時(shí)間處在較為溫和的海況下，監(jiān)測信息集中在安全范圍。結(jié)構(gòu)安全分析中，極端工況等偶發(fā)行為對結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、系統(tǒng)穩(wěn)定性校核更加重要。海洋平臺(tái)監(jiān)測數(shù)據(jù)維度多、耦合性強(qiáng)，合理劃分監(jiān)測數(shù)據(jù)類別對在役平臺(tái)安全和新平臺(tái)設(shè)計(jì)都有重要意義。

3) 在役結(jié)構(gòu)實(shí)時(shí)評價(jià)。

在役結(jié)構(gòu)實(shí)時(shí)評價(jià)主要分析長期服役導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)固有屬性和運(yùn)動(dòng)特征變化，考核在役結(jié)構(gòu)的安全性、人員舒適性等指標(biāo)。目前針對平臺(tái)質(zhì)量、質(zhì)心位置、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、節(jié)點(diǎn)損傷等問題已開展了大量研究，但海洋結(jié)構(gòu)參數(shù)多，相關(guān)研究仍難以滿足智能化監(jiān)測要求。近年來，深度學(xué)習(xí)[103]為在役海洋結(jié)構(gòu)實(shí)時(shí)評價(jià)提供了新的方案。深度學(xué)習(xí)對海洋結(jié)構(gòu)實(shí)時(shí)評價(jià)的關(guān)鍵問題在于提出準(zhǔn)確且有效的含標(biāo)簽訓(xùn)練集。與其他大型工業(yè)裝備面臨的問題相同，有效數(shù)據(jù)的匱乏限制了現(xiàn)階段深度學(xué)習(xí)在真實(shí)海洋結(jié)構(gòu)實(shí)時(shí)評價(jià)的泛化能力。

4) 響應(yīng)預(yù)測。

海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)響應(yīng)預(yù)測能夠保障海洋結(jié)構(gòu)物在特殊工況的作業(yè)安全，尤其對極端天氣下(臺(tái)風(fēng))的海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)安全意義重大。響應(yīng)預(yù)測基于實(shí)時(shí)監(jiān)測的環(huán)境荷載信息和結(jié)構(gòu)響應(yīng)信息對平臺(tái)未來的運(yùn)動(dòng)時(shí)程和特征進(jìn)行預(yù)測。目前利用深度學(xué)習(xí)算法對在役結(jié)構(gòu)實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)已開展了相關(guān)研究[104]。

5) 數(shù)字孿生。

數(shù)字孿生技術(shù)[105]在數(shù)字維度建立與物理平臺(tái)等效的數(shù)字模型。與傳統(tǒng)的有限元等建模方式不同，數(shù)字孿生的特點(diǎn)在于涵蓋特征維度更廣、參數(shù)隨真實(shí)模型的改變可進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，且具備更強(qiáng)的人機(jī)交互能力。數(shù)字孿生技術(shù)既是未來智能化監(jiān)測的最適合載體，同時(shí)也是未來無人化海洋平臺(tái)、海洋風(fēng)場、海上城市建設(shè)的重要核心。在美國、韓國的海洋風(fēng)場，數(shù)字孿生技術(shù)已有較為實(shí)際的應(yīng)用，為海洋風(fēng)場安全、運(yùn)維提供了科學(xué)的數(shù)值參考，節(jié)省了資金投入。未來海洋平臺(tái)數(shù)字孿生系統(tǒng)不僅包含現(xiàn)階段海洋平臺(tái)監(jiān)測的內(nèi)容，還將集成平臺(tái)生產(chǎn)系統(tǒng)、生活系統(tǒng)，形成在役海洋平臺(tái)的完整數(shù)字映射。

6 結(jié)束語

近年來中國海洋平臺(tái)監(jiān)測技術(shù)能力和國產(chǎn)化水平都有了快速提升。但由于現(xiàn)場監(jiān)測的復(fù)雜性，海洋平臺(tái)現(xiàn)場監(jiān)測仍缺乏頂層設(shè)計(jì)，導(dǎo)致監(jiān)測數(shù)據(jù)分析應(yīng)用和后評估的部分環(huán)節(jié)難以達(dá)到指導(dǎo)生產(chǎn)作業(yè)的能力。同時(shí)各領(lǐng)域未形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，未建立起由現(xiàn)場監(jiān)測到遠(yuǎn)程智能化控制的技術(shù)閉環(huán)。未來，大量新知識新概念的出現(xiàn)和應(yīng)用，將成為海洋油氣平臺(tái)現(xiàn)場監(jiān)測最明顯的特征，以現(xiàn)場監(jiān)測為載體，以原創(chuàng)理論、原創(chuàng)技術(shù)為核心的智能化海洋平臺(tái)監(jiān)測體系將逐步建立，指導(dǎo)現(xiàn)場作業(yè)和裝備設(shè)計(jì)，提升中國海洋資源開發(fā)能力。