FPSO原油外輸光電輔助決策系統的設計與應用

朱進全，楊學利，孫恪成，劉東輝，牛志剛

（中海油能源發展股份有限公司采油服務分公司，天津300452）

引言

浮式生產儲卸油裝置（FPSO）是一種可對海上油田進行全海式開發的工程裝備，其主要優勢在于集油氣生產處理、原油儲存、外輸功能于一體，并具有良好的水深適應性[1]。由于FPSO 具有很大的水線面面積，導致其運動對環境載荷的影響十分敏感且容易產生很大的波頻與低頻運動[2-3]。FPSO 在原油外輸作業期間會經歷不同的裝載體變化，遭遇不同的風浪流組合作用等[4-6]，此外還存在人為操控等影響，上述外部作用力會驅動浮體間發生相對運動，導致系泊大纜斷裂或船舶碰撞或海面溢油等風險增加[7-9]，并使外輸操控變得復雜。因此，對外輸作業環境、系泊大纜拉力、海面溢油、FPSO 與穿梭油輪之間夾角和間距的實時監控十分必要[10-12]。

隨著各種傳感器技術的不斷進步，監測內容和監測手段也越來越豐富。相比于其他傳感器，光電傳感器更易于監測和實施，在船舶監測上的應用也引起更多學者的關注[13-14]。海洋平臺監測需要的傳感器種類多，接口繁雜，所有數據都需要同步釆集，并且傳感器采集的數據還需要進行實時解算處理，因此，要求數據采集系統具有良好的接口擴展和數據實時處理能力。

采用衛星高精度差分定位方法可得到FPSO、穿梭油輪的經緯度和航向，進而計算出兩艘船舶之間的相對夾角和間距[15]。但由于穿梭油輪不固定，故此監測方法必須在穿梭油輪上安裝包括GPS組合慣導系統的移動測量站（約15 kg），所以便攜性不足。本文基于安裝在FPSO 船艉的光學探測設備直接測出FPSO 與穿梭油輪之間的夾角和間距，提油船長只需攜帶一個便攜包（手持基站和平板電腦，約3 kg），極大地提高了便攜性。

1 系統描述

1.1 技術需求

根據對危險狀態的原因分析及海上原油外輸作業的需求，通過集成風速風向儀、AIS系統、系泊大纜拉力儀、光電測量系統等設備的監測信息，建立一套能夠對系泊大纜拉力、風浪流、船舶相對位置及海面溢油進行實時監測的系統，可對FPSO 和穿梭油輪之間夾角的運動趨勢進行預測，并對外輸危險狀態實施預警，為外輸人員指揮決策提供支持。

1.2 技術方案

系統的硬件由FPSO 上可集成設備和光電測量系統組成。FPSO 上可集成的設備包括風速風向儀、系泊大纜拉力儀、AIS系統、浪流儀等；光電測量系統主要包括光電轉臺、高清攝像機、激光測距機、激光照明器、紅外熱像儀、光譜檢測儀、伺服控制器、視頻跟蹤器、視頻光端機、無線傳輸基站、電源通信箱等設備，如圖1所示。

圖1 系統總體結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of overall structure of system

圖1 中，軟件系統主要包括主控軟件和手持終端軟件，用于實現集成設備的信息監測，如風速風向、系泊大纜拉力、AIS 系統監測船舶的經度、緯度和航向、以及光電設備的各類監測信息等，并預留數據接口，保證系統的可拓展性和兼容性。軟件系統有多種工作模式可供選擇，如默認值模式、自賦值模式等。在自賦值模式下，軟件操作人員可自行錄入相關參數進行數據分析。軟件系統提供船體資料的輸入窗口，以適應不同類型穿梭油輪和拖輪作業時的差異性。

2 系統軟件設計

2.1 設計要求

軟件系統主要用于配合下位機進行數據采集、處理、存儲，一方面使系統擁有了指標分析以及對下位機進行控制的能力，方便用戶對多種數據進行實時監控；另一方面可以將數據完整地存儲到數據庫中，方便用戶隨時進行分析和查閱。

軟件系統開發采用微服務架構Coframe 集成模式，各接口通信協議滿足FPSO 智能管理平臺的規定。同時，還需滿足如下設計要求：

1）可對系泊大纜拉力、風浪流、船舶位置以及海面溢油進行實時監控；

2）可將采集的數據按照原有的特性進行數據回放和存儲；

3）可對下一時段FPSO 與穿梭油輪之間的相對夾角的運動趨勢進行預測；

4）在出現危險時，及時通過預警界面進行報警，并出現相應的提示；

5）服務器和移動終端需同時顯示實測、預測以及預警信息。

6）明確解析數據種類要求和數據呈現方式。

2.2 開發環境及運行平臺

基于本項目的目標及使用環境，選擇Vue.js 作為前端開發工具。此外，系統使用Java 微服務架構作為后端開發工具。根據軟件運行及需求的分析，FPSO 原油外輸輔助決策系統的運行組件主要由web 服務器/GIT/API 網關、日志中心、監控中心/配置中心/注冊中心及數據庫組成，系統運行方式如圖2所示。

圖2 中，系統運行由傳感器接口、服務器管理員、數據庫、FPSO 原油外輸輔助決策系統、FPSO智能系統、移動終端用戶組成。

圖2 系統運行方式示意圖Fig.2 Schematic diagram of system operation mode

2.3 功能設計

2.3.1 實時監測功能

實時監測功能是基于設備采集到的數據，經過數據處理后，以數字、視頻和圖表方式實時顯示在軟件系統界面上。實時顯示的參數有：風速風向，浪高浪向，流速流向，系泊大纜拉力，光電測量系統監測的FPSO 與穿梭油輪之間夾角和間距、海面溢油監測信息，AIS 系統顯示的FPSO、穿梭油輪和拖輪三者的經度、緯度及航向數據等；可選顯示內容有潮汐、雷暴等氣象信息。

當數據量很大時，對數據庫的裝載與導出、備份與恢復、結構的調整、索引的調整等都會讓數據庫停止服務或者高負荷運轉很長時間，從而影響數據庫的可用性和易管理性。

以實時數據采集頻率1 Hz（不包含人員信息表、系統日志表、配置記錄表、船型表、消息記錄表和船長日志表等）來計算，每秒可產生20 行數據，1 h 為72 000 行數據，每包數據所占的字節空間 最 大 為200 B，1 h 存 儲 數 據 所 占 的 空 間 為14 400 000 B 也就是13.73 MB。通過以上計算可知，1 h 最大存儲13.73 MB 的數據，假設一次外輸作業為24 h，則要存儲329.52 MB 數據，500 GB 的數據硬盤能支持做1 553 次數據采集。

數據庫設計包括：物理狀態設計、表設計、表關聯設計、數據庫監控、數據庫存儲過程設計、數據庫查詢過程設計等。數據庫軟件功能在后臺運行。后面介紹數據存儲模塊和數據查詢模塊。

2.3.2 實時預測功能

實時預測功能是基于實時監測300 s 內FPSO與穿梭油輪之間相對夾角數據，通過數學模型計算得到FPSO 與穿梭油輪未來一段時間內的相對夾角，以文字、曲線、船舶示意圖形式呈現，并帶入實時監測數據進行修正，經多次解算與修正后最終實現較高預測準確率。

采用IBM SPSS 數據分析軟件，分析實時測量的夾角。分析結果表明，夾角隨著時間的變化在一定范圍內上下浮動，夾角的變化趨勢在不同的時間段所構建的曲線形式是不同的，故采取多種函數關系進行驗證。

假設預測夾角為一個未知量，時間為變量，相對夾角是因變量，其預測曲線如圖3所示。由圖3（a）～3（d）可知，基于IBM SPSS 軟件，在外推60 s、120 s 和300 s 這3 種條件下，分析線性函數、二次函數、三次函數、逆函數等函數關系的適用性。分析結果表明，三次函數關系的R2值最大，即三次函數適用性最佳。建立數學模型如下：

式中：t為外輸作業時間，單位s；d0、d1、d2、d3為待定系數；f(t)為FPSO 與穿梭油輪相對夾角，單位（°）。

圖3 中R2的含義為自變量所能解釋的方差在總方差中所占的百分比，取值越大，說明模型的效果越好。即回歸關系可以解釋因變量R2×100%的變異，如果控制自變量的值不變，則因變量的變異程度平均會減少R2×100%。

圖3 預測相對夾角曲線分析圖Fig.3 Analysis diagram of prediction curves for relative included angles

在實際外輸中，將相對距離、相對夾角以及預測的相對距離和夾角等歷史數據經數據庫查詢后導入Excel 處理，分別生成相對距離和相對夾角的擬合曲線，如圖4所示。其中藍色為實時數據，紅色為1 min 預測數據，綠色為5 min 預測數據曲線。

圖4 預測相對距離、夾角曲線實時圖Fig.4 Real-time diagram of prediction curves for relative distances and included angles

由圖4 可看出，數據算法中相對距離和相對夾角擬合較好，數據符合程度高。FPSO 和提油輪預測數據與真實數據進行比對可知，位置數據在4 m之內，夾角在±2°之內。由于FPSO 與提油輪載重比較重，運動相對緩慢，對數據的預測算法可以滿足系統要求。

2.3.3 實時預警功能

根據FPSO 外輸作業應急反應程序等規定，對本系統的實時監測數據和運動狀態預測結果劃分危險狀態預警等級?，F場外輸作業應急反應程序規定，有以下危險狀態時應急程序啟動，包括但不局限于：

1）風力，浪高預警。外輸期間如遇到大風，當風力達到16.9 m/s（7 級）或者有效波高超過4.1 m時停止外輸作業，穿梭油輪要盡快解攬離泊，必要時根據總監指令實施應急解脫。

2）系泊大纜拉力預警。外輸期間系泊大纜拉力低于20 t 時，調整拖力并密切注意穿梭油輪與FPSO的相對位置變化情況。當大纜拉力高于80 t 時，做好停止外輸及穿梭油輪離泊的準備。當拉力達到100 t 時報告給系泊船長，穿梭油輪準備拆除外輸軟管；在30 min 內拉力2 次超過120 t 時，應停止提油作業，解掉大纜，穿梭油輪離開FPSO 所在油田區域。

3）船體運動狀態。當系泊大纜與FPSO 的艏艉線夾角達到30°時，及時調整穿梭油輪的方向，做好停止外輸的準備。當系泊大纜與FPSO 的艏艉線夾角接近45°時立即停止外輸，穿梭油輪做好拆除外輸軟管的準備。當夾角超過45°并有繼續增大的趨勢時，相關人員按照外輸緊急部署就位，視現場情況決定穿梭油輪是否離泊。

2.4 移動端設計

移動端選擇中柏29.46 cm（Jumper，11.6 英寸）win10 EZpad Go 4G+128G 平板電腦，可在手持終端上實時查看各傳感器測量數據并對光電測量設備進行控制。手持終端機接收無線傳輸基站發送的信息，在軟件界面上體現類似于FPSO 智能管理平臺服務器的軟件系統的監測、預測及預警3 大功能，各手持終端機之間、手持終端機和服務器之間可實現信息交流，手持終端機具備自賦值和遠程訪問FPSO 智能管理平臺服務器的功能。

3 系統硬件實現

3.1 硬件架構設計

光電測量系統在船載電源箱的供電下進行工作，獲取圖像信息以及激光測距信息，并進行目標跟蹤，將圖像信息和轉臺角度信息和距離信息通過光端機轉換為光信號，經船上通信網絡發送至船上顯控計算機，由安裝在顯控計算機中的光電綜合處理軟件進行圖像數據的接收，并在顯控計算機中進行顯示、處理，計算偏離角和船距信息，判斷是否超出預定范圍，將報警信息發送給報警系統。

光電測量儀主機組成包括：可見光高清攝像機、激光照明器、激光測距機、紅外熱像儀、光譜檢測儀5 個有效光學載荷，以及海用光電轉臺、視頻跟蹤器等平臺部件，如圖5所示。

圖5 光電測量儀主機組成框圖Fig.5 Composition block diagram of photoelectric measuring instrument host

圖5 中，海用光電轉臺內部由轉臺結構體、電源轉換板、信號處理板、伺服控制器等組成。電源轉換板將24 V 電源電壓轉換為內部各模塊所需要的電壓，信號處理板轉發內部各控制信號和視頻信號，伺服控制器實現控制算法驅動轉臺運動，轉臺結構體實現結構支撐和環境防護。船載電源通信箱包含防護箱體、ACDC 轉換電源模塊、視頻光端機、光纖盒等。ACDC 轉換電源模塊實現從220 V交流電到24 V 直流電的轉換，為光電測量主機提供電源，視頻光端機將光電測量主機輸出的電信號轉換為光信號進行傳輸。顯控計算機安裝于FPSO 控制中心，內部包含光電綜合處理軟件，實現人機交互以及數據接收、顯示和處理。

3.2 光學器件設計

要求系統具有實時監測功能，因此選擇可見光相機進行實時視頻監測，為了增強夜晚光線，選擇激光照明器在特定情況下對可見光相機進行輔助實時視頻監測，同時添加紅外熱像儀作為補充視頻監測。為了實現對FPSO 與穿梭油輪之間的距離進行精準測量，選擇激光測距機進行激光測距。

在FPSO 原油外輸作業中，FPSO 與提油輪的距離大約在70 m～100 m 左右，光電轉臺安裝在FPSO船艉，高清攝像機監測提油輪船艏某個目標。

要求系統具有廣角大視場，至少能覆蓋整個提油輪。最大提油輪總長245 m，則提油輪兩端對相機的夾角為

若采用3.45μm 像元的探測器，則1 920×1 080 pixel 的靶面大小為6.624 mm×3.726 mm，對角線長度為7.6 mm。該視場下焦距為

指標要求中,假設觀測目標大小為0.4 m×0.4 m，在200 m 外實現目標探測（探測像素按8×8 pixel 計算），則滿足探測要求的光學系統焦距為

因此，采用焦距為6.2 mm～13.8 mm 的光學系統即可滿足設計指標要求。

在紅外相機選擇方面，由于常見1 280×1 024 pixel 非制冷焦平面陣列探測器的像元尺寸通常為12μm，靶面大小為15.4 mm×12.3 mm，對角線長度為2y′=20 mm。為了與高清可見光相機的視場范圍匹配，故相機廣角視場角應達到2ω=60°，半視場角ω=30°，相機焦距為

長焦焦距應滿足對目標的探測需要，假設觀測目標大小為0.4 m×0.4 m，在200 m 外實現目標探測（探測像素按8×8 pixel 計算），則滿足探測要求的光學系統焦距為

因此，采用焦距為18 mm～48 mm 的紅外光學系統即可實現指標要求。

選擇激光測距機及激光照明器時，首先選擇對人眼安全的設備，避免提油輪上的工作人員直視而發生眼部傷害。由于本系統的預測準確度與測距值有直接關系，故選擇測距機時優先考慮短距離、精度高的設備。

此外，系統還要求可以在外輸作業時對外輸軟管狀態進行監測，一旦發生因外輸軟管破裂導致原油泄漏的情況，通過系統的實時監測可及時發現溢油，并根據光譜檢測圖像對溢油的危險狀態進行定級。白天使用可見光譜段進行光譜檢測，夜間則使用激光照明器作為主動光源，選擇近紅外譜段進行光譜實時監測[9]。

本系統通過模擬海上外輸的不同環境及被監測物質的不同屬性來實現光譜儀對被監測物質光譜頻段的學習，最終實現在150 m 范圍內對溢油及時探測并鎖定溢油位置、油液擴散范圍和運動軌跡的圖像。如圖6 和圖7所示，高光譜相機獲取水體某一區域信號，通過區域信號來判斷水體目標的光譜信息，如水質中含有某些特定成分（溢油），則區域內對應的信號從光譜角度進行分析，可知與正常水體的特征光譜是存在差異的，然后通過機器學習的方法，對光譜曲線進行訓練學習，得到相應的數據模型，進而為后續的油污檢測提供分析依據。

圖6 光譜數據采集示意圖Fig.6 Schematic diagram of spectral data acquisition

圖7 光譜曲線圖Fig.7 Spectral curves

通過圖7 可明顯看出，在450 nm～650 nm 波段內油漬與水的光譜圖像有明顯差別，油漬反射的光強度遠高于水，因此可通過建立相應的數學模型實現對油漬的識別定位。

3.3 無線傳輸系統設計

系統建立無線傳輸基站進行數據信號傳輸，無線基站主機安裝在FPSO 中控室，FPSO 無線基站室內天線通過WiFi 模式與顯控終端進行數據信號交換。FPSO 無線基站室外天線安裝于FPSO 船艉至高點，通過手持單兵基站與無線基站建立鏈接，平板電腦與手持單兵基站建立鏈接，將數據信號傳送到穿梭油輪和拖輪上的平板電腦上。無線基站的建立模式如圖8所示。

圖8 無線基站示意圖Fig.8 Schematic diagram of wireless base station

4 系統實現

4.1 系統集成

根據各集成設備的接口要求，需要集成的器件有5 類傳感器，接口主要有RS-232 及RJ-45。為使兩種接口類型的數據均由RJ-45 輸出，采用串口服務器USR-N668 來轉換數據，實現串口與網口數據的收集交互。傳感器的集成布局如圖9所示。

圖9 傳感器集成布局圖Fig.9 Layout of sensor integration

圖9 中，USR-N668 輸入端與RS-232 接口傳感器相連，輸出端連接至網絡交換機；光電測量設備的數據由光纖輸出端轉換成網絡數據，將數據通過RJ-45 打包發送到網絡交換機；網絡交換機的輸出端再與軟件終端機器相連，實現軟件對傳感器數據的讀取和對光電測量設備的控制。通過無線局域網的搭建，軟件終端所顯示視頻數據及圖表數據可發送到穿梭油輪和拖輪上，使手持終端實現數據共享。

4.2 系統應用測試

該系統應用于南海某FPSO 外輸作業過程中，系統對數據進行實時采集，并將所采集到的數據通過光纜或無線傳輸模塊傳輸到上位機平臺，由上位機按照時間順序進行分類存儲，并以直觀的方式將數據在顯示窗口進行更新顯示，如圖10所示。

圖10 軟件系統主界面Fig.10 Main interface of software system

針對監測數據延時進行以下測試：在復合光電轉臺前方放置秒表計時器，系統實時顯示可見光圖像，此時對秒表計時器與顯示的可見光圖像同時拍照，比較秒表計時器實際計時值T1與顯示的可見光圖像上秒表計時器值T2，并計算T1和T2差值。按以上方法連續測3 次取平均值，可得出監測數據延時。

針對測距誤差與夾角誤差進行以下測試：在復合光電轉臺前方放置目標物，啟動轉臺跟蹤功能，記錄此時轉臺的方位角值γ1，測距機測距值AC1，并用測量工具測量出目標物與轉臺的實際距離AC2，沿目標物與轉臺連線的垂直方向水平移動目標物后，記錄轉臺方位角值γ2，并且用測量工具測量出目標物的移動距離AC3，計算AC1與AC2差值L。按以上方法連續測3 次取平均值，可得出轉臺測距精度ΔL。

通過（2）式可計算出γ與 θ，并計算其相差值。按以上方法連續測3 次取平均值，可得出轉臺跟蹤精度 Δγ。

如圖11所示，B點為FPSO 系泊大纜儀，C點為提油輪系泊大纜儀，A點為復合光電轉臺，CD為兩船相對距離，CD⊥AB，FPSO 與提油輪相對夾角為α。設轉臺零位垂直于FPSO 船艉，轉臺跟蹤角為γ，β=90°-γ，AC為轉臺測距機測量值，AB≈5 m。

圖11 測角精度誤差分析Fig.11 Diagram of error analysis of angle measurement accuracy

根據以下公式計算相對夾角：

FPSO 與提油輪相對夾角α的監測誤差與轉臺角γ的精度以及轉臺測距機測量值AC的精度相關。

設AC=70 m，γ=5°，則：

通過（4）式計算可得FPSO 與提油輪相對夾角監測誤差，若該值小于1°，則滿足系統要求。

測試結果表明：系統監測數據延遲≤0.5 s，FPSO 與穿梭油輪相對距離測量誤差≤0.4 m，FPSO與穿梭油輪相對夾角測量誤差≤0.2°，120 s 內夾角預測精度≥80%。

在外輸作業過程中，主界面的預警模塊會根據預警值設置不同的預警顏色和信息。在系泊纜拉力超過120 t 時，預警達到一級，預警燈變為紅色，同時顯示出預警信息。

此外，在數據顯示界面，可以對FPSO 以及拖輪的船艉進行視頻顯示，還可對風速風向、浪高浪速、流速流向、拉力、FPSO 以及穿梭油輪和拖輪的經緯度和航向等數據進行波形圖表顯示。在歷史數據查詢界面，可以通過選擇對應的日期和時間對3 個月內的歷史數據進行查詢。在此功能欄中，可以選擇任意傳感器進行監測，視頻及文字信息查詢。

5 結論

本文提出了一種FPSO 原油外輸光電輔助決策系統的設計方案，系統集成了FPSO 原有傳感器的監測信息，增加了由可見光探測、紅外探測、激光測距/照明以及光譜分析技術組成的光學探測設備，在硬件集成的基礎上開發了軟件系統，并建立了系統專用的無線自組網絡。

該系統可實現視頻實時監測、數據實時預測/預警等功能，通過激光測距與機械傳感器測角可測量外輸作業相對距離與夾角，并對外輸軟管的狀態進行實時光譜監測。系統解決了目前FPSO外輸作業時存在實時監測數據不全面，缺少FPSO與穿梭油輪之間夾角和間距監測，以及對外輸軟管狀態監測等問題，為外輸指揮人員進行外輸作業提供了可視化參考依據。