一種三維動態測量系統在海洋工程中的應用*

杜軍波

(92941部隊95分隊 葫蘆島 125001)

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一種三維動態測量系統在海洋工程中的應用*

杜軍波

(92941部隊95分隊 葫蘆島 125001)

論文主要介紹了一種三維動態測量系統的組成、工作原理等。通過油盛鉆井平臺在SZ36-1 WHPL平臺對接作業中的應用舉例,不僅保證了定位引導系統的精度,而且還可以實現虛擬三維實景顯示,提高了鉆井平臺對接過程的直觀性、真實性、安全性等,具有廣闊的應用前景。

海洋工程; 三維動態測量; 虛擬現實

Class Number P288.4

1 引言

海洋石油開發是世界上公認安全風險最大的行業之一,近幾年,海洋工程施工的精度要求也越來越高,例如,2002年之前,安裝在海上的導管架上一般有不超過16口的作業井口,鉆井平臺與導管架、水下井口對接定位工程的定位作業要求鉆井平臺艏向精度為±2°,定位精度為±0.5m,施工進度沒有明確的要求;而近幾年來,導管架上一般都有超過24口的作業井口,為了保證鉆井平臺能夠完全覆蓋井口,鉆井平臺與導管架、水下井口對接定位工程的作業精度要求鉆井平臺艏向精度為±0.25°,定位精度為±0.2m,施工進度有明確的要求和日程安排。因此,海洋工程傳統的定位引導作業方法和手段受到挑戰,要求向技術高、精、尖以及高效、高可靠性方向發展。

一直以來,鉆井平臺與導管架、水下井口的對接都采用二維平面定位的方式進行定位引導,平臺的縱橫搖角度忽略不計。由于測量精度較低,致使測算的數據與鉆井平臺的實際位置方位產生較大的誤差。對于某些特種作業任務的高精度定位需求,由海風、潮流等環境因素對載體產生的多自由度復合運動引起的位置偏差是不能忽略的。在水深為30m的作業區域,當鉆井平臺產生0.5°的縱橫搖誤差時,樁腿底部就會產生0.26m的偏差。現如今,各個固定平臺都延伸出多條管線,如果測量精度稍有偏差,定位過程就會存在鉆井平臺樁腿刮碰海底管線的風險,為實施就位任務帶來決策上的困難。

三維動態測量系統可實現海上移動目標的水面/水下全景顯示,通過高精度的三維實時測量,建立了基于計算機虛擬現實技術的對接三維場景,復雜移動被測目標及水下地形地貌三維圖形得到重構及直觀顯示,從而實現對接過程的三維高精度定位,取消了潛水員下水作業環節,大大降低了作業風險。

2 系統構成

本系統主要包括兩部分內容,第一部分是通過激光陀螺慣導系統(INS)、差分GPS(DGPS)、電羅經、超短基線水聲定位系統(USBL)等多種傳感器,實現鉆井平臺與導管架和水下井口對接的高實時性、強容錯性的三維實時參數測量。第二部分是利用虛擬現實三維動態實時顯示技術對鉆井平臺和導管架對接、鉆井平臺和水下井口對接的三維數學建模,實現整個對接過程的全程三維顯示(數字化三維虛擬實景顯示)。

設備安裝情況及各部分作用如下:

差分GPS基準站安裝于導管架(水面對接)和岸邊(水下對接),移動站、INS、電羅經、全站儀安裝于鉆井平臺上;USBL水聽器安裝于鉆井平臺底部,應答器安裝于水下井口。

1) 差分GPS

在水面對接作業時,差分GPS的作用如下:

(1)測量鉆井平臺航向

工作人員首先精確測量差分GPS基準站的位置及導管架的方位信息,根據差分GPS基準站對移動站發送的差分校正量信息準確計算GPS移動站的位置,利用已知兩站的位置和導管架的方位角信息,可以計算出鉆井平臺的航向角;

(2)測量鉆井平臺與導管架相對位置

在已知GPS基準站的精確位置的前提下,利用差分GPS技術,通過基準站發送給移動站的差分校正量,計算出鉆井平臺相對于導管架的位置信息。

在水下對接作業時,GPS主要用于鉆井平臺的定位。

2) INS

激光陀螺慣導系統用于測量鉆井平臺的速度、位置、姿態。

3) 電羅經

電羅經用于測量鉆井平臺航向信息。

4) 全站儀

全站儀用于水面對接部分,測量鉆井平臺相對于導管架的位置和傾角,并輔助差分GPS測量鉆井平臺的航向。

5) USBL

USBL用于水下對接部分,測量水下井口相對于鉆井平臺的位置和方位角。

3 工作原理

3.1 水面對接部分工作原理

系統的結構如圖1所示。鉆井平臺與導管架的對接應保證鉆井平臺懸臂梁伸出后,懸臂梁上的鉆臺在縱向和橫向上最大的移動范圍內覆蓋導管架上的作業井口,即鉆井平臺的懸臂梁移動窗口完全覆蓋作業井口區。

圖1 系統方案結構圖

對接作業時,工作人員首先到達導管架,精確測量導管架上差分GPS基準站的位置以及導管架的方位信息。在鉆井平臺上,利用INS測量鉆井平臺的姿態,INS、差分GPS、電羅經組合系統測量鉆井平臺的航向,差分GPS和全站儀測量鉆井平臺與導管架的相對位置及傾角,并將這些信息送入計算機主機,在主機中對采集到的數據進行預處理和時間同步,然后進行坐標轉換,使各部分空間統一,進行誤差補償之后利用信息融合技術將數據進行融合,并在屏幕上實時的進行三維顯示。

圖2 鉆井平臺與導管架的相對位置

根據鉆井平臺實時的姿態以及鉆井平臺與導管架的相對位置的實時監測,利用拖船以及鉆井平臺自身的錨纜,沿著設定的引導線向導管架靠近,直至達到設計要求位置后插樁固定。如圖2所示,導管架坐標系為OjXjYjZj,Kj為導管架的方位角,Kj與Yj方向一致,P為定位點,其坐標在OjXjYjZj中為(xjp,yjp,zjp),在WGS-84坐標系中為(xp,yp,zp),鉆井平臺的橫搖角為θ,縱搖角為ψ,航向角為K,在對接過程中,鉆井平臺與導管架的相對位置由以下幾個參數決定:鉆井平臺艏向K、縱向距離Pe、橫向偏距Se、徑向距離Re、高差Zp、牽引角Dp。

3.2 水下對接部分工作原理

系統的結構圖如圖3所示。對接作業時,工作人員首先應該精確測量在近海岸上的差分GPS基準站的位置以及方位信息。

圖3 系統方案結構圖

圖4 鉆井平臺與水下井口的相對位置

在鉆井平臺上利用INS和DGPS組合測量鉆井平臺的位置、速度,姿態信息由INS提供,INS、電羅經組合系統測量鉆井平臺的航向,USBL測量水下井口與鉆井平臺的相對位置,并將這些信息全部送入計算機主機,在主機中對采集到的數據進行預處理和時間同步,然后進行坐標轉換,使各部分空間統一,進行誤差補償之后利用信息融合技術將數據進行融合,并在屏幕上實時的進行三維顯示。在聲基陣探頭理想安裝狀態下,利用USBL定位結果及水下運動目標的方位角,可將水下目標的位置信息轉換到大地坐標系統中,得到水下目標的絕對位置(地理坐標)。

4 虛擬現實三維動態實時顯示技術

基于虛擬現實技術作為定位信息的一種可視化解決方案,如圖5所示。

定位引導系統包括海上石油開發環境(海面、鉆井平臺、固定平臺、海底管線、拖船、障礙物等主要內容,適用小、中型海上石油開發企業。本定位引導系統涉及虛擬海上石油開發環境展示、測量設備的實時動態數據采集及解算、虛擬環境動態變化等功能。

圖5 虛擬現實三維顯示系統的作用

基于虛擬現實技術的海上石油鉆井平臺對接測量定位系統在開發過程中采用桌面型模式,運用了如下技術:虛擬現實技術及其平臺;Vega、3D Max、MultiGen Creator軟件;組件化技術、中間件技術;外存與內存協同數據處理技術;并行計算技術;多數據接口技術。

5 實際工程應用

以鉆井船和油盛鉆井平臺的對接為例說明運行效果。

油盛鉆井平臺拖航前在SZ36-1 WHPL平臺進行鉆井作業。據甲方提供鉆井船船型資料,鉆井平臺船長64.9224m,寬64.6281m。懸臂梁鉆機縱向可移動18.288m,橫向移動±3.6576m。船尾有長為0.63m,寬為3.5m突出物。鉆井平臺如圖6所示。

圖6 油盛鉆井平臺

根據用戶提供資料可知,如圖7所示,BZ26-3 WHPA平臺位于LAT=38°15′16.475″N,LON=119°13′56.356″E(平臺槽口中心位置),平臺結構北方位為:8.8°。導管架分布4列、4排共16井,井口橫向間距2.0m,縱向間距2.0m。

根據甲方提供資料,在BZ26-3 WHPA平臺附近,有至BZ26-3-B的3條管纜,距設計右前錨最近的距離約為170m;至BZ25-1-D的2條管纜,距設計右后錨最近的距離大約150m;至BZ26-2-A有一條氣管線。本次對接就位鉆井平臺設計艏向99°,要求覆蓋A3、A12兩個井口。

圖7 BZ26-3 WHPA平臺

進行鉆井平臺起拖前準備工作;進行中控室設備安裝:進行GPS天線安裝;進行全站儀的安裝。

對接三維動態實時顯示如圖8(a)～(c)所示。

(a)

(b)

(c)圖8 三維動態實時顯示

鉆井平臺和導管架對接完畢所在位置如圖9所示。

最終對接就位結果如下:

平臺艏向:97.50°;

縱向距離:9.148m;

橫向偏距:0.124m(偏右);

徑向距離:9.149m;

高差:0.194m;

牽引角:99.31°。

運行結果表明,差分GPS定位精度可以保證鉆井平臺就位精度,多傳感器組合能夠保證航向信息輸出最優,并且鉆井平臺和導管架相對位置測量也能夠達到性能指標,系統總體設計合理,實際操作達標。

圖9 鉆井平臺和導管架對接完畢所在位置

6 結語

基于虛擬現實技術的海上三維動態測量系統不僅采用了USBL定位技術、DGPS技術,而且還運用了三維圖像形成技術,即保證了定位引導系統的精度,而且還可以實現虛擬三維實景顯示,提高了對接過程的直觀性、真實性、安全性等。可以用于鉆井平臺和導管架對接、鉆井平臺和水下井口對接;還可以應用于水下探測、深海海域作業以及用于各種軍事用途的水下勘察。所以在海洋工程中有廣闊的應用前景。

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Application of Three-dimensional Measurement in Ocean Engineering

DU Junbo

(Unit 95, No. 92941 Troops of PLA, Huludao 125001)

This paper introduced three-dimensional measurement system including composition, work principle. The system ensured positioning guidance system accuracy and realized virtual three-dimensional realistic display and improved intuitionism, factuality, and security of drilling platform butting through butting work application between YouSheng drilling platform to SZ36-1 WHPL platform. The system can be used widely.

ocean engineering, three-dimensional measurement, virtual reality

2014年11月8日,

2014年12月22日

杜軍波,男,工程師,研究方向:無線電及衛星定位導航。

P288.4

10.3969/j.issn1672-9730.2015.05.032