基于原型測量的渤海導管架平臺抗冰保障系統

王譯鶴，岳前進，畢祥軍

(大連理工大學工業裝備結構分析國家重點實驗室，遼寧大連，116024)

寒區海洋平臺主要以固定式平臺為主，分為樁式平臺和重力式平臺2種。其中，鋼質導管架平臺是目前冰區最普遍采用的一種結構形式。目前，渤海的許多鋼質平臺已經接近或達到了服役年限，繼續服役的最大問題就是安全問題。然而，目前的寒區海洋結構的設計和安全評估都是從極端冰荷載出發，即只考慮最大靜冰力或最大傾覆力矩是否能推倒平臺。在冰與結構相互作用過程中，冰的破碎還產生交變荷載并引起結構的振動。實際上，從20世紀60年代美國在阿拉斯加庫克灣的導管架采油平臺就發現了冰激振動現象［1］;20世紀70年代波斯尼亞灣的燈塔在冰激振動的作用下倒塌;80年代波弗特海的Molikpaq沉箱在冰激振動下地基發生砂土液化［2］;我國渤海自20世紀80年代后期，在渤海遼東灣地區相繼建造的多座平臺，也發生了比較劇烈的冰激振動，2000年冬天，JZ20-2MSW平臺劇烈的冰激振動造成平臺上部連接法蘭松動而導致天然氣的泄漏，平臺關井停產;持續的冰激振動對JZ20-2MUQ、JZ9-3平臺的作業人員也產生影響，降低了舒適度和工作效率，嚴重時會危害其身心健康。最近，幾座新建的簡易抗冰平臺在冬季發生強烈的冰激振動，相比傳統導管架平臺更加甚之，嚴重威脅上部設施。但由于海洋環境條件及海冰對結構物作用過程的復雜性，國內外目前對海冰的研究還遠不能滿足工程建設的需要。隨著渤海油氣資源開發規模的不斷擴大，結冰期連續生產作業將成為不可回避的現實，因此，渤海冰期油氣開發中的基于原型測量的導管架平臺抗冰保障就顯得至關重要。建立一套完備的原型測量系統需要考慮諸多方面，本文旨在建立渤海導管架平臺抗冰保障系統的渤海原型測量系統各組成部分的設計與布置，并介紹渤海導管架平臺抗冰保障系統的構成與運行。

1 原型測量系統

渤海為季節性結冰海域，且海冰在潮流的驅使下運動頻繁。另一方面，相比高緯度海域海冰，渤海海冰厚度較薄，一般在10～20 cm，最大設計冰厚45 cm。

由于油氣資源分布離散，渤海導管架平臺的設計需要考慮經濟因素，因此平臺剛度明顯低于庫克灣的導管架平臺［1］，無法避免冰激振動。

完備的原型測量系統必須包括如下信息:

1)作用于結構水線處的冰力。理論上，作用于結構樁腿的總冰力，可以由結構上部位移，導管架平臺水下局部應變等結構響應信息計算得到。然而由于結構自身復雜的多自由度響應，實事上無法實現樁腿總冰力的計算。另一方面，冰荷載研究更加關心海冰與結構接觸面上的局部破壞行為，因此有必要進行如加拿大波弗特海沉箱結構Molikpaq上進行的冰力的直接測量［3］。

2)結構上部位移。這里需要指出，海洋上沒有固定參考系，因此只能測量上部位移交變量。除結構上部位移以外，結構水下局部應變數據可以反映結構的整體變形，加拿大波弗特海的原型測量就曾利用這一數據［2］。渤海導管架平臺JZ20-2NW進行了水下應變測量，這部分內容非本文重點，不作詳細論述。

3)冰況參數。作用于結構的冰力及其引起的冰激振動取決于結構裝腿水線處的形狀、尺寸和冰況參數。最重要的冰況參數為冰厚、冰速、冰強度，它們決定了冰力幅值與周期。通常情況下，冰強度無法實現現場測量，而冰厚冰速可以通過特定的技術實現現場測量。

4)其他相關信息。海冰的生長與漂移取決于如氣溫、風速、風向、潮流等氣象條件。因此這些氣象數據也要同步記錄，以便用來解釋測量得到的冰力與結構響應數據。

圖1所示為安裝在導管架平臺JZ20-2MUQ上的原型測量系統，包含用以測量上述數據的全部設備。

圖1 JZ20-2MUQ平臺上的原型測量系統Fig.1 Typical field measuring system on JZ20-2MUQ

2 壓力盒

壓力盒被安裝在冰與結構樁腿之間作用界面上，以直接測量冰力。關于壓力盒的設計與制造需考慮的問題，在許多文獻中都有過討論。渤海原型測量系統中的壓力盒設計與制造主要考慮如下方面:

1)壓力盒外形。壓力盒的外形要保持與原結構一致。例如，如果測量結構為圓柱形樁腿，則壓力盒必須與樁腿具有相同的圓柱形外形。

2)準確測量冰力的能力。壓力盒必須具有足夠的量程與靈敏度，并且有足夠高的響應頻率以記錄冰力中的高頻分量。

3)可靠性。考慮到環境腐蝕的問題。壓力盒內的電子器件要做好防水密封。另外，如果壓力盒要安裝到已經建好的平臺上，則要保證壓力盒的安裝過程簡單快速。

考慮上述各方面，渤海原型測量系統中采用的冰壓力盒的物理模型如圖2所示。

圖2 壓力盒結構簡圖Fig.2 Theoretical sketch of the ice load panel

渤海原型測量系統中共使用了2種壓力盒，以便測量圓柱樁腿和錐體結構上的冰力，圖3所示為錐體結構壓力盒。壓力盒采取分片布置以測量局部冰力。圓柱樁腿上的壓力盒分為上下2行，每行6個分片，這樣布置是為了適應潮位的變化，保證冰力的持續測量。

圖3 圓柱腿壓力盒，樁腿直徑為1.5 mFig.3 Cylinder load panel，diameter of the leg is 1.5 m

3 結構響應

當導管架平臺在動冰力作用下發生冰激振動時，響應主要集中在最低的幾階振型。在1999年和2000年冬季的早期原型測量中，導管架平臺各層甲板上均布置了用以測量加速度的拾振器，以獲得平臺振動的整體振型。然而后續的數據分析表明平臺主要以一階振型振動，這樣，只需測量某層甲板的一個位移信號，便可獲得整個平臺的振動信息。

渤海原型測量系統采用了891-II和891-Ⅳ這2種拾振器來測量導管架平臺的位移或加速度。這2種拾振器很適于獲取低頻振動信號，滿足渤海原型測量的需要。

4 冰況參數

如前文所述，現場可測量的最重要的冰況參數為冰厚和冰速，這2個參數影響著冰力幅值和動冰力的頻率。至今已有多種技術被應用到冰速與冰厚的現場測量，例如加拿大波弗特海上的海冰厚度較大，且冰速較低，所以冰厚通過采樣鉆孔測量，冰速利用冰板上的傳感器測量［2-3］。Norstr?msgrund燈塔則采用了聲吶和激光掃描技術來測量冰厚和冰速。

在渤海，海冰冰厚主要在10～20 cm甚至更薄，這樣聲吶技術無法滿足測量的精度要求，所以渤海原型測量系統采用圖像識別技術來測量冰速和冰厚以及海冰密集度。高分辨率攝像頭被用以記錄海冰圖像，然后利用海冰圖像提取冰厚，冰速和海冰密集度。

圖4 通過視頻提取冰厚原理示意圖Fig.4 Theoretical sketch of the ice thickness estimation technique

圖4所示為通過圖像獲取冰厚的原理。圖像中的尺寸l取決于現場真實尺寸L，距離H和f，如果H遠大于L且H為常量，則l與L近似為比例關系。

如果在現場布置一個已知長度L的物體，并記錄圖像中的像素點，這樣便完成了真實尺寸與圖像像素點之間的標定，這樣，現場的真實海冰尺寸L可由圖像中的像素點計算得到。

海冰冰速和運動方向的計算，主要是通過對不同時刻海冰圖像中特征點的提取和匹配來實現。在采集的視頻中，提取相同時間間隔的多幀海冰圖像，并通過相鄰幀圖像間特征點的對比確定海冰的速度。特征點一般是指位于圖像中不同高度區域交界處的像素點，一般使用角點特征以減小計算量，提高匹配速度。針對海冰速度的圖像監測特點，渤海原型測量系統采用Harris算法進行海冰圖像中特征點的提取。

Harris角度是一種基于圖像灰度的檢測方法，通過計算角點的梯度和曲率來確定角點，即確定圖像中灰度變化劇烈的點。這里以2010年2月15日09:20時的海冰監測視頻圖像為例，其特征點及其在不同時刻的移動情況如圖5所示。Harris算法的基本原理是取以目標像素點為中心的一個小窗口，并將窗口沿上下左右4個方向移動，計算4個方向上窗口內的灰度變化，并以4個值中的最小值為該目標像素點的角點響應函數值。若該值大于閾值，則為角點。Harris算法通過計算窗口沿任何方向移動后的灰度變化，并用解析形式表達［4］。

若定義二維像素點的坐標為(x，y)，則Harris角點表示為

式中:Ⅰ為圖像像素矩陣，w是降噪處理的平滑窗，(x，y)為相應圖像像素坐標，Ⅰx和Ⅰy分別為圖像像素在水平方向和垂直方向的一階偏微商，Ⅰx2和Ⅰy2分別為圖像像素在水平方向和垂直方向的二階偏微商，(u，v)為偏移坐標。通過計算角點相應函數，可以檢測出圖像的角點，即:

通過Harris算子將特征點確定后，再通過相應的特征點匹配方法將不同圖像中相對應的特征點對應起來，從而確定不同時刻海冰的移動位移。渤海原形測量系統采用了一種簡單的引導互匹配算法進行特征點的匹配。當圖片的特征點不明顯的時候會產生誤匹配點，并導致計算誤差。這時就需要將誤匹配點進行消除［5］。渤海原形測量系統采用了一種基于EM算法學習高斯混合模型(GMM)的聚類方法進行誤匹配點的消除，該方法可以表示為

其中，

式中:φ(x;θj)是第j個混合分量，也是一個d維高斯密度，其中θj是其參數，wj是第j個混合分量的混合系數，k是混合模型中分量的個數。mj和σj是第j個分量的均值和協方差矩陣。用EM算法估計GMM的任務就是估計參數wj、mj和σj，并通過不斷地更新以保證訓練數據似然度單調地增加。

采用以上方法對圖5中3個不同時刻(09:21:04、09:21:09和09:21:14)的海冰速度進行了確定，分別 為 (76.79 cm/s，278.19°)、(77.96 cm/s，278.86°)和 (79.26 cm/s，279.11°)，其 均 值 為(78.00 cm/s，278.72°)。這里的流向以向上為 0°，順時針旋轉向下為180°。在海冰現場監測中為確定地理坐標上的冰向，需要對采集圖像的角度進行標定。

渤海原型測量系統采用最大類別方差法對海冰圖像中的海冰和海水進行分割。在海冰密集度的確定中最關鍵的問題是將目標(海冰)從背景(海水)中識別提取出來。渤海原型測量系統選用全局閾值分割方法對圖像進行分割。首先用同態濾波方法增強圖像，然后對圖像進行邊緣檢測，并通過形態學方法對邊緣圖像進行修整。在得到海水與海冰的二值圖像后，乘以射影矯正矩陣，計算其中白色像素區域占整個區域的百分比，便可得到海冰密集度。

圖5 海冰速度圖像監測中特征點的提取示意圖Fig.5 Sketch of the extraction of the characteristic point during ice velocity calculation using ice video

然而，當海冰受光照、陰影、天氣等因素影響時，冰和水之間的界限不太清晰，這時簡單的全局閾值方法不能滿足精度要求。為此，渤海原型測量系統采用了自適應閾值方法，并做了如下3方面的改進，即對圖像進行壓縮以減小計算量，對灰度進行均衡化以增強圖像對比度，估算最優閾值范圍以簡化分割算法［6］。假設閾值t將具有L級灰度的圖像分割為2 類:C0∈［t，0］和C1∈［t+1，L-1］。對圖像直方圖歸一化之后，得到灰度為i的像素分布概率為

式中:N為圖像總像素數，ni為圖像中灰度為i的像素數，則C0和C1出現的概率及均值分別為

根據最大類間方差法，計算C0和C1類的類間方差為

以上圖像處理方法計算簡單，穩定性強，并方便程序進行批量圖像的處理。這里以2010年01月01日13:30在JZ20-2海域采集的海冰圖像為例(如圖6(a))，對其進行二值化后對海冰和海水進行分割(如圖6(b))，由此得到海冰的密集度為86.1%。

圖6 海冰密集度計算(密集度為86.1%)Fig.6 Calculation of ice concentration(the concentration is 86.1%)

5 渤海冰激振動預報模型及平臺抗冰保障系統

根據對渤海導管架平臺失效模式的分析，海冰在圓柱樁腿導管架平臺上的連續擠壓破碎或海冰在樁腿加裝錐體結構的導管架平臺上的彎曲破碎導致的過大的平臺上部加速度將導致平臺上部管線設施的破壞和平臺工作人員的不適［7-13］。因此控制平臺上部加速度是平臺抗冰保障的關鍵。

圖7所示為樁腿加裝錐體結構的導管架平臺JZ20-2MSW一天中每5 min最大加速度曲線。顯然導管架平臺最大上部加速度取決于不同的冰況參數，及冰速與冰厚組合。渤海原型測量系統基于光滑粒子流體動力學方法(SPH)建立了海冰熱力動力學模型來預報渤海海冰參數，該模型利用美國國家海洋與大氣管理局的衛星圖像和波海原型測量系統的現場數據提取計算的初始條件和相關參數。

圖7 導管架平臺JZ20-2MSW一天中每5 min最大加速度曲線Fig.7 Maximum acceleration of JZ20-2MSW in every 5 minutes during one day

圖8所示為渤海遼東灣初始時刻(2000年1月25日08:40)后48 h的冰厚，冰速預測結果。

另一方面，基于大量的現場測量數據，最大平臺上部加速度和不同冰速冰厚組合的關系被統計出來(對于圓柱樁腿導管架平臺該關系只適用于渤海最為多發的隨機動冰力模式)(圖9)。

圖8 渤海遼東灣初始時刻(2000年1月25日08:40)后48 h的冰厚，冰速預測結果Fig.8 Prediction of ice thickness and velocity in the Liaodong Bay of the Bohai Sea 48 hours later than the initial time(08:40 Jan 25th2000)

圖9 JZ20-2MUQ平臺上部加速度與冰速冰厚關系Fig.9 The relationship between the topside acceleration of JZ20-2MUQ and the combination of ice velocity and thickness

由此，結合美國國家海洋與大氣管理局的衛星圖像，渤海原型測量系統的現場數據，和最大平臺上部加速度與不同冰厚冰速組合的關系，便可建立渤海導管架平臺冰激振動預報模型。圖10所示為樁腿加裝錐體結構的導管架平臺JZ20-2MUQ在48 h內最大上部加速度實測值與預測值的對比。

圖10 導管架平臺JZ20-2MUQ在48 h內最大上部加速度實測值與預測值的對比Fig.10 Comparison between the maximum topside acceleration field data and the maximum topside acceleration prediction of jacket platform JZ20-2MUQ during 48 hours

基于渤海導管架平臺冰激振動預報模型，平臺現場監測，和平臺失效準則，渤海導管架平臺抗冰保障系統得以建立(圖11)。

渤海導管架平臺抗冰保障系統根據冰激振動預報模型給出的平臺最大上部加速度預測值或平臺現場監測得到的最大上部加速度調動破冰船作業，以確保渤海導管架平臺避免較大振動，保障平臺安全。

圖11 渤海導管架平臺抗冰保障系統Fig.11 Safety guarantee of jacket platform in the Bohai Sea

6 結束語

在渤海的多座導管架平臺上，一套完備的原型測量系統被設計并部署多年。該原型測量系統針對圓柱形樁腿和加裝錐體結構樁腿設計、制造，并實施安裝了不同的壓力盒以實現冰力的直接測量。多個拾振器被安裝于導管架平臺甲板上，以測量平臺的波動位移分量。由于渤海海冰相對較薄，因此采用高分辨率攝像頭和圖像處理技術來獲取冰速和冰厚和海冰密集度等參數。包括冰力、結構位移、冰厚、冰速和其他相關環境氣象參數在內的全部現場數據同步記錄存儲，基于渤海原型測量系統的現場數據，渤海導管架平臺冰激振動預報模型和渤海導管架平臺抗冰保障系統得以建立，保障了渤海導管架平臺在冬季冰期的安全運行。

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