AIS在FPSO原油外輸作業中的設計應用

AIS在FPSO原油外輸作業中的設計應用

朱進全,鄭曉濤,董海杰

(中海油能源發展采油服務公司,天津 300452)

摘要：為了利用已有設備給提油作業指揮人員提供關鍵參考依據，提出集成AIS系統的方法。實例分析AIS的數據解碼過程，驗證集成AIS數據的可行性。對于AIS解碼后的GPS定位數據，借助Visual Studio程序開發平臺設計C#語言程序，并圖形化顯示FPSO、穿梭油船和拖輪相對位置關系。設計FPSO與穿梭油船的相對距離計算流程，并劃分不同報警等級，實現對危險狀態的報警，減輕外輸作業關鍵人員的勞動強度，降低外輸作業風險。

關鍵詞：FPSO; AIS; 外輸作業; 數據解碼; 設計應用

DOI:10.3963/j.issn.1671-7953.2015.05.031

中圖分類號：U662;P751

文獻標志碼：A

文章編號：1671-7953(2015)05-0113-04

收稿日期：2015-07-30

作者簡介：第一朱進全(1983-)，男，碩士，工程師

Abstract:In order to use the existing equipment to provide reference for oil extraction command staff, the method of integrated AIS system is proposed. The data decoding process of AIS is analyzed, and the feasibility of integrating AIS data is verified. For AIS decoding of GPS positioning data, C# language program is designed with the aid of visual studio programming platform. The relative position relationship of FPSO, shuttle tanker and tugboat is displayed in graphical form. The calculation procedure of the relative distance between the FPSO and the shuttle tanker is designed, and it is divided into three different alarm levels to realize alarm of the dangerous state, reduce the labor intensity of the key personnel of the outer transportation, thereby reducing the outer transmission operation risk.

修回日期：2015-09-01

資助項目：工信部項目(2012533)；海油發展英才計劃(HYFZ-YCJH-CY2014-04)

研究方向:海洋石油裝備(FPSO)的科研管理

E-mail:zhujq@ cnooc.com.cn

近年來，隨著淺海和近海所剩的油氣資源越來越少，而深水、超深水占全部海上油氣資源量的30%～40%，勘探開發深海油氣勢在必行。對于開發深海和超深海油氣田，固定式平臺無論技術還是經濟性都不可行[1]。浮式生產儲卸油裝置(FPSO)能夠在油田壽命期間保持在遠離陸地的作業現場，只需在海上進行年檢，通常設計成能夠抵御100年重現期的風暴，因而廣泛應用于深海油田的開采作業[2-3]。一般而言，深海的氣象環境較惡劣，FPSO選擇串靠外輸方式把原油輸送至穿梭油船上。FPSO、穿梭油船與拖輪之間呈一條直線排列時，是最安全狀態，目前只能依靠人員目測來判斷或者調整3艘船舶之間相對位置關系。一次外輸作業時間長達十幾h，一旦外輸作業期外輸作業間出現突變惡劣海況，尤其在外輸作業中后期階段，FPSO與穿梭油船之間相對夾角變大、相對距離變小，發生船體碰撞的概率頗大[4-7]。

依托工信部項目“FPSO原油外輸系統集成技術研究及關鍵設備研制”和海油發展英才計劃課題“FPSO原油外輸監測系統研究”，集成FPSO上已有的AIS系統、系泊纜拉力傳感器和風速風向儀，新購置了通訊模塊和GPS模塊等設備，開發了FPSO原油外輸安全保護系統。該系統的一項重要功能是實時監測FPSO、穿梭油船與拖輪之間相對位置關系，當監測到FPSO與穿梭油船之間相對夾角和相對距離超過設定的報警值時，能夠自動發出語音和文字報警，解決了提油船長在外輸指揮作業時缺少實時關鍵參考依據的問題。AIS系統能為該系統提供外輸作業區域內的所有裝有AIS系統的船舶的航向、經度和緯度數據[8-9]，尤其在GPS模塊失效時，仍然能解碼外輸作業船舶的AIS定位數據，并計算出FPSO和穿梭油船之間相對距離，從而實現監測、報警功能。

1AIS系統的解碼

1.1采集AIS數據

AIS系統是在甚高頻海上移動頻段采用自組織時分多址接入方式自動廣播和接收船舶動態、靜態等信息以便實現識別、監視和通信的系統[10]。按照國際海事組織的要求，500 t以上船舶均須配備AIS系統。一般的AIS系統定位精度達到10 m，如果其GPS 模塊支持GPS 偽距差分功能，對AIS信息處理模塊軟件稍加處理升級，即可實現單GPS系統的差分高精度定位引航[11]。

AIS 系統提供了以串行方式輸出本船及目標船的動靜態信息的用戶接口，以便其他系統共享AIS的信息。本項目集成的AIS系統的輸出端口類型為RS-232，安裝在FPSO報房機柜內，通過RS-232接口輸出的AIVDM格式(符合IEC61162-1 )的數據是AIS通信協議的數據。直接將接口連接至PC的RS232接口，并設置波特率38 400，1位起始位，8位數據位，1位停止位，即可獲取該數據，從而驗證了集成AIS數據的可行性。

1.2AIS信息解碼實例分析

為了解決信息更新率與數據容量(VDM消息的語句長度≤82個字符)的矛盾，國際電工委員會推出了數據封裝的暗碼，其格式為：!aabbb, x , y , z, u ,c-c,v*hh< CR>。其中，aabbb是標識符，x為傳輸一條消息的表達句數量(≤9條)，y為本條表達句在序列中的排號，z為同一序列下的統一標識(0～9的循環)，u為接收該條消息的頻道(A/B)；c-c為封裝信息，v為填充的字符(0～5個字符)；hh為校驗和字段。AIVDM含有船舶動態和船舶靜態信息、航行相關信息。這里關注的是消息類型中的1和5。其中：1為船舶動態信息；5為船舶靜態和航行相關信息。AIS數據接收處理流程見圖1。

由圖1可見，解碼方法：依據數據接收處理的總流程，依次檢查語句頭和校驗頭，再計算校驗和。若均通過，則判斷報文有效，提取報文ID，具體分解報文內容，進行存儲、計算和顯示。

以“!AIVDM,1,1, ,A,168sJEP001`K062FCH`UDnin0@S4,0*59”為例，該消息的內容為壓縮字符碼，按照GB/T 20068中的6位ASCII碼表，將其轉換為6 bit 二進制碼：000001 000110001000111011011010010101100000000000 000000 000001 101000 011011 000000 000110 000010 010110 010011 011000 101000 100101 010100 110110 110001 110110 000000 010000 100011 000100。然后編輯C#語言程序進行各項內容的解碼，求取結果見表1。

圖1　AIS數據接收處理流程

表1　船位報文解碼結果

2AIS在外輸作業中的設計應用

2.1船舶位置的監測

圖2為AIS數據的顯示界面。

圖2　AIS數據的顯示界面

由圖2a)可知，在FPSO原油外輸安全保護系統軟件主界面中，AIS數據主要實現以下功能：在以單點系統為中心，半徑為2 km的圓形范圍內，動態顯示船舶的MMSI號、經度、緯度、航向和航速等信息，并指引船型圖標在電子海圖上模擬船舶的航行情況，即為提油船長直觀了解FPSO、穿梭油船和拖輪三艘船舶之間的相對位置關系提供技術支撐。單擊“AIS系統信息”模塊，可以查看AIS系統監測的所有船舶位置數據、航行數據等詳細信息，能為提油船長提供其關注的船舶其他重要參數，見圖2b)。

2.2船舶間距計算

軟件系統根據錄入當前外輸作業的穿梭油船和拖輪信息，從FPSO的AIS系統獲得對應MMSI號的航行信息，提取其中的GPS定位信息，利用3艘船的GPS定位信息和船型信息，在Visual Studio程序開發平臺上編輯C#語言程序，計算FPSO與穿梭油船的相對距離。具體的計算流程[12]見圖3。

圖3　船舶間相對距離計算流程

2.3危險狀態的報警

FPSO串靠外輸作業一般采用FPSO，穿梭油船，拖輪協同作業的方式，由拖輪的船艉通過拖纜牽引穿梭油船的船艉，穿梭油船備車但不輸出動力，穿梭油船的船艏再通過系泊纜連接FPSO的船艉，而FPSO的船艏圍繞單點系統做圓周運動。正常情況下，系泊纜始終保持張力狀態，系泊纜的長度為一定值(如70 m)，FPSO與穿梭油船的相對夾角θ和相對距離L存在關系見表2。

表2　FPSO外輸作業報警等級表

由表2知，以相對夾角分別取值20°、30°和45°作為報警等級臨界值，得到FPSO外輸作業報警等級表。一種特殊情況是，即系泊纜破斷，系統直接發出一級報警。

由圖4可知，軟件系統中實現報警功能的流程。利用AIS系統實時計算出FPSO與提油船的相對距離，當進入報警等級范圍內時，系統可自動發出對應報警等級的語音和文字報警，報警信息在軟件“告警信息”標題下滾動播放，直至屬于安全范圍時，報警解除，如圖4所示。

圖4　報警功能實現流程

外輸指揮人員參考報警信息，發出有效的指令，從而保證外輸的安全。同時，軟件系統存儲預警信息數據，以供后期調用。

3結論

1)提出集成AIS數據的方法，實例分析AIS的數據解碼過程，從而驗證集成AIS數據的可行性。

2)對于AIS解碼后的GPS定位數據，借助Visual Studio程序開發平臺設計C#語言程序，圖形化顯示FPSO、穿梭油船和拖輪相對位置關系，為提油船長提供實時關鍵參考數據。設計FPSO與穿梭油船的相對距離計算流程，并劃分3個不同報警等級，實現了對危險狀態的報警，同時減輕了外輸關鍵人員的勞動強度，從而降低了外輸作業風險。

參考文獻

[1] 譚家翔,呂立功.海上油氣浮式生產裝置[M].北京:石油工業出版社,2014.

[2] 劉成名,李洛東,孫政策,等.FPSO環境烈度因子應用分析[J].船海工程,2014,43(6):144-149.

[3] 劉元丹,劉敬喜,譚安全.單點系泊FPSO風浪流載荷下運動及其系泊力研究[J].船海工程,2011,40(6):146-149.

[4] 楊家臣,鄭曉濤,朱進全.基于VS2010的FPSO外輸指揮系統的開發[J].石油機械,2013,41(10):60-64.

[5] 孫海,孫麗萍,樊紅元.FPSO串靠外輸的斷纜可靠性與風險分析[J].哈爾濱工程大學學報,2011,32(1):11-15.

[6] 王強.FPSO串靠外輸時的多浮體系統響應分析[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學,2010.

[7] MATTER G B, SALES J, JOEL S, et al. Dynamic stability of FPSO-shuttle systems: An analytical procedure and practical results[C] . Proc. of the 21st Int. Conf. on Offshore Mechanics and Arctic Engineering,2002.

[8] 解立志,潘啟灝.AIS在多船實時避碰檢測中的應用[J].船海工程,2009,38(5):177-180.

[9] 王當利,黃立文.基于AIS信息的船舶自動避碰模型及其算法與仿真[J].船海工程,2007,36(2):129-132.

[10] GB/T20068-2006船載自動識別系統(AIS)技術要求[S].2006.

[11] 張鵬.AIS鏈路GPS/北斗區域差分精確引航系統設計[J].通信技術,2014,47(3):296-301.

[12] 劉大杰,白征東,施一民,等.大地坐標轉換與GPS控制網平差計算及軟件系統[M].上海:同濟大學出版社,1997.

Application of AIS in Design of Crude Oil Outer Transportation of FPSO

ZHU Jin-quan, ZHENG Xiao-tao, DONG Hai-jie

(CNOOC Energy Technology & Services-Oil Production Services Co., Tianjin 300452, China)

Key words: FPSO; AIS; outer transportation; data decode; design application