基于自容式技術的系泊纜水下監測方法

杜宇,武文華,王延林,唐達,岳前進，

(1.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； 2.中電科海洋信息技術研究院有限公司，北京 100041；3.大連理工大學 海洋科學與技術學院，遼寧 盤錦 124221； 4.大連理工大學 計算機科學與技術學院，遼寧 大連 116024)

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基于自容式技術的系泊纜水下監測方法

杜宇1，2,武文華1,王延林3,唐達4,岳前進1，3

(1.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； 2.中電科海洋信息技術研究院有限公司，北京 100041；3.大連理工大學 海洋科學與技術學院，遼寧 盤錦 124221； 4.大連理工大學 計算機科學與技術學院，遼寧 大連 116024)

針對深水系泊纜缺少在位監測手段的問題，開展了系泊纜力學行為監測系統的研究。采用懸鏈線系統集中質量模型對深水系泊纜動力行為開展理論分析，通過改變傳統求解中的邊界條件，提出了一種適用于深水系泊纜張力監測的測量策略；同時針對水下系泊纜缺少成熟測量裝置的問題，基于自容式技術開發了系泊系統水下測量傳感器和水下安裝/回收裝置。監測系統在南海一座半潛式平臺開展了5個月的連續測量，證明了監測系統的可靠性；同時通過20 min的采集樣本分析，證明了系泊纜測量方法能夠有效的獲取系泊纜張力信息。

南海; 浮式平臺；系泊系統；系泊纜張力；集中質量法；現場監測；水下測量；自容式傳感器

網絡出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1390.u.20160623.0827.012.html

海洋結構受惡劣的海洋環境荷載作用，定位性能是其結構與作業安全的保障。順應式系泊系統由于出色的力學性能和經濟效益，是目前應用最為廣泛的定位系統[1]。順應式系泊系統通常由錨鏈、鋼纜或尼龍纜繩等多種成分構成，空間尺度巨大，通常被認為是與環境荷載和被系浮體強烈耦合的非線性時變動態系統，利用自身重力或者預張力提供浮式結構所需回復力。對系泊系統張力與動態響應特性的準確分析，是系泊系統結構設計與安全保障中的關鍵問題。

水動力分析和室內模型實驗是系泊系統研究的主要方法。然而，隨著系泊系統使用水深的增加，對深海海洋環境認識不足導致目前數值分析方法與室內模型試驗方法在海洋結構分析方面存在局限性與不確定性[2]。因此，相關學者提出利用在位服役的結構上開展原型測量，可以獲得真實環境荷載條件與同步的結構響應信息，以此開展海洋結構的動態行為研究。目前，原型測量已經作為重要的研究方法在服役的系泊系統上廣泛的開展[3-7]。

目前系泊系統的測量方法主要有三類：

1)頂端直接測量，利用loadcell等測力裝置，在錨鏈止鏈器位置對系泊張力開展直接測量。同時，為了獲得系泊力的水平與豎直分量，需要對系泊纜的入水角度進行測量。頂端直接測量具有易于開展、高精度和低成本的優點，是目前應用最為廣泛的測量方法[8-10]。然而，由于系泊纜與平臺之間存在接觸，會導致頂端系泊張力測量結果動態響應較實際結果偏低。另外，測量系統的安裝與維護需要脫纜操作，對于永久固定式系泊系統和老齡平臺系泊系統并不適用；

2)預置傳感器測量，采用在系泊纜中預置光纖或應變片等測量傳感器，開展系泊結構在位響應的測量。文獻[11]介紹了一種利用預置聚合物光纖對系泊纜開展測量的方法，實現了對系泊纜疲勞壽命的測量；文獻[12]開發了一種基于應變片的系泊纜測量系統，能夠在系泊纜上端對系泊纜的張力和彎矩開展測量。預置測量方法對系泊纜的動態響應測量效果出色。另外可以對較長跨度的系泊纜開展連續的測量。然而由于工藝復雜和安裝困難等缺點，并不適合廣泛的應用；

3)水下測量，利用開發的特殊傳感器對在位系泊系統開展結構測量。文獻[13]討論了一種利用橫向變形獲得錨鏈張力的測量裝置。然而該裝置僅適合無肋錨鏈測量，且對安裝精度有很高的要求；文獻[14]介紹了一種水下系泊檢測機器人，利用光學校準器精確的獲得系泊纜的形狀參數；文獻[15]介紹了一種利用主動激勵，通過對結構振動響應分析檢測系泊結構完整性的裝置。以上兩種裝置均無法獲得系泊纜的張力信息。

目前的系泊系統測量方法和測量裝置難以實現系泊測量系統長期性、準確性、穩定性和經濟性的需求。尤其是對老齡平臺系泊系統難以開展原型測量。為此，本文基于集中質量法提出了一種系泊纜的測量策略，利用數值分析中邊界條件的變換，將難以獲得的參量轉化為水下易于高精度測量的物理量，以此解決目前研究工作中對在位系泊纜無法開展張力測量的問題。同時基于自容式技術設計了一套新型水下監測系統，并在我國南海開展了實際應用。為了證明監測系統的可靠性和可行性，對長期數據和短期數據樣本分別開展了分析。

1　系泊纜張力測量策略

圖1(a)為系泊纜的集中質量模型，圖1(b)為集中質量節點分析。系泊鏈集中質量點的運動方程：

(1)

(a)集中質量模型

(b)集中質量點分析圖1　系泊纜集中質量模型分析Fig.1　The lumped mass model of mooring line

第j節點荷載包括自身重力δj，張力Tj，下一節點的張力Tj-1，等效節點流體拖曳力fdxj和fdzj，因此，運動方程可以表達為

(2)

(3)

(4)

式中：Anj、Atj為法向和切向的附加質量， θj和θj+1為第j點和第j+1點處的角度。

流體拖曳力可以由Morrison方程獲得

(5)

(6)

式中Cdn和Cdt為切向和法向的拖曳系數。

系泊纜集中質量模型運動方程的數值求解，通常利用Houbolt差分格式，以上端點位移作為邊界條件，獲得系泊纜的動態張力。

(7)

(8)

(9)

由于浮式平臺遠離陸地，缺少固定參照物，因此很難獲得準確的位移響應信息。精度達到分米級的DGPS是應用廣泛的測量裝置。然而測量結果無法滿足系泊纜張力分析需求。因此，本文提出一種利用兩傾角測量反算系泊力的測量方法。

第N節點在時間步長n+1上的幾何邊界條件為

(10)

x和z可以利用幾何關系獲得

(11)

原型測量中，無法獲得所有節點的角度信息。根據懸鏈線幾何關系可知，系泊纜上部角度變化更為明顯。因此，如果獲得上部兩個已知位置的角度變化信息，可以利用迭代方法獲得系泊纜頂部位移信息。

(12)

(13)

(14)

(15)

補充幾何邊界條件：

(16)

2　監測系統設計

為了實現水下系泊結構角度測量，本文設計了一種水下自容式姿態測量傳感器?；诖藗鞲衅鳂嫿怂孪挡蠢|監測系統。

2.1自容式傳感器設計

自容式傳感器是一類無纜的獨立工作傳感器，具有獨立的信息采集、數據存儲和電源供應，不需要外界支持即可完成結構信息測量。由于傳感器具有獨立工作的能力，易于開展防護，因此非常適合用于海洋環境測量。基于海洋結構測量需求，在傳感器設計中應當開展了長期性設計和可靠性設計。

2.1.1低功耗設計

傳感器依靠自身電力供應工作，為了獲得足夠長的工作時間，設計中對傳感器功耗的控制尤為重要。自容式傳感器主要由微處理單元、傳感單元、A/D轉換單元、數據存儲、時鐘和電力管理單元構成。為了滿足使用中低功耗的需求，所有單元均采用低功耗元件設計。其中功耗較大的處理單元采用MSP430F149單片機，在滿足處理速度的同時有效的控制了功耗。最終傳感器工作狀態電流為8 mA，待機狀態僅為0.39 mA。選用兩節19 Ah電池供電情況下，系統可以最少持續工作3個月。

2.1.2模塊化設計

為了提高傳感器的穩定性和可擴展性，自容式傳感器硬件電路采用模塊化設計，通過總線對實現獨立模塊之間的通信。采用模塊化設計的硬件也易于實現小型化設計。

2.1.3完全事件激發工作模式

傳感器系統采用完全事件激發工作模式。在無事件激發情況下，系統處于待機狀態；當發現事件激發時，CPU被迅速喚醒，同時系統轉換為工作模式。當事件處理完成，系統會再次轉換為待機模式等待下一次的時間激發。

2.1.4電源管理系統

為了有效節能，傳感器采用雙電源芯片分別為微處理單元和電路供電。系統處于待機狀態時，電路供電被關閉，僅供微處理單元處于休眠模式所需電力。此外，充分利用了電源芯片的使能，最大限度的節約電力供應。傳感器最終設計指標如表1，電路結構如圖2。

表1　自容式傳感器指標

圖2　自容式傳感器電路結構圖Fig.2　Integration of circuits of the self-contained inclinometer

2.2水下安裝技術

水下結構監測的工程應用難點在于系統防護和系統的安裝/回收。

2.2.1水下防護

傳感器應用于水下，需要考慮長期工作中防水性與抗海水、水生物腐蝕的能力，同時系統也應當具有足夠的強度抵抗各種類型的意外沖擊。本文設計了專用密封桶傳感器硬件和電源的防護裝置。為了滿足水下應用需求，密封桶采用了高等級316 L不銹鋼設計。防護桶尺寸210 mm×60 mm(高度×半徑)，重量2.2 kg帶傳感器與電池)。尺寸設計滿足水下系泊測量輕量化設計需求。防護桶設計可用于水下200 m，為了證明其防水性，進行了加壓保壓測試，結果證明傳感器可抵抗不小于4 MPa瞬時壓力，可抵抗不小于2 MPa的長期壓力。

2.2.2水下安裝/回收

水下安裝/回收是水下監測的瓶頸問題。水上安裝后投放是應用廣泛的方式，但是不適用于在位結構的監測。為了解決這一問題，本文針對自容式傳感器設計潛水員安裝——水下機器人(ROV)回收的應用模式，并設計了水下安裝輔助裝置，解決了對于在位系泊結構的水下測量安裝問題。圖5(a)為輔助裝置設計圖，圖5(b)為模擬安裝圖。

圖3　自容式傳感器樣機 Fig.3　Self-contained inclinometer with water-resistant cover

圖4　加壓測試實驗Fig.4　Waterproof performance test

(a)安裝輔助裝置

(b)模擬安裝圖5　自容式傳感器安裝輔助裝置及模擬安裝Fig.5　Specially designed clamp and simulation installation of sensor

3　系統的現場測試及實測數據介紹

為了驗證監測系統的可行性，在我國南海一座半潛式平臺“南海挑戰號”FPS上開展了實測。該平臺采用十一根非對稱系泊結構，選擇其中4號和7號兩條系泊纜開展了監測工作。監測系統共布置5套10個傳感器，包含連續工作，采樣頻率1 Hz和每小時工作20 min，采樣頻率5 Hz兩類傳感器。圖6(a)為系泊系統與傳感器布置圖，圖6(b)為傳感器在位工作圖。

(a)系泊系統自容式傳感器布置圖

(b)水下自容式傳感器圖6　水下系泊監測系統Fig.6　Underwater monitoring system for mooring lines

監測工作自2011年5月起至2011年10月，表2例舉了傳感器的工作方式與工作時間?？梢园l現，連續工作的傳感器工作時長為3個月；間斷工作的傳感器工作時間超過5個月。實現了監測傳感器長期性設計要求。

圖7為測量期間每日最大風速與No.1號自容式傳感器測量到的每日最大角度。從圖中可以看出，自容式傳感器具有良好的持續工作能力。在測量期間也捕獲了比較典型的臺風天氣環境與系泊響應信息。

為了進一步對監測系統測量得到的信息進行驗證，選擇7月28日洛坦臺風期間，22:00～22:20之間20 min的實測數據進行深入分析。實測的水下系泊角度信息如圖8所示。從圖中可以看出，安裝在不同深度的傳感器測量結果具有比較好的同步性。

圖7　測量期間每日最大風速與系泊纜角度Fig.7　Daily maximum values of wind and inclination angle during measurement period

圖8　4號錨鏈自容式傳感器測量系泊纜角度變化Fig.8　Inclination angle variations measured by sensors installed at mooring line No.4 during selected periods

圖9　監測系泊纜張力與壓力傳感器測量結果比較Fig.9　Comparison results of mooring line tension measured by self-contaied sensor and Load cell

利用第1章介紹的集中質量法，獲得監測系統測量得到的系泊纜張力。同時選擇被測系泊纜頂部稱重式壓力傳感器(Load cell)測量得到的系泊力作為比較結果。圖9為比較結果。統計結果如表3所示。

從結果可以看出，測量得到的系泊力與理論結果均值相近。但是監測系統測量有明顯的波動性，可以獲得更多頻率上的系泊變化。圖10對監測系統獲得的系泊纜張力開展了譜分析，結果顯示在臺風天氣下，監測系統可以捕捉到系泊纜張力在波頻和高頻表現出來的能量波動，結果對與極端天氣下系泊纜動態響應分析具有重要的意義。

圖10　系泊纜張力譜分析Fig.10　PSD result of mooring line tension measured by self-contained sensors

表2　自容式傳感器工作時間統計

表3　系泊力比較結果統計

4　結論

對浮式平臺系泊系統開展現場監測是開展動態行為研究和安全保障的重要手段。為了解決目前現役系泊結構缺少有效測量手段和測試設備的問題，本文開展了水下系泊系統測量方法和監測系統的研究工作。

1)通過將傳統集中質量模型求解中位移邊界條件轉換為水下易于高精度測量的角度信息，提出了一種通過對兩已知位置角度信息測量進而獲得深水系泊系統張力信息的測量方法。解決了在位水下系泊結構難以開展在位監測工作的問題；

2)針對系泊結構水下測量需求，設計了低功耗自容式傾角傳感器，解決了水下缺少成熟測量設備的問題。同時設計了水下安裝輔助裝置，能夠實現潛水員安裝、ROV回收的水下安裝模式，突破了水下結構監測中安裝/回收的技術瓶頸；

3)在我國南海進行了5個月的連續應用，證明了本文設計的監測系統具有長期應用的可靠性。通過對20 min樣本數據的分析，證明了本文提出的測量方法能夠有效的獲得系泊系統的張力信息。

本文設計的系泊纜監測系統適用于深水水下結構的現場監測，可為我國南海深水裝備設計提供數據參考與安全保障。

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本文引用格式：

杜宇, 武文華, 王延林, 等. 基于自容式技術的系泊纜水下監測方法[J]. 哈爾濱工程大學學報, 2016, 37(8): 1003-1008, 1014.

DU Yu, WU Wenhua, WANG Yanlin, et al. An underwater monitoring method for mooring lines based on self-contained technique[J]. Journal of Harbin Engineering University, 2016, 37(8): 1003-1008, 1014.

An underwater monitoring method for mooring lines based on self-contained technique

DU Yu1,2, WU Wenhua1, WANG Yanlin3, TANG Da4, YUE Qianjin1,3

(1. State Key Laboratory of Structural Analysis for Industrial Equipment, Dalian University of Technology, Dalian 116024, China; 2. CETC Ocean Co., Ltd., Beijing 100041, China; 3. School of Ocean Science and Technology, Dalian University of Technology, Panjin 124221, China; 3. Department of Computer Science and Technology, Dalian University of Technology, Dalian 116024, China)

In this paper, we introduce a monitoring system for investigating deep-water mooring lines. We used the lumped-mass model of the catenary system to analyze the dynamic response of deep-water mooring lines and, by changing the boundary conditions in the traditional solution method, we propose a mooring line tension measurement strategy to meet the implementation requirements of deep-water mooring lines. To solve the problem of the lack of measurement devices for deep-water mooring lines, we designed and manufactured a self-contained sensor and its installation/recovery equipment. We constructed the monitoring system on a semi-submersible platform in the South China Sea. We verified the stability of the proposed system through five months of continuous measurement, and present analysis results for 20 minutes of prototype data to demonstrate the feasibility of the monitoring system.

floating platform; South China Sea; mooring system; mooring line tension; lumped-mass method; in-site monitoring; underwater measurement; self-contained sensor

2015-06-01.網絡出版日期：2016-06-23.

國家重點基礎研究發展計劃(2011CB013705)；國家科技重大專項(2011ZX05026-02-02)；中央高?；究蒲袠I務費專項資金項目(DUT13ZD208);創新研究群體研究基金項目(51221961).

杜宇(1987-), 男, 博士研究生；

武文華(1973-),男,副教授.

武文華，E-mail:lxyuhua@dlut.edu.cn.

10.11990/jheu.201506004

P751

A

1006-7043(2016)08-1003-07