海上采油生產(chǎn)設(shè)施基座式起重機防碰撞技術(shù)分析

海上采油生產(chǎn)設(shè)施起重機是海上石油平臺人員和物資上下的重要設(shè)備，使用頻率極高，風(fēng)險系數(shù)極大。由于海上環(huán)境惡劣、平臺頂層甲板空間狹小、修井設(shè)備多等因素，吊車司機受操作環(huán)境的影響，在進(jìn)行部分吊裝作業(yè)時，常會出現(xiàn)視覺盲區(qū)，有可能導(dǎo)致吊臂與其他設(shè)備或平臺結(jié)構(gòu)發(fā)生碰撞，出現(xiàn)安全事故。

1 基座式起重機防碰撞技術(shù)現(xiàn)狀

在渤海油田三十多年的生產(chǎn)作業(yè)過程中，發(fā)生過多起平臺起重機吊臂碰撞事故，造成了事故起重機癱瘓、平臺結(jié)構(gòu)受損及設(shè)備毀壞等嚴(yán)重后果，在其中一些案例中，后續(xù)進(jìn)行起重機修復(fù)的費用甚至超過了起重機的一次購置費用。目前基座式起重機的防碰撞技術(shù)主要有以下幾類。

1)測距雷達(dá)防碰撞技術(shù)。在吊臂上布置適當(dāng)數(shù)量的測距雷達(dá)，當(dāng)?shù)醣圻\行到距離障礙物一定距離后，通過聲光報警的方式及時通知吊車司機。

2)超聲波傳感器防碰撞技術(shù)。在吊臂上布置超聲波傳感器并對障礙物進(jìn)行距離測量，通過坐標(biāo)變換等確定障礙物相對于吊臂的位置，并利用Kal-man濾波、最優(yōu)Kal-man融合估計、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)融合、模糊聚類空間融合及曲線擬合預(yù)測等技術(shù)分析，對障礙物的運動方向及運動趨勢進(jìn)行預(yù)測，為吊車司機提供障礙物的空間位置信息。

3)基于數(shù)字信號處理器(DSP)的視覺防碰撞技術(shù)。在吊臂上安裝雙目測距系統(tǒng)，根據(jù)雙目成像的幾何原理，通過左右2幅圖像的算法匹配出相應(yīng)像點，再利用三角測量的方法計算出雙目攝像機的安裝處與障礙物之間的距離。當(dāng)檢測到這個距離小于起重機防碰撞的安全距離時，系統(tǒng)發(fā)出報警或采取制動措施。

2 3D區(qū)域限制防碰撞基本理念

碰撞的本質(zhì)實際上是空間位置與空間位置的重合，因此如能準(zhǔn)確計算出起重機在任意時刻的空間位置(吊臂角度/幅度、回轉(zhuǎn)角度、吊鉤起升高度)，并且起重機的控制系統(tǒng)能獲取平臺作業(yè)區(qū)域障礙物的空間信息，那么就能夠通過空間位置的對比來防止起重機與障礙物之間發(fā)生碰撞。與傳統(tǒng)防碰撞技術(shù)相比較，基于3D區(qū)域限制防碰撞技術(shù)對惡劣海況及作業(yè)環(huán)境的容忍度非常高，抗干擾能力強，系統(tǒng)構(gòu)成簡潔且可靠性高。另外，該技術(shù)方案可在起重機設(shè)計階段統(tǒng)籌考慮，將數(shù)據(jù)處理及用戶界面等功能統(tǒng)一集成到可編程邏輯控制器(PLC)中，避免了在吊臂上進(jìn)行傳感器布設(shè)可能存在的不合理以及帶來的電纜敷設(shè)或無線通訊干擾等一系列問題，在工程實踐中較為簡單、實用，可實施性很強。因此，按照這一技術(shù)路線開展了渤海油田某中心平臺起重機的防碰撞系統(tǒng)的研發(fā)與應(yīng)用。

3 3D區(qū)域限制防碰撞模型的建立

3D區(qū)域限制防碰撞技術(shù)，即對于起重機回轉(zhuǎn)工作時的吊臂防撞，以起重機基柱中心為坐標(biāo)原點建立三維坐標(biāo)系，輸入平臺固定障礙物的坐標(biāo)位置(x，y，z)，則可以計算出在不同高度(z坐標(biāo))下吊臂回轉(zhuǎn)的限制角度θ1、θ2、θ3、θ4等，建立數(shù)學(xué)模型θ=f(x，y，z)，可以確定吊臂的俯仰角度值α：

α=arcsin(z/L),

(1)

式中，z為障礙物的高度坐標(biāo)，L為吊臂長度。

最后，根據(jù)俯仰角度來限制吊臂進(jìn)入禁止工作區(qū)域，可防止吊臂與平臺固定障礙物相撞。由于一般平臺起重機的控制精度需求較低，為了減小起重機控制系統(tǒng)的復(fù)雜程度及系統(tǒng)的故障率，可以將起重機的工作區(qū)域進(jìn)行三維網(wǎng)格的劃分，3D區(qū)域限制網(wǎng)格劃分示意圖如圖1所示，根據(jù)平臺環(huán)境，對不同網(wǎng)格起重機吊高進(jìn)行不同限制，可以動態(tài)測量運動部件位置信息，與靜態(tài)環(huán)境位置信息進(jìn)行實時比較，以發(fā)出報警和關(guān)斷信號，避免碰撞事故的發(fā)生。系統(tǒng)可以保護(hù)一個或者幾個形狀不同的區(qū)域，區(qū)域可以覆蓋棧橋管線、修井設(shè)備等。

圖1 3D區(qū)域限制網(wǎng)格劃分示意圖

4 3D區(qū)域限制防碰撞技術(shù)應(yīng)用設(shè)計步驟

通常情況下，用回轉(zhuǎn)角度、變幅角度(幅度)和起升高度這3個維度來表示起重機在平臺上的絕對空間位置。通過編碼器記錄的初始位置和瞬時位置，以及編碼器的信號放大比值等信息依次實現(xiàn)如下參數(shù)精準(zhǔn)空間測量：①回轉(zhuǎn)角度；②變幅絞車卷入的鋼絲繩的長度；③起升高度。

在起重機的起升卷筒、變幅卷筒和回轉(zhuǎn)齒圈上分別增加絕對值編碼器,用于分別檢測起升、變幅鋼絲繩伸出長度和回轉(zhuǎn)位置。通過PLC計算出吊鉤高度、變幅角度和回轉(zhuǎn)角度，并以此3個維度形成起重機在空間坐標(biāo)空間中的唯一坐標(biāo)位置。

理論上講，基于3D區(qū)域限制技術(shù)的防碰撞系統(tǒng)能夠大幅降低平臺起重機與其它障礙物發(fā)生碰撞的概率，提高吊裝效率及吊裝安全性。