一种FPSO软钢臂单点系泊姿态监测系统及方法与流程

本发明实施例涉及海洋平台姿态监测领域，尤其涉及一种FPSO软钢臂单点系泊姿态监测装置及方法。
背景技术：
：目前海上油气资源的开采与勘探主要依靠海洋平台，由于海上环境恶劣，海洋平台结构复杂，再加上海洋平台造价昂贵往往超期服役，这些因素极有可能造成事故的发生，所以为了避免事故发生以及对安全生产进行指导，需要对海洋平台的运动姿态进行监测。在FPSO与单点系泊相连接部分是整个FPSO平台的重点部位，该位置的软钢臂如果失效将导致整个系泊系统瘫痪，不仅会造成巨大的财产损失还会造成严重的环境污染。故通过对软钢臂和船体的监测可有效反映其运动状态和载荷，进而指导安全生产和新产品设计。现有的对FPSO软钢臂的监测比较少，而且仅有的监测还是用惯性传感器加速度计和倾角仪，时间长了容易产生误差，并且以前的监测采用电缆式连接方式，布线不方便，容易发生故障且不好排查。加上扩展性不好，一旦有新设备的加入则需重新规划监测方案和布线，十分的不方便。技术实现要素：本发明实施例提供一种FPSO软钢臂单点系泊姿态监测装置及方法，以克服上述技术问题。本发明一种FPSO软钢臂单点系泊姿态监测系统，包括：用于向采集终端发送电磁波、超声波的发送终端、用于接收所述电磁波、所述超声波并向处理器发送距离信号的采集终端和处理器；所述发送终端包括：设置于单点平台上的滚动和俯仰关节处的第一发送终端，设置于软管吊臂上的第二发送终端、第三发送终端；所述采集终端包括：设置于软钢臂和系泊腿的连接处的第一采集终端和第二采集终端，设置于所述系泊腿和系泊支架的连接处的第三采集终端和第四采集终端，设置于所述系泊支架上方衡梁的中点处的第五采集终端；所述处理器用于根据接收所述采集终端发送的距离信号确定软钢臂单点系泊的姿态值。进一步地，所述采集终端包括：超声波传感器模块、无线传输模块、单片机；所述超声波传感器模块、无线传输模块分别与单片机连接。进一步地，所述采集终端还包括：与所述单片机连接的显示模块和串口通信模块。本发明还提供一种FPSO软钢臂单点系泊姿态监测方法，包括：三个发送终端分别向采集终端发送电磁波、超声波，所述发送终端包括：设置于单点平台上的滚动和俯仰关节处的第一发送终端，设置于软管吊臂上的第二发送终端、第三发送终端，所述采集终端包括：设置于软钢臂和系泊腿的连接处的第一采集终端和第二采集终端，设置于所述系泊腿和系泊支架的连接处的第三采集终端和第四采集终端，设置于所述系泊支架上方衡梁的中点处的第五采集终端；所述采集终端接收所述电磁波、所述超声波，并根据所述电磁波、所述超声波确定与所述三个发送终端的实时距离；所述采集终端将所述实时距离发送至处理器；所述处理器根据所述实时距离与所述三个发送终端的坐标求得所述采集终端的坐标；所述处理器根据所述采集终端的坐标值确定软钢臂单点系泊的姿态值。进一步地，所述所述处理器根据所述实时距离与所述三个发送终端的坐标求得所述采集终端的坐标，包括：处理器根据公式(d1-x0)2+d22+d32=L12d12+(d2-y0)2+(d3-z0)2=L22d12+(d2+y0)2+(d3-z0)2=L32---(1)]]>求得采集终端的坐标，其中，(d1,d2,d3)为任一采集终端的坐标，(x0,0,0)为第一发送终端的坐标，(0,y0,z0)为第二发送终端的坐标，(0,-y0,z0)为的第三发送终端的坐标，所述L1，L2，L3为第一发送终端、第二发送终端以及第三发送终端到任一采集终端的距离。进一步地，所述处理器根据所述采集终端的坐标值确定软钢臂单点系泊的姿态值，包括：所述处理器根据第一发送终端、第一采集终端以及第二采集终端的坐标值确定软钢臂钢体的姿态值；所述处理器根据第三采集终端、第四采集终端以及第五采集终端的坐标值确定船体支架的姿态值；所述处理器根据所述第一采集终端、所述第三采集终端的坐标值确定一条系泊腿的姿态值；所述处理器根据所述第二采集终端、所述第四采集终端的坐标值确定另一条系泊腿的姿态值。本发明实现了快速部署FPSO软钢臂单点系泊姿态监测，大大节省工程量。本监测装置相比于惯性姿态监测装置，精度更高，稳定性更强，并且监测系统扩展升级方便。附图说明为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1为本发明FPSO软钢臂单点系泊姿态监测系统结构示意图；图2为本发明FPSO软钢臂单点系泊姿态监测系统发送终端和采集终端结构示意图；图3为本发明FPSO软钢臂单点系泊姿态监测方法流程图；图4为本发明FPSO软钢臂单点系泊姿态监测系统无线传感器网络拓扑图；图5为本发明FPSO软钢臂单点系泊姿态监测方法单点系泊系统数学抽象图。具体实施方式为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。图1为本发明FPSO软钢臂单点系泊姿态监测系统结构示意图，本实施例系统，包括：用于向采集终端发送电磁波、超声波的发送终端101、用于接收所述电磁波、所述超声波并向处理器发送距离信号的采集终端102和处理器103；所述发送终端101包括：设置于单点平台上的滚动和俯仰关节处的第一发送终端104，设置于软管吊臂上的第二发送终端105、第三发送终端106；所述采集终端102包括：设置于软钢臂和系泊腿的连接处的第一采集终端107和第二采集终端108，设置于所述系泊腿和系泊支架的连接处的第三采集终端109和第四采集终端110，设置于所述系泊支架上方衡梁的中点处的第五采集终端111；所述处理器用于根据接收所述采集终端发送的距离信号确定软钢臂单点系泊的姿态值。进一步地，所述采集终端包括：超声波传感器模块、无线传输模块、单片机；所述超声波传感器模块、无线传输模块分别与单片机连接。如图2所示，本实施例的采集终端还包括：与所述单片机连接的显示模块和串口通信模块。其中电源模块提供5V和3.3V电压，串口模块为RS232负责与工控机或其他设备进行数据通信，液晶显示模块负责显示本装置的各种状态和采集数据信息，超声波模块负责发送或接收超声波信息进而完成距离测量。如图4所示，本监测系统组建传感器网络的流程如下，首先协调器上电创建一个网络，然后路由器和终端加入协调器创建的网络。随后终端节点或路由器接点负责采集数据信息，把采集好的距离信息进行初步解算分析后发送给协调器由协调器进行进一步解算，然后把数据发送给电脑。各个装置之间通过无线通信，超声波传感器模块的作用是测量两个模块之间的距离，所述无线通信是基于zigbee协议，所述超声波传感器模块测距的采用单端发射单端接收的方式。实现了在监测过程中应用无线传感器网络技术，避免的有线监测的布线问题。具体来说，本系统的无线网络中发送终端和采集终端的最小系统上电后首先对各个模块进行初始化，然后发送终端每隔150MS组播一组电磁波信息，信息中包含此终端的相关身份标示信息与接收方的处理方法，同时激活超声波模块发出一组超声波信息。当接收的采集终端收到电磁波信息后就开始计时，然后使超声波模块进入等待接收状态，当接收到超声波信号后停止计时，并对距离信息进行解算，然后把解算好的距离信息和标识信息可以转发给路由装置。路由器模块负责把终端传送过来的距离信息进行整合然后转发给协调器模块。协调器模块接收路由器或终端传送过来的距离信息并对通过算法把距离信息转化为各监测位置的坐标信息后通过RS232串口传送给电脑端，同时可在液晶显示屏上打印出相关距离信息。图3为本发明FPSO软钢臂单点系泊姿态监测方法流程图，如图3所示，本实施例方法，包括：步骤101、三个发送终端分别向采集终端发送电磁波、超声波，所述发送终端包括：设置于单点平台上的滚动和俯仰关节处的第一发送终端，设置于软管吊臂上的第二、第三发送终端，所述采集终端包括：设置于软钢臂和系泊腿的连接处的第一和第二采集终端，设置于所述系泊腿和系泊支架的连接处的第三和第四采集终端，设置于所述系泊支架上方衡梁的中点处的第五采集终端；步骤102、所述采集终端接收所述电磁波、所述超声波，并根据所述电磁波、所述超声波确定与所述三个发送终端的实时距离；步骤103、所述采集终端将所述实时距离发送至处理器；步骤104、所述处理器根据所述实时距离与所述三个发送终端的坐标求得所述采集终端的坐标；步骤105、所述处理器根据所述采集终端的坐标值确定软钢臂单点系泊的姿态值。进一步地，所述所述处理器根据所述实时距离与所述三个发送终端的坐标求得所述采集终端的坐标，包括：处理器根据公式(d1-x0)2+d22+d32=L12d12+(d2-y0)2+(d3-z0)2=L22d12+(d2+y0)2+(d3-z0)2=L32---(1)]]>求得采集终端的坐标，其中，(d1,d2,d3)为任一采集终端的坐标，(x0,0,0)为第一发送终端的坐标，(0,y0,z0)为第二发送终端的坐标，(0,-y0,z0)为的第三发送终端的坐标，所述L1，L2，L3为第一发送终端、第二发送终端以及第三发送终端到任一采集终端的距离。具体来说，关于单点系泊系统监测装置布点和姿态解算，可将单点系泊系统理想化为一个简单的空间数学模型，如图5所示，所示的三维空间坐标系，取转台朝向为x轴方向，垂直水平面的方向为z轴方向，原点O和M1、M2构成的平面垂直于水平面，且满足A点位于x轴上。此时，设各点坐标如下：M1(0,y0,z0)，M2(0,-y0,z0)，A(x0,0,0)，B(b1,b2,b3)，C(c1,c2,c3)，D(d1,d2,d3)，E(e1,e2,e3)，F(f1,f2,f3)。其中y0，z0，x0为常数，其余均为时变量。且由图可知每个动点x轴坐标都为正数。图中M1点、M2点和A点代表发送终端，分别为固定在单点平台上的滚动和俯仰关节处的第一发送终端，设置于软管吊臂上的第二发送终端、第三发送终端，B点、C点、D点、E点和F点为动点，即待测点的采集终端。M1点和M2点固定在软管吊臂上，为了简化计算，M1和M2在同一水平面上，|AM1|＝|AM2|且M1M2连线方向与转台方向保持。B点和C点代表第一采集终端和第二采集终端，分别固定在软钢臂和系泊腿的连接处。D点和E点代表第三采集终端和第四采集终端，固定在系泊腿和系泊支架的连接处。H点代表第五采集终端，固定在系泊支架上方横梁的中点处。由已定的单点系泊系统可知非时变常量|AB|、|AC|、|BD|、|CE|、|DF|和|EF|，|AM1|、|AM2|和|M1M2|也是非时变常量，并且可在传感器固定后进行测量。因此，只要通过测量和计算得到B点，C点坐标，那么软钢臂，即平面ABC就可以唯一确定。同理得到B点和D点坐标，那么系泊腿，即直线BD就可以唯一确定；得到C点和E点坐标，那么系泊腿，即直线CE就可以唯一确定；得到D点、E点和F点坐标，那么系泊支架的姿态就可以通过平面DEF而唯一确定。如此，整个系泊系统的姿态就可以监测出来。以下通过两种方案来完成各点坐标的定位：方案一：以D点的定位为例。利用超声波传感器进行实时测距，测出|AD|、|M1D|和|M2D|的长度分别为L1，L2，L3，在约束条件d1>0的条件下，三棱锥D-AM1M2唯一确定，D点坐标唯一确定。D点坐标可由公式(1)计算确定。B点、C点、E点和F点可同理解算。本实施例中三元二次方程组采用matlab求解，对此不加以限定。方案二：从下往上对各点依次解算，解算顺序为B、C→D、E→F。在解算B点坐标时，由于|AB|已知，只需要用超声波传感器进行实时测距，测出|M1B|和|M2B|，就能完成对三棱锥B-AM1M2的全约束，B点坐标唯一确定，坐标计算参考方案一D点坐标计算方程。C点坐标解算同B点。在已知B点坐标的基础上，由于|BD|已知，只要测出|M1D|和|M2D|就能完成三棱锥D-BM1M2的全约束，D点坐标在d3>b3条件约束下唯一确定，坐标计算参考方案一D点坐标计算方程。E点坐标解算同D点。在已知D点坐标的基础上，由于|DF|已知，只要测出|M1F|和|M2F|就能完成三棱锥F-DM1M2的全约束，F点坐标在f3>d3条件约束下唯一确定，坐标计算参考方案一D点坐标计算方程。坐标定位采取两种方案复合的方法，将两种方案解算的各点坐标求加权平均，以提高测量精度，利于后续计算。进一步地，所述处理器根据所述采集终端的坐标值确定软钢臂单点系泊的姿态值，包括：所述处理器根据第一发送终端、第一采集终端以及第二采集终端的坐标值确定软钢臂钢体的姿态值；所述处理器根据第三采集终端、第四采集终端以及第五采集终端的坐标值确定船体支架的姿态值；所述处理器根据所述第一采集终端、所述第三采集终端的坐标值确定一条系泊腿的姿态值；所述处理器根据所述第二采集终端、所述第四采集终端的坐标值确定另一条系泊腿的姿态值。具体来说，在解算出各点坐标后，各点坐标已知，软钢臂对应的平面ABC的方程为：x-x0yzb1-x0b2b3c1-x0c2c3=0---(2)]]>船体支架对应的平面DEF的方程为：x-d1y-d2z-d3e1-d1e2-d2e3-d3f1-d1f2-d2f3-d3=0---(3)]]>第一系泊腿对应的直线BD的方程为：x-b1d1-b1=y-b2d2-b2=z-b3d3-b3---(4)]]>第二系泊腿对应的直线CE的方程为：x-c1e1-c1=y-c2e2-c2=z-c3e3-c3---(5)]]>至此单点系泊系统监测传感器布点和姿态解算完成。举例说明，以方案一为例，将发送终端M1，M2和A放置在合适的位置并建立前述坐标系，假设坐标为M1(0,3000,5000)，M2(0,-3000,5000)和A(1000,0,0)，在某一时刻通过采集终端B采集到的时间数据，计算距离|AB|＝34000，|M1B|＝32900，|M2B|＝37390，即x0＝1000，y0＝3000，z0＝5000，L1＝34000，L2＝32900，L3＝37390，将上述数值代入公式(1)计算B点坐标(d1,d2,d3)，B点坐标(21000,26270,-5000),同理可得其他采集终端坐标如下：C(33557,8428,5000),D(20000,26000,6754),E(42050,16557,6000),F(31022,21280,10373)。根据各点坐标，软钢臂对应的平面ABC的方程为x-x0yzb1-x0b2b3c1-x0c2c3=0---(6)]]>x-1000yz2000026270-50003255784285000=0---(7)]]>173490000x-262785000y-686712390z-173490000000＝0船体支架对应的平面DEF的方程为x-d1y-d2z-d3e1-d1e2-d2e3-d3f1-d1f2-d2f3-d3=0---(8)]]>x-20000y-26000z-675422050-9443-75411022-47203619=0---(9)]]>-37733097x-88109538y+4746z+3045477874000＝0第一系泊腿对应的直线BD的方程为x-b1d1-b1=y-b2d2-b2=z-b3d3-b3---(10)]]>x-21000-1000=y-26270-270=z+500011754---(11)]]>第二系泊腿对应的直线CE的方程为x-c1e1-c1=y-c2e2-c2=z-c3e3-c3---(12)]]>x-335578493=y-84288129=z-50001000---(13)]]>方案二只是在确定采集终端坐标时方法不同，之前已有阐述，之后确定平面和直线方程完成姿态解算同方案一。本发明实现了快速部署FPSO软钢臂单点系泊姿态监测，大大节省工程量。本监测装置相比于惯性姿态监测装置，精度更高，稳定性更强，并且监测系统扩展升级方便。最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。当前第1页1 2 3