一种基于北斗的FPSO六自由度监测系统及方法与流程

一种基于北斗的fpso六自由度监测系统及方法
技术领域
1.本发明涉及海洋工程测量领域，特别是涉及一种基于北斗的fpso六自由度监测系统及方法。


背景技术：

2.fpso即floating production storage and offloading，浮式生产储油船。fpso是对开采的石油进行油气分离、处理含油污水、动力发电、供热、原油产品的储存和运输，集人员居住与生产指挥系统于一体的综合性的大型海上石油生产基地。与其他形式石油生产平台相比，fpso具有抗风浪能力强、适应水深范围广、储/卸油能力大，以及可转移、重复使用的优点，广泛适合于远离海岸的深海、浅海海域及边际油田的开发，已成为海上油气田开发的主流生产方式。
3.基于海上7*24小时安全生产的需求，需要对fpso船体六自由度进行长时间、连续、准确、全方位地监测和预警，包括船体在空间直角坐标系oxyz中沿着3个轴向的平移运动和围绕3个轴的转动角度。3个平移运动分别是沿x,y,z轴的平移运动,3个转动分别是绕x,y,z轴的转动。因此，要完全确定物体的位置，就必须清楚这六个自由度，并对这些信息进行测量、记录，根据要求进行实时分析、展示、监控，当偏离设定值时发出告警。参考图1。
4.目前海洋工程领域常用的监测六自由度的方法包括惯性测量技术(inertial measurement unit，imu惯性测量单元/inertial navigation system，ins惯性导航系统)、全球导航卫星系统(global navigation satellites system，北斗)和声学定位系统(acoustic positioning system)。
5.惯性测量是一种不依赖于外部信息、也不向外部辐射能量的自主式导航系统。其工作环境不仅包括空中、地面，还可以在水下。基本工作原理是以牛顿力学定律为基础，通过测量载体在惯性参考系的加速度，将它对时间进行积分，且把它变换到导航坐标系中，就能够得到在导航坐标系中的速度、偏航角和位置等信息。缺点是存在累计误差，不适用于长期测量，
6.卫星导航技术是通过覆盖全球的多颗卫星捕获跟踪卫星接收机的信号，实现目标定位的技术。因其可在全球范围内获取精确的绝对坐标，故而目前应用非常广泛，这是海洋工程测量领域常见的技术手段。但一般需要架设基站提供差分信号来提高定位精度，而外海不具备架设基站的条件，如果工程要求精度太高则无法使用。
7.声学定位系统是用水声设备确定水下载体或设备相对方位和距离的技术。这在水深测量和水下地形扫测领域被普遍采用，但受水质、水流条件和距离影响较大，而且一般其精度也达不到工程定位的要求。
8.鉴于以上各项技术的优缺点，为了实现长期、稳定、可靠的测量数据，目前实际应用中通常采用两种以上技术组合的形式，常见有北斗+imu或北斗+ins测量系统。但惯性测量系统由于长期运行导致的误差累计往往需要经常重启系统来消除，但又苦于没有更好地的替代方式。而北斗定位信号也基本以gps信号为主，但是我国没有对gps定位系统运行的
控制权，这对作为国家重要战略资源生产的fpso的长期运行构成了一定的安全隐患。
9.随着我国北斗全球卫星导航系统于2020年7月31日正式开通运行，和北斗数据星基差分服务技术的成熟，那些不具备基站架设的区域特别是外海的工程中同样可以享用高精度定位服务。在此基础上，结合国内主流品牌的设备的特点，自主研发一套基于北斗及其星基差分定位技术的国产fpso船体六自由度监测与预警系统的条件已经具备。


技术实现要素：

10.本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种基于北斗的fpso六自由度监测系统及方法。
11.本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
12.一种基于北斗的fpso六自由度监测系统，包括两套监测装置，其中一套监测装置安装于船艏部位，另一套安装于船艉机房，其中一套用于备用。所述监测装置包括北斗接收机、倾斜仪、北斗天线、串口服务器、交换机和无线ap，所述北斗接收机与北斗天线和串口服务器连接，所述倾斜仪通过所述串口服务器与交换机连接，所述交换机与无线ap连接，位于船艉机房内的交换机与pc连接。
13.进一步的，所述pc内安装有监控软件，监控软件包括服务端和客户端，服务端安装在机房，通过所述监控软件能够设置监测系统各项参数、接收设备数据、定位计算、告警判断和监测数据记录；客户端安装在船舶局域网内和陆地应用端，能够实时同步显示各项监测数据。
14.进一步的，所述监控软件设置有数据回传模块，能够将服务端数据库中的数据回传到陆地服务器的数据库中，供陆地应用端的用户调取。
15.本发明还提供一种基于北斗的fpso六自由度监测系统进行监测的方法，包括：
16.(1)建立船体坐标系；以fpso船舶艏端为原点，以船体中轴线朝前为x轴，垂直x轴向右为y轴，建立船体坐标系；
17.(2)标定监测装置位置；标定fpso船舶上待监测的特征点和北斗天线的相对位置，并按船体坐标系取得三维坐标；
18.(3)坐标系转换；通过北斗天线的实测空间坐标转换到utm坐标系，将北斗天线标定得到的船体坐标作为公共点，建立utm坐标系与船体坐标系的实时转换关系；
19.(4)特征点计算；通过utm坐标系与船体坐标系的实时转换关系将待监测的特征点转换到utm坐标系；
20.(5)监测计算；使用待监测的特征点的utm坐标，进一步计算fpso的三维坐标、船艏向和前后、左右的倾斜角度；
21.(6)偏差计算；将计算得到的fpso系泊位置和预设的位置进行比较并计算二者差异，统计稳定性，并按照预设的警戒值进行警示提醒；
22.(7)冗余数据处理；将监测系统中增加的备用设备和使用的设备进行互相检校，并以图文的方式展示。
23.6.根据权利要求4所述一种基于北斗的fpso六自由度监测系统进行监测的方法，其特征在于，步骤(7)的检校包括定位设备检校和姿态设备检校；
24.定位设备检校过程中，具体操如下：
25.1)同时开启艏艉2套监测装置，正常运行情况下，都能够接收卫星信号并获取其天线处位置坐标，假设艏端北斗天线坐标为(x1,y1,z1)，艉端北斗天线坐标为(x2,y2,z2)；
26.2)当前选择使用艏端北斗天线进行船体定位，并将艉端北斗天线位置作为特征点进行计算，得到坐标(x3,y3,z3)；
27.3)计算(x2,y2,z2)和(x3,y3,z3)差值，认为该差值即为监测系统的定位精度指标；并以曲线图的方式展示，观测精度的变化情况；
28.姿态设备检校过程中，具体如下：
29.101)同时开启艏艉2套倾斜仪，倾斜仪正常运行情况下，都有实时倾斜值，假设艏端倾斜仪为(p1,r1)，艉端倾斜仪为(p2,r2)；
30.102)在与船上实际姿态进行校准后，艏端倾斜仪为(p1,r1),艉端倾斜仪为(p2,r2)，二者均为船体姿态，即p1＝p2，r1＝r2；
31.103)计算(p1,r1)和(p2,r2)的差值，认为该差值即为监测系统的姿态精度指标；并以曲线图的方式展示，能够观测精度的变化情况。
32.与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：
33.1.本发明检测系统及方法在某fpso船上已经开始试用，运行情况表明系统达到了设计要求。与以往同类系统比较，定位、测姿精度有了明显提高，系统软件的个性化和开放性设计，提高了数据输入和管理效率，增强了系统监测功能的直观性，新系统的研发取得了初步成功。
34.2.监测系统硬件采用国产北斗产品，卫星数量更多，信号更好，摆脱了对gps的依赖；北斗产品采用星基差分增强技术，定位精度更高，可至厘米级；
35.3.艏端设备使用无线ap把数据传输到艉端机房，减少了大量的线缆布设工作，避免因线缆要经过油气设备区可能带来的安全隐患；
36.4.考虑到气象信息和监测数据的紧密联系，系统中可接入风速、风向、气压、温度和湿度等信息，提高了系统监测数据的丰富性；
37.5.监控软件界面采用三维实景模拟技术搭建，界面美观、可视化效果强、各类监测数据显示完整、告警功能充分；
38.6.监控软件分为服务端和客户端，服务端运行在机房，可设置系统各项参数、接收设备数据、定位计算、告警判断和监测数据记录等。客户端可安装在船舶局域网内的各个领导办公室，可实时同步显示各项监测数据，提高了船舶监测信息的透明度；
39.7.监控软件配备数据回传系统，可将船舶监测数据上传到陆地/公司总部，管理人员使用客户端亦可远程与一线生产现场进行信息交互，大幅提高了对于作业设施的安全管理水平，为日常生产作业及恶劣天下的辅助决策提供了强有力的保障，同时也为提升船舶安全管理和未来台风遥控生产打下了坚实基础。
附图说明
40.图1是船体六自由度示意图。
41.图2是监测系统的布置示意图。
42.图3是监测方法流程图。
43.附图标记：1-北斗接收机，2-北斗天线，3-串口服务器，4-交换机，5-天线ap，6-pc，
7-倾斜仪
具体实施方式
44.以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
45.如图2所示，一种基于北斗的fpso六自由度监测系统，包括两套监测装置，其中一套监测装置安装于船艏部位(系泊-单点装置舱)，另一套安装于船艉机房，监测系统包括倾斜仪7、北斗接收机1和北斗天线2、串口服务器3、交换机4和无线ap5，北斗接收机1上通过外接专用线缆安装有一对北斗天线2，北斗接收机1和倾斜仪7通过串口服务器3与交换机4连接，交换机4与无线ap5连接，位于船艉机房内的交换机4与pc6连接。
46.本监测系统考虑了硬件长时间连续可靠运行能力，并且保证硬件数据有一定数据冗余度。采用双天线北斗接收机使得系统的定位和测向精度均能较好地得到保证。
47.具体的，船艏的北斗接收机、倾斜仪、串口服务器和交换机先安装于防爆箱内，调试完成后要密封处理，防止其可能产生的电火花带来的安全隐患。防爆箱安装于fpso系泊-单点舱内。防爆箱配有北斗天线线缆接口，使用北斗专用线缆连接，并布设线缆到甲板上方的围栏处，在围栏上焊接有1米高北斗天线安装杆，安装北斗天线并连接线缆，拧紧。注意北斗天线的上方不能有遮挡物，一般高出周围物体1米左右，保证天线的卫星信号不被干扰。另外注意双天线的间距超过2米以上，尽量拉大；倾斜仪的p轴朝向fpso船艏(船体坐标系的x轴)。防爆箱配有无线ap线缆接口，并布设线缆到甲板上方的围栏处，在围栏上焊接有1米高无线ap固定杆，固定安装无线ap并连接线缆，拧紧。船艏的北斗和倾斜仪数据通过无线ap发送到船艉，注意艏艉无线ap之间高差不宜过大(小于5米)，且二者之间不要有遮挡物。
48.船艉的北斗接收机、倾斜仪、串口服务器和交换机安装于机房内的集成控制机柜。通过网线和pc连接。
49.船艏部位中双天线北斗接收机和倾斜仪采集数据通过无线ap发送数据到中控室中的路由器上，船艉机房内硬件数据通过网线导入中控室中的同1台路由器上，所有硬件设备数据通过路由器最后连接到pc，接入系统软件。
50.具体的，基于上述北斗的fpso六自由度监测系统进行监测的方法，步骤如下：
51.(1)建立船体坐标系；以fpso船舶艏端为原点，以船体中轴线朝前为x轴，垂直x轴向右为y轴，建立船体坐标系；
52.(2)标定监测装置位置；标定fpso船舶上待监测的特征点和北斗天线的相对位置，并按船体坐标系取得三维坐标；待监测的特征点是指船上需要计算其坐标的一个或多个位置点。包括系泊点、船体四角等。
53.(3)坐标系转换；通过北斗天线的实测空间坐标转换到utm坐标系，将北斗天线标定得到的船体坐标作为公共点，建立utm坐标系与船体坐标系的实时转换关系；
54.(4)特征点计算；通过utm坐标系与船体坐标系的实时转换关系将待监测的特征点转换到utm坐标系；utm(universal transverse mercator grid system)统一横轴墨卡托投影系统，是一种投影坐标，使用基于网格的方法表示坐标，是将地球球面经纬度坐标经过投影算法转换成的平面坐标。在海洋环境中应用广泛。
55.(5)监测计算；使用待监测的特征点的utm坐标，进一步计算fpso的三维坐标、船艏
向和前后、左右的倾斜角度；
56.(6)偏差计算；将计算得到的fpso系泊位置和预设的位置进行比较并计算二者差异，统计稳定性，并按照预设的警戒值进行警示提醒；
57.(7)冗余数据处理；将监测系统中增加的备用设备和使用的设备进行互相检校，并以图文的方式展示。检校包括定位设备检校和姿态设备检校；
58.定位设备检校过程中，通过选用的北斗设备计算备用的北斗设备位置，和备用北斗自身坐标进行差值计算，具体操作布置如下：
59.1)同时开启艏艉2套北斗设备，正常运行情况下，都可以接收卫星信号并获取其天线处位置坐标，假设艏端北斗天线坐标为(x1,y1,z1)，艉端北斗天线坐标为(x2,y2,z2)；
60.2)当前选择使用艏端北斗天线进行船体定位，并将艉端北斗天线位置作为特征点进行计算，得到坐标(x3,y3,z3)；
61.3)计算(x2,y2,z2)和(x3,y3,z3)差值，可认为该差值即为监测系统的定位精度指标。并以曲线图的方式展示，可观测精度的变化情况。
62.姿态设备检校过程中，计算艏艉倾斜仪p、r值之差，具体操作布置如下：
63.1)同时开启艏艉2套倾斜仪设备，设备正常运行情况下，都有实时倾斜值，假设艏端倾斜仪为(p1,r1)，艉端倾斜仪为(p2,r2)；
64.2)在与船上实际姿态进行校准后，艏端倾斜仪为(p1,r1),艉端倾斜仪为(p2,r2)，二者均为船体姿态，即p1＝p2，r1＝r2；
65.3)计算(p1,r1)和(p2,r2)的差值，可认为该差值即为监测系统的姿态精度指标。并以曲线图的方式展示，可观测精度的变化情况。
66.具体的，结合图3，本实施例对监测系统进行监测的具体步骤做进一步说明：
67.1)数据处理模块从数据库中按设备名称提取设备实时数据、安装参数；其中监控软件设置有数据回传模块，能够将船舶监测数据上传至数据库中，被陆地总服务器调取。本实施例中船舶上北斗、倾斜仪设备均设有数据接收模块，数据保存到船舶机房服务器电脑上的数据库中；数据回传模块可将船舶机房服务器电脑上的数据库中的数据回传到陆地服务器电脑上的数据库中，供陆地应用端的监测软件用户调取。
68.2)根据北斗、倾斜仪设备的类型标志，调用不同的数据解码方法，并进行数据有效性判断。对北斗设备数据进行校验码校验，校验码不匹配，则说明数据有乱码，舍弃；
69.对倾斜仪设备数据进行角度值判断，超过常规值范围[-9,+9]，则认为数据有误，舍弃；
[0070]
3)提取北斗设备数据中的经纬度、海拔等信息，转换到utm坐标系下，计算出定位天线的位置坐标和定向天线的方向角度；
[0071]
4)根据北斗双天线的安装参数，结合步骤3)中的定位坐标和方向，组成船体定位计算模型；
[0072]
5)根据北斗设备时间判断北斗设备通断状态，结合北斗设备的精度状态位、卫星数量和水平定位精度因子等进行数据精度分析；
[0073]
6)持续记录设备数据并统计，对数据质量进行评估，根据预设的告警等级阈值进行告警等级判断；
[0074]
7)根据上述筛选的最优北斗设备数据进行船舶位置、方向和姿态的计算；
[0075]
8)将船舶六自由度的监测计算结果、和预设值的偏差计算结果以及告警计算结果存储在数据库中，由pc中的显示模块调取并显示到用户终端。
[0076]
具体的，本实施例中pc中用于监测的监控软件功能具体如下：
[0077]
实时数据采集与存储：无线路由器建立局域网，将数据传输至pc主机中。由pc控制，同步采集数据，数据通过相应软件接口直接输入pc并存储。同时软件监测所有设备的通断状态，并给予醒目的提示。
[0078]
数据分析处理：按设备类型对采集的数据进行整理、分类、过滤等处理，然后利用相应测量数据处理程序进行数据的计算、转换最终获得fpso的系泊位置平面、高程、艏向和倾斜度等三维定位、定姿数据(即六自由度)。其中在监控软件中设置的不同设备类型，如北斗设备和倾斜仪设备等，便于根据类型调用不同的处理方法。
[0079]
动态(实时)显示：以动态图形和文字方式展示fpso状态，在监测fpso六自由度的同时，还可以实时看到fpso在环境中的相对变化，以及运动轨迹。
[0080]
数据实时分析：软件可以记录实时数据，形成统计分析图，这些分析数据包括历史偏位(偏位变化)、设备质量内部检核等。
[0081]
数据备份与回放：原始数据记录至数据库，可用于回放、非现场状态下的演示，重现某些工况。
[0082]
最后需要指出的是：以上实例仅用以说明本发明的计算过程，而非对其限制。尽管参照前述实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，其依然可以对前述实例所记载的计算过程进行修改，或者对其中部分参数进行等同替换，而这些修改或者替换，并不使相应计算方法的本质脱离本发明计算方法的精神和范围。
[0083]
本发明并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在描述和说明本发明的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本发明的启示下还可做出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。