CN111271513A - 海底管缆治理可视化定位引导方法 - Google Patents

海底管缆治理可视化定位引导方法 Download PDF

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Abstract

一种海底管缆治理可视化定位引导方法，该方法应用的设备由水面定位部分和水下定位部分组成；实现该方法的步骤是：首先设备的安装，再引导作业船拖航至海底管缆治理海域，接着对管缆治理段路由进行侧扫声呐扫测，得到柔性护垫铺设前管缆精确的位置坐标和状态；再对水声定位***进行安装和校准，水面定位引导***引导作业船就位；对水下设备进行安装后进行吊装作业，完成柔性护垫铺设。该可视化定位引导方法***定位精度高，可以实现三维可视化实时定位，柔性护垫和吊架下放过程全程跟踪和运动轨迹记录，柔性护垫和吊架水下自动脱离，具有虚拟现实场景实时显示能力；还具有直观性、安全性、高效性、可靠性、实时性、容错性等多方面优点。

Description

海底管缆治理可视化定位引导方法
一、技术领域
本发明涉及的是一种海底管缆治理的可视化定位引导方法，尤其是一种用于柔性护垫铺设的海底管缆治理可视化定位引导方法。
二、背景技术
海底管缆是海洋油气田开发的基础设施，主要功能是保证海上油田的固定采油(采气)平台的原油、天然气、水等介质及动力、通讯等电缆在平台和陆地终端处理厂及油矿区平台之间的相互传输。为确保海底管缆的安全可靠运行，保障油田正常生产，海底管缆通常要埋设于海床底下且埋设深度超过1.5米。由于受海底底层流的长年冲刷、泥沙底质流动等自然因素破坏以及渔业捕捞作业、施工作业船舶不安全抛锚就位作业、过往船舶误抛锚作业等人为破坏，造成了海底管缆出现裸露、悬空、移位、破损甚至断裂等。若海底管缆出现悬空超标、移位，会使油田生产存在很大的安全隐患；海底管缆若被船锚挂断，不仅油田要停产，经济损失巨大，油气泄漏更会造成严重的海洋和大气象环境污染。因此，必须对裸露、悬空、移位的海底管缆进行必要的治理，及时消除安全隐患，保证海底管缆安全可靠运行。海底管缆治理常用的方法有仿生草铺设、灌浆、沙袋填埋、水泥压块和柔性护垫铺设等，相对而言，柔性护垫铺设是保证海底管缆安全可靠运行比较理想的方法。在以往海底管缆治理施工中，柔性护垫铺设大多是采用浮吊船抛锚就位，潜水员水下导引、摘钩的方法。该方法存在有以下不足：一是需要潜水员水下作业，作业风险高；二是作业时效差，浮吊船抛锚就位耗时，四锚定位就需4至5小时，同时潜水作业受潮流限制，夜间不能作业；三是作业成本高，整个作业需要驳船倒装、抛锚艇抛锚以及潜水支持；四是作业程序复杂，需多部门配合作业。
三、发明内容
为了解决现有技术的不足，本发明的目的是提供一种作业安全可靠、定位精度高的海底管缆治理可视化定位引导方法。
实现本发明的目的采用的技术方案是：该海底管缆治理可视化定位引导方法应用的设备由水面定位部分和水下定位部分组成。
水面定位部分包括导航计算机、电罗经、光纤陀螺航姿设备(FOG)、星站差分GPS、管缆探测仪。
水下定位包括水声定位***(USBL)、前视多波束图像声呐和侧扫声呐、自动脱钩吊架；所述的水声定位***(USBL)由水听器、水下信标和甲板处理器(HUB)组成。
(1)设备的安装：水声定位***(USBL)的水听器和侧扫声呐安装在作业船自动脱钩吊架中部，处于前后螺旋桨中间，低于船底1米以上；在自动脱钩吊架侧面和自动脱钩吊架轴线两端分别安装有前视多波束图像声呐探头，四个水下信标分别垂直安装在自动脱钩吊架的四个角上；在吊架轴线两端分别安装一个海底管缆深测仪。厘米级的星站差分GPS的天线安装在水听器安装杆顶部；电罗经、光纤陀螺航姿设备安装在甲板集装箱内；导航计算机和甲板处理器(HUB)分别安装在甲板集装箱内，与驾驶台和吊机操作室相连接。
(2)引导作业船拖航：海洋工程GIS定位引导***引导作业船拖航至海底管缆治理作业海区。
(3)扫测海底管缆治理段路由：在作业船就位前，需对海底管缆治理段路由进行侧扫声呐扫测，对路由位置、管线状态进行最新扫测、校核，得到柔性护垫铺设前管缆精确的位置坐标和状态。
(4)按照水声定位***(USBL)操作使用方法和操作规程对水声定位***(USBL)进行安装和校准。
(5)引导作业船就位：扫测结束后，水面定位引导***引导作业船就位，当位置到达就位点后，作业船启动动力定位模式，保持船位。
(6)水下设备安装：扫测结束后，吊装作业前，首先将水声定位***(USBL)的水下信标和前视多波束图像声呐探头分别安装在吊架上，打开水下信标开关；设备安装参数先期要装订到导航计算机定位软件中。
(7)吊装作业：吊装作业前，对自动脱钩吊架进行气泵压力限定(小于6Mp)、自动补气、自动脱钩状态完好性检验测试；自动脱钩吊架挂好柔性护垫后，吊机司机按甲板指挥指令起吊，旋转到设定位置下放吊架入水，前视多波束图像声呐探头工作；当吊架下放高度低于水听器安装高度后，甲板GIS导航定位***、水声定位***(USBL)的定位软件、前视多波束图像声呐软件会同步实时跟踪显示吊架上的柔性护垫平面位置和高度；下放过程中作业船船长依据***显示的吊架上的柔性护垫位置适时调整船位，最大限度保证下放过程吊架上的柔性护垫位置与设计位置重合。当GIS导航定位***、水声定位***(USBL)的定位软件显示出吊架上的柔性护垫到达设计位置后，打开自动脱钩开关，完成柔性护垫自动脱钩。然后，作业船沿柔性护垫铺设路线移船一个柔性护垫长度，进行下一块护垫铺设。
(8)柔性护垫铺设位置及质量检验：当柔性护垫铺设长度及数量满足设计要求后，对柔性护垫铺设位置及质量进行扫测，若扫测图像显示柔性护垫铺设路由完全覆盖住管缆路由，即首尾不露，相邻护垫间距满足设计精度要求，铺设完毕；若铺设达不到设计要求，报请项目经理，确定是否调整和增补。
所述的自动脱钩吊架上的柔性护垫下放后达不到设计位置，需要将吊架起吊上提约0.5米，对吊架位置进行精细调整，直至满足安装精度要求后，自动脱钩***开钩释放，使柔性护垫和吊架脱离。
所述的柔性护垫可视化定位引导安装时，要满足以下天气条件：风速小于12米/秒，浪高小于1米。
所述的柔性护垫可视化定位引导安装时的具体要求为：柔性护垫和吊架水下自动脱离，平均故障间隔时间大于1000小时；柔性护垫的纵向安装精度为20厘米(10％柔性护垫宽)，横向精度为50厘米(10％柔性护垫长)；星站差分GPS提供的基准位置为：平面位置精度优于10厘米，高程精度优于20厘米，定向精度优于0.1度；横摇精度：0.05°，纵摇精度：0.05°；柔性护垫与海底管缆相对位置可视化。
本发明采用的方法与现有技术相比，有以下优点：
(1)设备安装使用简单可行。定位引导***设备重量轻、体积小、携带方便，设备安装简单、快捷，无需潜水作业，缩短工期，提高工作效率。
(2)***定位精度高。
***整体技术性能及指标如下：
●***可以实现三维可视化实时定位，柔性护垫和吊架下放过程全程图文(图像和参数)跟踪和运动轨迹记录
●柔性护垫和吊架水下自动脱离，无需水下潜水支持(手动摘钩)
●作业船及吊臂位置图文(图像和参数)显示
●具有虚拟现实场景实时显示能力
●相对位置测量精度：0.10厘米
●航向精度：0.1°
●横摇精度：0.05°
●纵摇精度：0.05°
●数据更新率：10Hz
(3)该方法还具有直观性、安全性、高效性、可靠性、实时性、容错性等多方面优点。
四、具体实施方式
下面结合实施例对本发明一种海底管缆治理可视化定位引导方法进行详细的说明。
一种海底管缆治理可视化定位引导方法，该引导方法应用的设备由水面定位部分和水下定位部分组成。
水面定位部分包括导航计算机、电罗经、光纤陀螺航姿设备(FOG)、星站差分GPS、管缆探测仪。导航计算机主机对采集到的数据进行预处理和时间同步，然后进行坐标转换，使各部分坐标统一，进行误差补偿之后利用信息融合技术将数据进行融合，并在屏幕上实时进行三维显示，同时通过记录的数据信息在计算机主机中可实现场景还原。水面定位部分对作业船实时的航向姿态以及自动脱钩吊架(柔性护垫)与海底管缆、已安装柔性护垫的相对位置进行实时监测。
水下定位包括水声定位***(USBL)、前视多波束图像声呐和侧扫声呐、自动脱钩吊架；所述的水声定位***(USBL)由水听器、水下信标和甲板处理器(HUB)组成。受水听器内置艏向和姿态传感器精度限制，采用外置电罗经和光纤陀螺航姿设备(FOG)，提高水下定位精度；受水声定位***(USBL)软件版本、功能限制，采用1+4方式，即设置1个水听器，四个信标，可在水声定位***(USBL)软件中对需安放的柔性护垫轮廓和自动脱钩吊架加以显示，同时由甲板处理器(HUB)向导航计算机输出自动脱钩吊架上四个水下信标点位置并由导航计算机解算出柔性护垫和自动脱钩吊架的三维坐标。
(1)设备的安装：水声定位***(USBL)的水听器和侧扫声呐安装在作业船(DP动力定位)自动脱钩吊架中部，处于前后螺旋桨中间，低于船底1米以上；可最大限度地避免螺旋桨所产生的气泡对水声定位和侧扫声呐的干扰，使声波能够全方位传输，保证相对定位精度。在自动脱钩吊架侧面和自动脱钩吊架轴线两端分别安装有前视多波束图像声呐探头，用以监视自动脱钩吊架下放过程和位置，确保在放柔性护垫的安放位置与已放柔性护垫位置实现“无缝连接”，满足施工要求。四个水下信标分别垂直安装在自动脱钩吊架的四个角上，顶部尽可能避免遮挡，保证水下作业时至少有两个水下信标与水听器间声学通讯正常，并由水声定位***(USBL)和甲板处理器(HUB)向导航计算机输出准确可靠的位置信息，导航计算机对四个水下信标的位置信息进行大地解算并以数据和图像方式实时显示出在放柔性护垫、已放柔性护垫与治理管缆路由的相对位置，吊机操作手以此调整吊机扒杆位置，保证柔性护垫安放在设计位置上。在吊架轴线两端分别安装一个海底管缆深测仪，实时监视在放柔性护垫与治理管缆路由的相对位置，确保在放柔性护垫轴线与管缆路由高度重合，保证柔性护垫均匀整齐地安放到实际管缆上面。厘米级的星站差分GPS的天线安装在水听器安装杆顶部，提供高精度的大地位置坐标，省去偏心距解算，提高绝对定位精度。电罗经、光纤陀螺航姿设备安装在甲板集装箱内，作业前需做码头静态校准，为水听器、侧扫声呐和前视多波束图像声呐等设备提供高精度的外置艏向和姿态参量，提高相对定位精度，确保水声定位绝对定位精度。导航计算机和甲板处理器(HUB)分别安装在甲板集装箱内，与驾驶台和吊机操作室相连接，实现多路分频显示。
(2)引导作业船拖航：海洋工程GIS定位引导***引导作业船拖航至海底管缆治理作业海区。
(3)扫测海底管缆治理段路由：在作业船就位前，需对海底管缆治理段路由进行侧扫声呐扫测，对路由位置、管线状态(埋藏、裸露、悬空)进行最新扫测、校核，得到柔性护垫铺设前管缆精确的位置坐标和状态。
(4)按照水声定位***(USBL)操作使用方法和操作规程对水声定位***(USBL)进行安装和校准，主要方法是圆形、联络线和相对位置测量。
(5)引导作业船就位：扫测结束后，水面定位引导***引导作业船就位，当位置到达就位点后，作业船启动动力定位模式，保持船位。
(6)水下设备安装：扫测结束后，吊装作业前，首先将水声定位***(USBL)的水下信标和前视多波束图像声呐探头分别安装在吊架上，打开水下信标开关；设备安装参数先期要输入到导航计算机定位软件中。
(7)吊装作业：吊装作业前，对自动脱钩吊架的气泵进行气泵压力限定(小于6Mp)、自动补气、自动脱钩状态完好性检验测试；自动脱钩吊架挂好柔性护垫后，吊机司机按甲板指挥指令起吊，旋转到设定位置下放吊架入水，前视多波束图像声呐探头开机工作；当吊架下放高度低于水听器安装高度后，甲板GIS导航定位***、水声定位***(USBL)的定位软件、前视多波束图像声呐软件会同步实时跟踪显示吊架上的柔性护垫平面位置和高度；下放过程中作业船船长依据***显示的吊架上的柔性护垫位置适时调整船位，最大限度保证下放过程吊架上的柔性护垫位置与设计位置重合。当GIS导航定位***、水声定位***(USBL)的定位软件显示出吊架上的柔性护垫到达设计位置后，打开自动脱钩开关，完成柔性护垫自动脱钩。然后，作业船沿柔性护垫铺设路线移船一个柔性护垫长度，进行下一块护垫铺设。
(8)柔性护垫铺设位置及质量检验：当柔性护垫铺设长度及数量满足设计要求后，对柔性护垫铺设位置及质量进行扫测，若扫测图像显示柔性护垫铺设路由完全覆盖住管缆路由，即首尾不露，相邻护垫间距满足设计精度要求，铺设完毕；若铺设达不到设计要求，报请项目经理，确定是否调整和增补。
所述的自动脱钩吊架上的柔性护垫下放后达不到设计位置，需要将吊架起吊上提约0.5米，对吊架位置进行精细调整，直至满足安装精度要求后，自动脱钩***开钩释放，使柔性护垫和吊架脱离。
所述的柔性护垫可视化定位引导安装时，要满足以下天气条件：风速小于12米/秒，浪高小于1米。
所述的柔性护垫可视化定位引导安装时的具体要求为：柔性护垫和吊架水下自动脱离，平均故障间隔时间大于1000小时；柔性护垫的纵向安装精度为20厘米(10％柔性护垫宽)，横向精度为50厘米(10％柔性护垫长)；星站差分GPS提供的基准位置为：平面位置精度优于10厘米，高程精度优于20厘米，定向精度优于0.1度；横摇精度：0.05°，纵摇精度：0.05°；柔性护垫与海底管缆相对位置可视化。
作业过程中，作业船、吊架以及相关设备的相对位置主要由以下几个参数决定：
(1)艏向：
作业船艏向，由电罗经提供；吊架(柔性护垫)安装艏向：由吊架上两个信标的位置进行大地方位解算求得。水听器基准方位由电罗经(或航姿设备FOG)提供，并进行校准，消除安装误差。
(2)径向距离：定位点到设计路由上目标点的直线距离。
(3)方位；定位点到设计路由上目标点的直线方位(与真北的顺时间夹角)
(4)纵向距离：径向距离在设计路由上的投影距离。
(5)横向偏差：定位点到设计路由的垂直距离。
(6)作业船轴向距离：定位点到作业船作业艏艉线投影距离和垂直距离。
海底管缆治理可视化定位引导***是一个特殊的数据采集与处理***，它需要采集多个导航传感器的输出信号，进行航姿和组合滤波解算，并通过通信接口或显示控制装置输出定位结果，以及三维动态显示。根据***的需求，本方法主要需要实现如下功能：
1)星站差分GPS信息的解算处理；
2)航姿信息的解算及相关的预处理和误差修正；
3)星站差分GPS、航姿设备、电罗经、水声定位***(USBL)和管缆探测仪等的信息融合，即通过联邦卡尔曼滤波器，从而得到高精度的位置、速度和姿态信息；
4)数据通信功能；
5)信息显示；
6)场景三维显示；
7)数据后处理等功能。
本发明海底管缆治理可视化定位引导方法采用的关键技术：
(1)整套***的数据采集和图像处理过程需要严格按照时间同步的标准进行。以星站GPS时钟信息为时统，参照各分设备的性能，设定相应的采样频率，在导航计算机中通过软件实现星站差GPS、光纤陀螺航姿设备(FOG)、电罗经、水声定位***(USBL)数据的同步采集与存储，并对数据进行预处理，滤除由于各种随机噪声和声波环境噪声产生的测量误差。
(2)为保证各种测量信息融合准确无误，***的坐标系选择应保持严格的统一。本方案中组合***信息融合的坐标系以WGS-84为基准，对设备数据进行坐标转换，各部分数据严格统一至WGS-84下进行运算。
(3)在护垫安装的过程中，由于设备自身精度、安装位置、甲板变形、杆臂效应和海上作业环境的多变性、复杂性以及不确定性等原因，在主机中实现误差的分析和补偿工作十分必要。
(4)***的信息融合利用无置位式联邦卡尔曼滤波器实现。光纤陀螺航姿设备(FOG)、罗经GPS、电罗经可以两两组合形成3个航向子滤波器，另外四个水下信标也可以形成一个航向子滤波器。而柔性护垫(自动脱钩吊架)的位置，则由星站差GPS和水声定位***(USBL)组合形成子滤波器提供。所有子滤波器之间无信息交流，独立滤波，没有反馈重置带来的相互影响，因此一个子***的故障不会影响另一个子***，提供了最高的容错性。此外，由于光纤陀螺航姿设备(FOG)、罗经GPS、电罗经都可以提供航行信息，并可以两两组合，为航向的确定提供了多套冗余；星站差GPS、电罗经提供作业船高精度位置信息，与USBL、管缆探测仪、声呐***组合为柔性护垫(自动脱钩吊架)的相对位置的确定提供了多套冗余。因此，多套冗余给整个***提供了更加安全、更加准确的保障。
(5)水下安装的三维实时显示。导航计算机机中需要实时显示柔性护垫(自动脱钩吊架)的速度、位置、方位、姿态以及海底管缆位置等信息，用实时显示对水下安装进行引导。
(6)当***出现故障，无法正常工作的情况下，***接收到报警信息，利用已存储的数据进行对接场景还原。另外后处理技术还可以对***各部分进行性能评估，为***更可靠的保障。
整个***方案功能性比较全面，具有多套冗余信息，为可视化水下安装的顺利进行提供了保证，即使在故障情况下也能够有效的实现场景还原，容错性好，操作性可行。
本发明海底管缆治理可视化定位引导方法定位精度高，可视化强，***适应性强，不受潮流影响，无需潜水作业支持，可缩短作业周期，经济效益高，实现治理过程的直观性、真实性、高精度、安全性及可靠性。

Claims (4)

1.一种海底管缆治理可视化定位引导方法，该方法应用的设备由水面定位部分和水下定位部分组成。水面定位部分包括导航计算机、电罗经、光纤陀螺航姿设备(FOG)、星站差分GPS、管缆探测仪。水下定位包括水声定位***(USBL)、前视多波束图像声呐和侧扫声呐、自动脱钩吊架；所述的水声定位***(USBL)由水听器、水下信标和甲板处理器(HUB)组成。其特征在于：该可视化定位引导方法的具体步骤是：
(1)设备的安装：水声定位***(USBL)的水听器和侧扫声呐安装在作业船自动脱钩吊架中部，处于前后螺旋桨中间，低于船底1米以上；在自动脱钩吊架侧面和自动脱钩吊架轴线两端分别安装有前视多波束图像声呐探头，四个水下信标分别垂直安装在自动脱钩吊架的四个角上；在吊架轴线两端分别安装一个海底管缆深测仪。厘米级的星站差分GPS的天线安装在水听器安装杆顶部；电罗经、光纤陀螺航姿设备安装在甲板集装箱内；导航计算机和甲板处理器(HUB)分别安装在甲板集装箱内，与驾驶台和吊机操作室相连接。
(2)引导作业船拖航：海洋工程GIS定位引导***引导作业船拖航至海底管缆治理作业海区。
(3)扫测海底管缆治理段路由：在作业船就位前，需对海底管缆治理段路由进行侧扫声呐扫测，对路由位置、管线状态进行最新扫测、校核，得到柔性护垫铺设前管缆精确的位置坐标和状态。
(4)按照水声定位***(USBL)操作使用方法和操作规程对水声定位***(USBL)进行安装和校准。
(5)引导作业船就位：扫测结束后，水面定位引导***引导作业船就位，当位置到达就位点后，作业船启动动力定位模式，保持船位。
(6)水下设备安装：扫测结束后，吊装作业前，首先将水声定位***(USBL)的水下信标和前视多波束图像声呐探头分别安装在吊架上，打开水下信标开关；设备安装参数先期要装订到导航计算机定位软件中。
(7)吊装作业：吊装作业前，对自动脱钩吊架进行气泵压力限定(小于6Mp)、自动补气、自动脱钩状态完好性检验测试；自动脱钩吊架挂好柔性护垫后，吊机司机按甲板指挥指令起吊，旋转到设定位置下放吊架入水，前视多波束图像声呐探头工作；当吊架下放高度低于水听器安装高度后，甲板GIS导航定位***、水声定位***(USBL)的定位软件、前视多波束图像声呐软件会同步实时跟踪显示吊架上的柔性护垫平面位置和高度；下放过程中作业船船长依据***显示的吊架上的柔性护垫位置适时调整船位，最大限度保证下放过程吊架上的柔性护垫位置与设计位置重合。当GIS导航定位***、水声定位***(USBL)的定位软件显示出吊架上的柔性护垫到达设计位置后，打开自动脱钩开关，完成柔性护垫自动脱钩。然后，作业船(DP动力定位)沿柔性护垫铺设路线移船一个柔性护垫长度，进行下一块护垫铺设。
(8)柔性护垫铺设位置及质量检验：当柔性护垫铺设长度及数量满足设计要求后，对柔性护垫铺设位置及质量进行扫测，若扫测图像显示柔性护垫铺设路由完全覆盖住管缆路由，即首尾不露，相邻护垫间距满足设计精度要求，铺设完毕；若铺设达不到设计要求，报请项目经理，确定是否调整和增补。
2.根据权利要求1所述的海底管缆治理可视化定位引导方法，其特征在于：所述的自动脱钩吊架上的柔性护垫下放后达不到设计位置，需要将吊架起吊上提约0.5米，对吊架位置进行精细调整，直至满足安装精度要求后，自动脱钩***开钩释放，使柔性护垫和吊架脱离。
3.根据权利要求1所述的海底管缆治理可视化定位引导方法，其特征在于：所述的柔性护垫可视化定位引导安装时，要满足以下天气条件：风速小于12米/秒，浪高小于1米。
4.根据权利要求1、2、3所述的海底管缆治理可视化定位引导方法，其特征在于：所述的柔性护垫可视化定位引导安装时的具体要求为：柔性护垫和吊架水下自动脱离，平均故障间隔时间大于1000小时；柔性护垫的纵向安装精度为20厘米(10％柔性护垫宽)，横向精度为50厘米(10％柔性护垫长)；星站差分GPS提供的基准位置为：平面位置精度优于10厘米，高程精度优于20厘米，定向精度优于0.1度；横摇精度：0.05°，纵摇精度：0.05°；柔性护垫与海底管缆相对位置可视化。
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