一种锚泊海洋结构物锚链断裂的实时监测方法

摘要

本发明属于应用于海洋工程技术领域，一种锚泊海洋结构物锚链断裂的实时监测方法，特别提供一种基于容错控制和卫星定位系统的锚泊海洋结构物锚链断裂的实时监测方法。本发明不需要安装额外传感器，造价低廉，仅需对现有设备进行软件升级。因此，在不需要大量资金额外的投入的基础上，本方法将极大程度提高配备锚链断裂算法海上生产设备及船只数量，大大提高海洋生产和操作安全。对于已经安装了锚链断裂传感器的海洋结构物，本方法可以作为候补方案来提高整体监测系统的冗余性和稳定性。

说明书

技术领域

本发明属于应用于海洋工程技术领域，特别涉及的是一种基于容错控制和卫星定位系统的锚泊海洋结构物锚链断裂的实时监测方法。

背景技术

锚链断裂广泛发生于锚泊海洋结构物，其对操纵和生产安全造成巨大的潜在威胁。因此实时监测锚链断裂可以有效降低海洋操作及生产风险，提高安全性。尽管锚链断裂可以通过连接在锚链上的传感器检测到，然而这些额外的传感器大大增加了工程建造成本。随着如GPS、北斗等全球定位系统的发展与广泛应用。本发明的目的是提供一种基于卫星定位系统的实时断裂监测方法。本方法不仅可以应用于锚泊辅助动力定位系统，也可应用于升级传统被动锚泊船只及海洋平台。

发明内容

本发明提出一种基于容错控制和卫星定位系统的锚泊海洋结构物锚链断裂的实时监测方法。

本发明的技术方案：

一种锚泊海洋结构物锚链断裂的实时监测方法，基于容错控制和卫星定位系统的锚泊海洋结构物锚链断裂的实时监测方法，步骤如下：

该实时监测方法所用的硬件系统包括卫星定位模块、姿态模块、信号采集模块、传输模块、若干海洋锚泊结构物动力学分析模型和运算模块；

所述的锚泊海洋结构物包括浮式/生产储油装置、动力定位钻井船、工程船、浮式电站、张力腿平台和浮式风机；

所述的卫星定位模块为北斗或GPS，锚泊海洋结构物中安装动力定位系统，动力定位系统内含的惯性导航系统和卫星定位系统通过传感器判定锚泊海洋结构物的实时位置；

所述的姿态模块为测量锚泊海洋结构物姿态角的传感器，如陀螺仪；

信号采集模块用于采集卫星定位模块和姿态模块输出的信号；

传输模块将信号采集模块采集到的信号传输到运算模块；

运算模块包括观测器组模块、信号监测模块和逻辑跳转模块；

观测器组模块由若干个观测器组成，每个观测器利用不同情境下的海洋锚泊结构物动力学分析模型对信号采集模块采集的信号进行滤波与观测，并输出观测值，观测器组模块输出一组观测值；

信号监测模块利用输出的一组观测值，输出供逻辑跳转模块判断锚泊海洋结构物当前情境的信号；

逻辑跳转模块根据信号监测模块输出的信号判断并输出此时相对应的情境；

所述的锚泊方法包括重力型悬链线式和张紧式。

(1)已知锚泊海洋结构物2位置、锚6在水下的位置及锚链5的长度，则根据锚链5对应的张力曲线，估算出此时刻锚链5的张力；

(2)假设锚泊海洋结构物2设有N根锚链5，则需要设置N+1个观测器，其中，N个观测器分别对应N根锚链5，观测器0用于观测全部锚链5的实时状态；

(3)利用观测器组模块估计锚泊海洋结构物的位置和转首，卫星定位模块的测量值y与各个观测器的观测值之差为i＝1…N；e_i作为常微分方程的输入，积分后得到μ_i，其中，|·|₂表示欧几里德二范数；在通常情况下，观测器0工作，其余N个观测器运行于后台；λ及μ_i的初值通过调试得出；若锚链均未断裂，则观测器0的观测结果最接近于卫星定位模块的测量值y，则μ₀最小；当锚链M发生断裂时，则M输出的观测值最接近于卫星定位模块的测量值y，其对应的μ_M最小；若最小值μ_M满足(1+h)μ_M≤μ₀，则表明锚链M发生断裂，其中，h>0为一个调试的值来提高判断的可靠性。

本发明的有益效果：本发明不需要安装额外传感器，造价低廉，仅需对现有设备进行软件升级。因此，在不需要大量资金额外的投入的基础上，本方法将极大程度提高配备锚链断裂算法海上生产设备及船只数量，大大提高海洋生产和操作安全。对于已经安装了锚链断裂传感器的海洋结构物，本方法可以作为候补方案来提高整体监测系统的冗余性和稳定性。

附图说明

图1是悬链线锚泊结构物的侧视图。

图2是悬链线锚泊结构物的俯视图。

图3是监测方法示意图。

图4(a)是本发明监测信号的实例图。

图4(b)是本发明锚链断裂情况的实例图。

图中：1海平面；2锚泊海洋结构物；3转塔；4导缆孔；5锚链；6锚；7海床。

具体实施方式

以下结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。基于容错控制和卫星定位系统的锚泊海洋结构物锚链断裂的实时监测方法，步骤如下：

(1)以GPS和浮式生产储油装置为例，该锚泊海洋结构物由4根锚链和动力定位系统共同辅助定位于一定安全作业范围，故N＝4。锚链5与锚泊海洋结构物通过其上的转塔连接，转塔安装于锚泊海洋结构物的导缆孔内；如果锚链的参数和其在海底固定的位置已知，利用锚泊海洋结构物的位置，则可根据悬链线方程大致估计出一根锚链所产生的回复力。综合考虑全部锚链所提供的回复力则可近似得到整个系统所受到的回复力。

(2)考虑该锚泊海洋结构物有4根锚链，则本方法需要同时运行5个观测器。观测器0对应所有锚链均未断裂情况，锚链所提供的回复力为全部4根锚链回复力的叠加。观测器i(i＝1…4)对应第i根锚链断裂的情况，总的回复力是除去第i根锚链的剩余全部锚链的回复力的叠加。

(3)GPS测量值y与各个观测器观测值之差为e_i作为常微分方程的输入，积分后得到μ_i。λ＝0.1，h＝0.3，μ_i的初值取15。如锚链未断裂，则观测结果最接近GPS测量值，则μ₀最小，μ₀＝2，μ₁…μ₄≈20。锚链1于250秒发生断裂。经过观测器组的观测，信号监测模块输出信号μ，μ₀升高且μ₁降低,得到μ₀＝20，μ₁＝2。大约20秒以后，当新的最小值μ₁满足1.3μ₁≤μ₀，逻辑跳转模块识别出锚链1断裂，提示操作人员。数值模拟结果如图4(a)和图4(b)。