基于智能無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的海洋鉆井平臺應(yīng)力實(shí)時檢測系統(tǒng)

崔 波，申 宏，何 川

(1. 勝利油田地質(zhì)錄井公司 國際工程管理部，山東 東營 257064；2. 國家海洋局 第一海洋研究所，山東 青島 266061；3. 北京大學(xué) 石油與天然氣研究中心，北京 100871)

自升式海洋鉆井平臺由于其移動能力強(qiáng)、作業(yè)穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，在水深200 m以內(nèi)的大陸架海域得到了廣泛應(yīng)用[1]。其中三樁腿自升式鉆井平臺由于平臺自重小，同時減少了一套升降機(jī)構(gòu)，成為此類大中型平臺的首選形式[2]。它的主要缺點(diǎn)是壓載與拔樁過程操作復(fù)雜，需要與壓載水倉配合；另外當(dāng)一條樁腿出現(xiàn)故障時會導(dǎo)致整個平臺失效，甚至引起平臺傾斜垮塌等重大事故。

樁腿及平臺升降動力系統(tǒng)是自升式鉆井平臺的關(guān)鍵安全部件之一[3-4]，2010年以來，在世界各地連續(xù)發(fā)生的多起涉及海洋石油平臺或輸油氣管線的安全事故引起了各方面的高度重視。通過先進(jìn)的檢測手段對平臺樁腿的載荷變化進(jìn)行實(shí)時動態(tài)監(jiān)控，準(zhǔn)確地掌握并記錄平臺在作業(yè)過程中拔樁、升降、預(yù)壓載、鉆井等各種關(guān)鍵動作所引起的樁腿載荷狀態(tài)變化，可以有效防止超重、載荷不均、超負(fù)荷作業(yè)等具有重大安全隱患的行為，對于保證自升式鉆井平臺的安全服役具有極其重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計

海洋鉆井平臺應(yīng)力實(shí)時檢測系統(tǒng)的主要作用是連續(xù)監(jiān)測并記錄平臺在作業(yè)條件下各樁腿上布設(shè)的應(yīng)力應(yīng)變傳感器的實(shí)時響應(yīng)，根據(jù)要求提供現(xiàn)場及遠(yuǎn)程報警，同時為平臺安全生產(chǎn)過程監(jiān)督提供數(shù)據(jù)支撐和技術(shù)依據(jù)。系統(tǒng)所使用的應(yīng)力應(yīng)變傳感器貼裝在鉆井平臺各樁腿齒輪齒條升降系統(tǒng)的齒輪軸組件處，用于感應(yīng)平臺作業(yè)過程中齒輪軸所受的扭曲變形量。由于傳感器分布于平臺的不同層位上，如何在滿足現(xiàn)場工況要求的前提下對其進(jìn)行數(shù)字化采集就成為系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。常見的多通道應(yīng)力應(yīng)變采集系統(tǒng)廣泛采用傳感器與采集設(shè)備分離的集中控制形式[5]：即使用多組電纜直接將布設(shè)于平臺不同部位的傳感器輸出信號傳輸?shù)讲杉O(shè)備的多組信號輸入端，在中央控制計算機(jī)的統(tǒng)一控制與協(xié)調(diào)下實(shí)現(xiàn)對多路信號的采集與記錄。這種方式具有電路實(shí)現(xiàn)簡單、便于實(shí)時監(jiān)測設(shè)備狀態(tài)和采集質(zhì)量等優(yōu)點(diǎn)，但是也存在以下問題：

1)集中的采集與控制方式對中心設(shè)備的可靠性提出了較高要求。由于多通道采集設(shè)備的造價高，且體積較大，難以實(shí)現(xiàn)在現(xiàn)場一用一備的配置方式。中心設(shè)備一旦出現(xiàn)問題將導(dǎo)致整個系統(tǒng)失效；

2)應(yīng)力應(yīng)變傳感器輸出的信號經(jīng)數(shù)十米甚至上百米長線傳輸后，面臨衰減損耗和環(huán)境干擾耦合等問題，使信號質(zhì)量變差；

3)堅固可靠的信號傳輸要求使用鎧裝屏蔽電纜，多組信號傳輸電纜極大地增加了設(shè)備的總體重量和成本。同時在平臺上布設(shè)信號傳輸電纜需沿線多點(diǎn)固定，施工量和施工難度很大，且易受到平臺現(xiàn)場其他生產(chǎn)活動的干擾甚至損壞，從而對整套系統(tǒng)的可靠性造成很大影響。

針對海洋鉆井平臺分布式應(yīng)力實(shí)時檢測的特殊要求，設(shè)計研制了基于智能無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的平臺應(yīng)力實(shí)時檢測系統(tǒng)。系統(tǒng)由12～48個(可擴(kuò)展)適合海上惡劣工作環(huán)境的分布式智能多通道應(yīng)力應(yīng)變檢測單元和一個系統(tǒng)主控站點(diǎn)組成，檢測單元的智能化設(shè)計使其有能力完成傳統(tǒng)上依賴于系統(tǒng)主機(jī)的信號調(diào)理、數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)記錄等絕大部分測控功能；而主控站點(diǎn)只需負(fù)責(zé)檢測系統(tǒng)的整體工作狀態(tài)，協(xié)調(diào)系統(tǒng)各組件的工作模式，記錄工作日志等輔助工作，功能上極大極大弱化，與之相應(yīng)其體積、重量、功耗、復(fù)雜度得到極大降低，工作可靠性和環(huán)境耐受能力大大增強(qiáng)。這種分布式采集處理的工作模式一方面簡化了系統(tǒng)主機(jī)的復(fù)雜程度、提高了系統(tǒng)冗余度和可靠性，同時極大地增強(qiáng)系統(tǒng)的整體處理能力，為系統(tǒng)功能的進(jìn)一步擴(kuò)展提供了足夠的空間。主控站點(diǎn)與各檢測單元之間通過無線數(shù)字通訊鏈路構(gòu)成分布式傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，從根本上解除了傳統(tǒng)方式中多路布線帶來的困擾。系統(tǒng)整體布局方案如圖1所示。

圖1 平臺應(yīng)力實(shí)時檢測系統(tǒng)整體布局方案Fig.1 Overall layout scheme of the real-time stress detecting system

1.1 低功耗智能化的多通道應(yīng)力檢測單元設(shè)計

智能多通道應(yīng)力檢測單元可等效于一個傳統(tǒng)上的四通道應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，它的構(gòu)成包括傳感器信號調(diào)理模塊、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、數(shù)據(jù)記錄模塊、無線數(shù)傳模塊、和嵌入式微處理器模塊等(圖2)。其基本功能是連續(xù)地對傳感器輸出的應(yīng)變信號由信號調(diào)理模塊進(jìn)行濾波、放大后，由模數(shù)轉(zhuǎn)換電路完成數(shù)字化采集。這些信息與采樣時間、采樣間隔等輔助信息一起進(jìn)行數(shù)據(jù)封裝后，由無線數(shù)傳模塊實(shí)時發(fā)送到主控站供后臺數(shù)據(jù)庫子系統(tǒng)存儲數(shù)據(jù)，保存歷史數(shù)據(jù)，實(shí)時顯示平臺載荷情況等使用，同時也存儲于檢測單元擴(kuò)展存儲器中，實(shí)現(xiàn)對平臺生產(chǎn)全過程的記錄，即類似“黑匣子”的功能，檢測單元內(nèi)置的非易失性存儲單元的容量足夠其保存20 a以上的連續(xù)生產(chǎn)監(jiān)測數(shù)據(jù)。

圖2 多通道應(yīng)力檢測單元結(jié)構(gòu)框圖Fig.2 The structure diagram of multichannel stress detecting units

針對應(yīng)用要求，多通道應(yīng)力檢測單元采用小型化、低功耗設(shè)計，單元本身以動力齒輪專用數(shù)據(jù)采集終端的形式固定于平臺樁腿齒輪齒條升降系統(tǒng)的齒輪軸上，與齒輪同步轉(zhuǎn)動，其引入對平臺的正常操作不產(chǎn)生任何影響。檢測單元的供電采用一用一備的大容量防爆鋰電池組，可以在不停機(jī)的情況下完成電池組更換，有效提高了系統(tǒng)的可靠性和可操作性。主控站則采用平臺動力電加大容量備份電池的供電的方式，以保證其長時間連續(xù)工作。檢測單元外殼采用IP67防水等級的金屬密封殼體，所有使用的信號線插頭、SMA天線接頭以及開關(guān)等均滿足IP67防水等級，海洋平臺惡劣工況對現(xiàn)場儀器儀表的要求(圖3)。

圖3 多通道應(yīng)力檢測單元Fig.3 Multichannel stress detecting units

1.2 工業(yè)現(xiàn)場無線數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議

智能化檢測單元的引入使我們可以選擇成熟的無線網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)來簡化系統(tǒng)主機(jī)與測點(diǎn)單元之間的數(shù)據(jù)通訊。但是現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議及技術(shù)無法同時滿足惡劣工業(yè)現(xiàn)場及野外環(huán)境下對高通訊速率、低誤碼率、及強(qiáng)自修復(fù)能力的要求。另外由于檢測單元數(shù)目的增加也同比擴(kuò)大了對應(yīng)通訊網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模，這就使網(wǎng)絡(luò)控制協(xié)議變得更加復(fù)雜。以嵌入式微處理器的強(qiáng)大處理能力為基礎(chǔ)，結(jié)合傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)領(lǐng)域的最新成果，課題設(shè)計開發(fā)了具有低功耗、實(shí)時性好，誤碼率低，擴(kuò)充能力強(qiáng)，協(xié)議簡單高效，容錯及糾錯能力強(qiáng)等特點(diǎn)的工業(yè)現(xiàn)場用無線數(shù)據(jù)通訊技術(shù)。設(shè)計采用基于美國電氣和電子工程師協(xié)會(IEEE)所制定的國際通行的無線公共信道底層通信標(biāo)準(zhǔn)IEEE 802.15.4，無線通訊所選用的工作頻段為ISM公開頻段(2 400～2 485 MHz)；射頻輸出功率0～3 dBm，開闊無遮擋地帶點(diǎn)到點(diǎn)通訊距離≥200 m，滿足大部分海洋鉆井平臺的應(yīng)用要求。針對某些平臺鋼結(jié)構(gòu)密度高，可能產(chǎn)生嚴(yán)重?zé)o線屏蔽或多徑效應(yīng)的特殊情況，進(jìn)一步采用了大功率無線

增程模塊(+10 dBm，點(diǎn)到點(diǎn)通訊距離≥400 m)加無線接力通訊的組合解決方案，可以極大降低問題出現(xiàn)的幾率。另外，在無線通訊協(xié)議上我們強(qiáng)調(diào)抗干擾特性，采用基于接收信號強(qiáng)度監(jiān)測及無線鏈路質(zhì)量監(jiān)測(RSSI/LQI)的自動頻點(diǎn)選擇和跳轉(zhuǎn)技術(shù)，從而動態(tài)地躲避高干擾信道，極大提高通信的可靠性和穩(wěn)定性。

工業(yè)現(xiàn)場用無線數(shù)據(jù)通訊協(xié)議的采用極大簡化了整套系統(tǒng)的控制與工作流程。系統(tǒng)完成平臺現(xiàn)場布設(shè)后，首先由系統(tǒng)主機(jī)發(fā)出無線通訊連接指令，分布在平臺各處的智能化檢測單元收到指令后做出連接狀態(tài)響應(yīng)，然后主機(jī)查詢各分布式應(yīng)力實(shí)時檢測儀的無線通訊信號質(zhì)量，并適當(dāng)調(diào)整檢測單元的無線發(fā)射功率與接收靈敏度以改善信號質(zhì)量。無線通訊連接完成后，主機(jī)向各分布式應(yīng)力實(shí)時檢測儀發(fā)送開始采集的指令，各檢測單元收到指令后開始進(jìn)行多通道數(shù)據(jù)采集，同時將采集數(shù)據(jù)發(fā)送至主機(jī)。當(dāng)測試完成后，主機(jī)系統(tǒng)發(fā)送停止指令，各分布式應(yīng)力實(shí)時檢測儀收到指令后停止數(shù)據(jù)采集工作，進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)。

分布式多通道應(yīng)力應(yīng)變檢測技術(shù)對檢測儀系統(tǒng)的時鐘同步提出了非常高的要求。精確的同步時鐘可以最大限度地保留平臺振動采樣信號中的相位信息，從而提高振動模態(tài)分析的精確度和準(zhǔn)確度。無線通信方式的采用給分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的時鐘同步帶來一定難度。此時所有數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)都依靠本地晶體振蕩器提供時間基準(zhǔn)，其相互之間以及與主控節(jié)點(diǎn)之間完全不存在同步關(guān)系。由于晶體振蕩器之間不可避免地存在細(xì)微的頻率偏差和時鐘漂移，即使初始同步的多個時鐘在經(jīng)過一定時間的運(yùn)行后也將出現(xiàn)較大的時間偏差，從而影響數(shù)據(jù)同步采集的精度。在本系統(tǒng)方案設(shè)計中，采用了工業(yè)現(xiàn)場用無線數(shù)據(jù)通訊協(xié)議來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)級的時鐘同步同時也綜合考慮了時鐘定時所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量對無線網(wǎng)絡(luò)負(fù)載流量的影響及無線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包傳輸時間的抖動效應(yīng)。實(shí)際上，這兩者是相互影響的：負(fù)載流量越大，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包傳輸時間的抖動效應(yīng)越明顯；負(fù)載流量越小，數(shù)據(jù)包的實(shí)時傳遞越有保障。

2 系統(tǒng)應(yīng)用

海洋鉆井平臺應(yīng)力實(shí)時檢測系統(tǒng)自2012-05完成研制以來，先后在勝利石油管理局勝利6號、勝利9號等自升式鉆井平臺上完成試驗與部署(圖4)。其中布設(shè)在勝利9號自升式鉆井平臺上的系統(tǒng)由安裝在12個樁腿升降系統(tǒng)齒輪軸上的12套智能多通道應(yīng)力應(yīng)變檢測單元和一個系統(tǒng)主控站點(diǎn)組成，每個檢測單元分別接入2～4組應(yīng)力應(yīng)變傳感器以提高系統(tǒng)監(jiān)測的冗余度，傳感器輪檢周期為2 s，每組測試數(shù)據(jù)實(shí)時通過無線數(shù)據(jù)鏈路傳回主控站供后臺數(shù)據(jù)庫子系統(tǒng)存儲、保存、及實(shí)時顯示等使用。通過水倉壓水試驗實(shí)測的應(yīng)力應(yīng)變檢測靈敏度優(yōu)于100 kg，完全滿足對平臺樁腿載荷變化的精確實(shí)時遙測。

系統(tǒng)自部署以來已連續(xù)工作半年多時間，經(jīng)歷了多個平臺移位-鉆井周期，取得了大量測試數(shù)據(jù)，特別是其中作業(yè)過程中拔樁、升降、預(yù)壓載、鉆井等各種關(guān)鍵動作所引起的樁腿載荷狀態(tài)變化數(shù)據(jù)為平臺生產(chǎn)全過程的監(jiān)測與診斷提供了有效支撐(圖5)。

圖4 智能多通道應(yīng)力應(yīng)變檢測單元的平臺布設(shè)Fig.4 Layout of intelligent multichannel stress and strain detecting units

(1沖拔樁過程；2暫停階段；3沖拔樁過程(拔2m，插1m)；4暫停過程；5提升樁腿待托航；6托航過程；7托航就位過程；8插拔過程；9加壓載水過程；10加水觀察；11放壓載水過程；12升平臺過程)圖5 平臺移位的全過程監(jiān)測Fig.5 Entire monitoring process for the platform's displacement

3 結(jié) 語

目前，我國多數(shù)海洋鉆井平臺都處于設(shè)計壽命的中晚期，平臺的安全性和可靠性得到了越來越多的重視?；谄脚_樁腿載荷實(shí)時監(jiān)測技術(shù)的海洋鉆井平臺應(yīng)力實(shí)時檢測系統(tǒng)由于其設(shè)備要求低、操作相對便捷，實(shí)時性高等優(yōu)點(diǎn)，代表了未來這一類大型工程結(jié)構(gòu)非侵入式檢測與診斷的技術(shù)趨勢。這一系統(tǒng)的研制和成功應(yīng)用為我國自升式平臺的安全生產(chǎn)過程監(jiān)督提供了一種全新的技術(shù)手段，也預(yù)示了分布式無線智能傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在海洋平臺安全檢測與監(jiān)測領(lǐng)域的廣闊應(yīng)用前景。

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