基于原型測量的渤海導(dǎo)管架平臺抗冰保障系統(tǒng)

王譯鶴，岳前進(jìn)，畢祥軍

(大連理工大學(xué)工業(yè)裝備結(jié)構(gòu)分析國家重點實驗室，遼寧大連，116024)

寒區(qū)海洋平臺主要以固定式平臺為主，分為樁式平臺和重力式平臺2種。其中，鋼質(zhì)導(dǎo)管架平臺是目前冰區(qū)最普遍采用的一種結(jié)構(gòu)形式。目前，渤海的許多鋼質(zhì)平臺已經(jīng)接近或達(dá)到了服役年限，繼續(xù)服役的最大問題就是安全問題。然而，目前的寒區(qū)海洋結(jié)構(gòu)的設(shè)計和安全評估都是從極端冰荷載出發(fā)，即只考慮最大靜冰力或最大傾覆力矩是否能推倒平臺。在冰與結(jié)構(gòu)相互作用過程中，冰的破碎還產(chǎn)生交變荷載并引起結(jié)構(gòu)的振動。實際上，從20世紀(jì)60年代美國在阿拉斯加庫克灣的導(dǎo)管架采油平臺就發(fā)現(xiàn)了冰激振動現(xiàn)象［1］;20世紀(jì)70年代波斯尼亞灣的燈塔在冰激振動的作用下倒塌;80年代波弗特海的Molikpaq沉箱在冰激振動下地基發(fā)生砂土液化［2］;我國渤海自20世紀(jì)80年代后期，在渤海遼東灣地區(qū)相繼建造的多座平臺，也發(fā)生了比較劇烈的冰激振動，2000年冬天，JZ20-2MSW平臺劇烈的冰激振動造成平臺上部連接法蘭松動而導(dǎo)致天然氣的泄漏，平臺關(guān)井停產(chǎn);持續(xù)的冰激振動對JZ20-2MUQ、JZ9-3平臺的作業(yè)人員也產(chǎn)生影響，降低了舒適度和工作效率，嚴(yán)重時會危害其身心健康。最近，幾座新建的簡易抗冰平臺在冬季發(fā)生強(qiáng)烈的冰激振動，相比傳統(tǒng)導(dǎo)管架平臺更加甚之，嚴(yán)重威脅上部設(shè)施。但由于海洋環(huán)境條件及海冰對結(jié)構(gòu)物作用過程的復(fù)雜性，國內(nèi)外目前對海冰的研究還遠(yuǎn)不能滿足工程建設(shè)的需要。隨著渤海油氣資源開發(fā)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，結(jié)冰期連續(xù)生產(chǎn)作業(yè)將成為不可回避的現(xiàn)實，因此，渤海冰期油氣開發(fā)中的基于原型測量的導(dǎo)管架平臺抗冰保障就顯得至關(guān)重要。建立一套完備的原型測量系統(tǒng)需要考慮諸多方面，本文旨在建立渤海導(dǎo)管架平臺抗冰保障系統(tǒng)的渤海原型測量系統(tǒng)各組成部分的設(shè)計與布置，并介紹渤海導(dǎo)管架平臺抗冰保障系統(tǒng)的構(gòu)成與運(yùn)行。

1 原型測量系統(tǒng)

渤海為季節(jié)性結(jié)冰海域，且海冰在潮流的驅(qū)使下運(yùn)動頻繁。另一方面，相比高緯度海域海冰，渤海海冰厚度較薄，一般在10～20 cm，最大設(shè)計冰厚45 cm。

由于油氣資源分布離散，渤海導(dǎo)管架平臺的設(shè)計需要考慮經(jīng)濟(jì)因素，因此平臺剛度明顯低于庫克灣的導(dǎo)管架平臺［1］，無法避免冰激振動。

完備的原型測量系統(tǒng)必須包括如下信息:

1)作用于結(jié)構(gòu)水線處的冰力。理論上，作用于結(jié)構(gòu)樁腿的總冰力，可以由結(jié)構(gòu)上部位移，導(dǎo)管架平臺水下局部應(yīng)變等結(jié)構(gòu)響應(yīng)信息計算得到。然而由于結(jié)構(gòu)自身復(fù)雜的多自由度響應(yīng)，實事上無法實現(xiàn)樁腿總冰力的計算。另一方面，冰荷載研究更加關(guān)心海冰與結(jié)構(gòu)接觸面上的局部破壞行為，因此有必要進(jìn)行如加拿大波弗特海沉箱結(jié)構(gòu)Molikpaq上進(jìn)行的冰力的直接測量［3］。

2)結(jié)構(gòu)上部位移。這里需要指出，海洋上沒有固定參考系，因此只能測量上部位移交變量。除結(jié)構(gòu)上部位移以外，結(jié)構(gòu)水下局部應(yīng)變數(shù)據(jù)可以反映結(jié)構(gòu)的整體變形，加拿大波弗特海的原型測量就曾利用這一數(shù)據(jù)［2］。渤海導(dǎo)管架平臺JZ20-2NW進(jìn)行了水下應(yīng)變測量，這部分內(nèi)容非本文重點，不作詳細(xì)論述。

3)冰況參數(shù)。作用于結(jié)構(gòu)的冰力及其引起的冰激振動取決于結(jié)構(gòu)裝腿水線處的形狀、尺寸和冰況參數(shù)。最重要的冰況參數(shù)為冰厚、冰速、冰強(qiáng)度，它們決定了冰力幅值與周期。通常情況下，冰強(qiáng)度無法實現(xiàn)現(xiàn)場測量，而冰厚冰速可以通過特定的技術(shù)實現(xiàn)現(xiàn)場測量。

4)其他相關(guān)信息。海冰的生長與漂移取決于如氣溫、風(fēng)速、風(fēng)向、潮流等氣象條件。因此這些氣象數(shù)據(jù)也要同步記錄，以便用來解釋測量得到的冰力與結(jié)構(gòu)響應(yīng)數(shù)據(jù)。

圖1所示為安裝在導(dǎo)管架平臺JZ20-2MUQ上的原型測量系統(tǒng)，包含用以測量上述數(shù)據(jù)的全部設(shè)備。

圖1 JZ20-2MUQ平臺上的原型測量系統(tǒng)Fig.1 Typical field measuring system on JZ20-2MUQ

2 壓力盒

壓力盒被安裝在冰與結(jié)構(gòu)樁腿之間作用界面上，以直接測量冰力。關(guān)于壓力盒的設(shè)計與制造需考慮的問題，在許多文獻(xiàn)中都有過討論。渤海原型測量系統(tǒng)中的壓力盒設(shè)計與制造主要考慮如下方面:

1)壓力盒外形。壓力盒的外形要保持與原結(jié)構(gòu)一致。例如，如果測量結(jié)構(gòu)為圓柱形樁腿，則壓力盒必須與樁腿具有相同的圓柱形外形。

2)準(zhǔn)確測量冰力的能力。壓力盒必須具有足夠的量程與靈敏度，并且有足夠高的響應(yīng)頻率以記錄冰力中的高頻分量。

3)可靠性?？紤]到環(huán)境腐蝕的問題。壓力盒內(nèi)的電子器件要做好防水密封。另外，如果壓力盒要安裝到已經(jīng)建好的平臺上，則要保證壓力盒的安裝過程簡單快速。

考慮上述各方面，渤海原型測量系統(tǒng)中采用的冰壓力盒的物理模型如圖2所示。

圖2 壓力盒結(jié)構(gòu)簡圖Fig.2 Theoretical sketch of the ice load panel

渤海原型測量系統(tǒng)中共使用了2種壓力盒，以便測量圓柱樁腿和錐體結(jié)構(gòu)上的冰力，圖3所示為錐體結(jié)構(gòu)壓力盒。壓力盒采取分片布置以測量局部冰力。圓柱樁腿上的壓力盒分為上下2行，每行6個分片，這樣布置是為了適應(yīng)潮位的變化，保證冰力的持續(xù)測量。

圖3 圓柱腿壓力盒，樁腿直徑為1.5 mFig.3 Cylinder load panel，diameter of the leg is 1.5 m

3 結(jié)構(gòu)響應(yīng)

當(dāng)導(dǎo)管架平臺在動冰力作用下發(fā)生冰激振動時，響應(yīng)主要集中在最低的幾階振型。在1999年和2000年冬季的早期原型測量中，導(dǎo)管架平臺各層甲板上均布置了用以測量加速度的拾振器，以獲得平臺振動的整體振型。然而后續(xù)的數(shù)據(jù)分析表明平臺主要以一階振型振動，這樣，只需測量某層甲板的一個位移信號，便可獲得整個平臺的振動信息。

渤海原型測量系統(tǒng)采用了891-II和891-Ⅳ這2種拾振器來測量導(dǎo)管架平臺的位移或加速度。這2種拾振器很適于獲取低頻振動信號，滿足渤海原型測量的需要。

4 冰況參數(shù)

如前文所述，現(xiàn)場可測量的最重要的冰況參數(shù)為冰厚和冰速，這2個參數(shù)影響著冰力幅值和動冰力的頻率。至今已有多種技術(shù)被應(yīng)用到冰速與冰厚的現(xiàn)場測量，例如加拿大波弗特海上的海冰厚度較大，且冰速較低，所以冰厚通過采樣鉆孔測量，冰速利用冰板上的傳感器測量［2-3］。Norstr?msgrund燈塔則采用了聲吶和激光掃描技術(shù)來測量冰厚和冰速。

在渤海，海冰冰厚主要在10～20 cm甚至更薄，這樣聲吶技術(shù)無法滿足測量的精度要求，所以渤海原型測量系統(tǒng)采用圖像識別技術(shù)來測量冰速和冰厚以及海冰密集度。高分辨率攝像頭被用以記錄海冰圖像，然后利用海冰圖像提取冰厚，冰速和海冰密集度。

圖4 通過視頻提取冰厚原理示意圖Fig.4 Theoretical sketch of the ice thickness estimation technique

圖4所示為通過圖像獲取冰厚的原理。圖像中的尺寸l取決于現(xiàn)場真實尺寸L，距離H和f，如果H遠(yuǎn)大于L且H為常量，則l與L近似為比例關(guān)系。

如果在現(xiàn)場布置一個已知長度L的物體，并記錄圖像中的像素點，這樣便完成了真實尺寸與圖像像素點之間的標(biāo)定，這樣，現(xiàn)場的真實海冰尺寸L可由圖像中的像素點計算得到。

海冰冰速和運(yùn)動方向的計算，主要是通過對不同時刻海冰圖像中特征點的提取和匹配來實現(xiàn)。在采集的視頻中，提取相同時間間隔的多幀海冰圖像，并通過相鄰幀圖像間特征點的對比確定海冰的速度。特征點一般是指位于圖像中不同高度區(qū)域交界處的像素點，一般使用角點特征以減小計算量，提高匹配速度。針對海冰速度的圖像監(jiān)測特點，渤海原型測量系統(tǒng)采用Harris算法進(jìn)行海冰圖像中特征點的提取。

Harris角度是一種基于圖像灰度的檢測方法，通過計算角點的梯度和曲率來確定角點，即確定圖像中灰度變化劇烈的點。這里以2010年2月15日09:20時的海冰監(jiān)測視頻圖像為例，其特征點及其在不同時刻的移動情況如圖5所示。Harris算法的基本原理是取以目標(biāo)像素點為中心的一個小窗口，并將窗口沿上下左右4個方向移動，計算4個方向上窗口內(nèi)的灰度變化，并以4個值中的最小值為該目標(biāo)像素點的角點響應(yīng)函數(shù)值。若該值大于閾值，則為角點。Harris算法通過計算窗口沿任何方向移動后的灰度變化，并用解析形式表達(dá)［4］。

若定義二維像素點的坐標(biāo)為(x，y)，則Harris角點表示為

式中:Ⅰ為圖像像素矩陣，w是降噪處理的平滑窗，(x，y)為相應(yīng)圖像像素坐標(biāo)，Ⅰx和Ⅰy分別為圖像像素在水平方向和垂直方向的一階偏微商，Ⅰx2和Ⅰy2分別為圖像像素在水平方向和垂直方向的二階偏微商，(u，v)為偏移坐標(biāo)。通過計算角點相應(yīng)函數(shù)，可以檢測出圖像的角點，即:

通過Harris算子將特征點確定后，再通過相應(yīng)的特征點匹配方法將不同圖像中相對應(yīng)的特征點對應(yīng)起來，從而確定不同時刻海冰的移動位移。渤海原形測量系統(tǒng)采用了一種簡單的引導(dǎo)互匹配算法進(jìn)行特征點的匹配。當(dāng)圖片的特征點不明顯的時候會產(chǎn)生誤匹配點，并導(dǎo)致計算誤差。這時就需要將誤匹配點進(jìn)行消除［5］。渤海原形測量系統(tǒng)采用了一種基于EM算法學(xué)習(xí)高斯混合模型(GMM)的聚類方法進(jìn)行誤匹配點的消除，該方法可以表示為

其中，

式中:φ(x;θj)是第j個混合分量，也是一個d維高斯密度，其中θj是其參數(shù)，wj是第j個混合分量的混合系數(shù)，k是混合模型中分量的個數(shù)。mj和σj是第j個分量的均值和協(xié)方差矩陣。用EM算法估計GMM的任務(wù)就是估計參數(shù)wj、mj和σj，并通過不斷地更新以保證訓(xùn)練數(shù)據(jù)似然度單調(diào)地增加。

采用以上方法對圖5中3個不同時刻(09:21:04、09:21:09和09:21:14)的海冰速度進(jìn)行了確定，分別 為 (76.79 cm/s，278.19°)、(77.96 cm/s，278.86°)和 (79.26 cm/s，279.11°)，其 均 值 為(78.00 cm/s，278.72°)。這里的流向以向上為 0°，順時針旋轉(zhuǎn)向下為180°。在海冰現(xiàn)場監(jiān)測中為確定地理坐標(biāo)上的冰向，需要對采集圖像的角度進(jìn)行標(biāo)定。

渤海原型測量系統(tǒng)采用最大類別方差法對海冰圖像中的海冰和海水進(jìn)行分割。在海冰密集度的確定中最關(guān)鍵的問題是將目標(biāo)(海冰)從背景(海水)中識別提取出來。渤海原型測量系統(tǒng)選用全局閾值分割方法對圖像進(jìn)行分割。首先用同態(tài)濾波方法增強(qiáng)圖像，然后對圖像進(jìn)行邊緣檢測，并通過形態(tài)學(xué)方法對邊緣圖像進(jìn)行修整。在得到海水與海冰的二值圖像后，乘以射影矯正矩陣，計算其中白色像素區(qū)域占整個區(qū)域的百分比，便可得到海冰密集度。

圖5 海冰速度圖像監(jiān)測中特征點的提取示意圖Fig.5 Sketch of the extraction of the characteristic point during ice velocity calculation using ice video

然而，當(dāng)海冰受光照、陰影、天氣等因素影響時，冰和水之間的界限不太清晰，這時簡單的全局閾值方法不能滿足精度要求。為此，渤海原型測量系統(tǒng)采用了自適應(yīng)閾值方法，并做了如下3方面的改進(jìn)，即對圖像進(jìn)行壓縮以減小計算量，對灰度進(jìn)行均衡化以增強(qiáng)圖像對比度，估算最優(yōu)閾值范圍以簡化分割算法［6］。假設(shè)閾值t將具有L級灰度的圖像分割為2 類:C0∈［t，0］和C1∈［t+1，L-1］。對圖像直方圖歸一化之后，得到灰度為i的像素分布概率為

式中:N為圖像總像素數(shù)，ni為圖像中灰度為i的像素數(shù)，則C0和C1出現(xiàn)的概率及均值分別為

根據(jù)最大類間方差法，計算C0和C1類的類間方差為

以上圖像處理方法計算簡單，穩(wěn)定性強(qiáng)，并方便程序進(jìn)行批量圖像的處理。這里以2010年01月01日13:30在JZ20-2海域采集的海冰圖像為例(如圖6(a))，對其進(jìn)行二值化后對海冰和海水進(jìn)行分割(如圖6(b))，由此得到海冰的密集度為86.1%。

圖6 海冰密集度計算(密集度為86.1%)Fig.6 Calculation of ice concentration(the concentration is 86.1%)

5 渤海冰激振動預(yù)報模型及平臺抗冰保障系統(tǒng)

根據(jù)對渤海導(dǎo)管架平臺失效模式的分析，海冰在圓柱樁腿導(dǎo)管架平臺上的連續(xù)擠壓破碎或海冰在樁腿加裝錐體結(jié)構(gòu)的導(dǎo)管架平臺上的彎曲破碎導(dǎo)致的過大的平臺上部加速度將導(dǎo)致平臺上部管線設(shè)施的破壞和平臺工作人員的不適［7-13］。因此控制平臺上部加速度是平臺抗冰保障的關(guān)鍵。

圖7所示為樁腿加裝錐體結(jié)構(gòu)的導(dǎo)管架平臺JZ20-2MSW一天中每5 min最大加速度曲線。顯然導(dǎo)管架平臺最大上部加速度取決于不同的冰況參數(shù)，及冰速與冰厚組合。渤海原型測量系統(tǒng)基于光滑粒子流體動力學(xué)方法(SPH)建立了海冰熱力動力學(xué)模型來預(yù)報渤海海冰參數(shù)，該模型利用美國國家海洋與大氣管理局的衛(wèi)星圖像和波海原型測量系統(tǒng)的現(xiàn)場數(shù)據(jù)提取計算的初始條件和相關(guān)參數(shù)。

圖7 導(dǎo)管架平臺JZ20-2MSW一天中每5 min最大加速度曲線Fig.7 Maximum acceleration of JZ20-2MSW in every 5 minutes during one day

圖8所示為渤海遼東灣初始時刻(2000年1月25日08:40)后48 h的冰厚，冰速預(yù)測結(jié)果。

另一方面，基于大量的現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)，最大平臺上部加速度和不同冰速冰厚組合的關(guān)系被統(tǒng)計出來(對于圓柱樁腿導(dǎo)管架平臺該關(guān)系只適用于渤海最為多發(fā)的隨機(jī)動冰力模式)(圖9)。

圖8 渤海遼東灣初始時刻(2000年1月25日08:40)后48 h的冰厚，冰速預(yù)測結(jié)果Fig.8 Prediction of ice thickness and velocity in the Liaodong Bay of the Bohai Sea 48 hours later than the initial time(08:40 Jan 25th2000)

圖9 JZ20-2MUQ平臺上部加速度與冰速冰厚關(guān)系Fig.9 The relationship between the topside acceleration of JZ20-2MUQ and the combination of ice velocity and thickness

由此，結(jié)合美國國家海洋與大氣管理局的衛(wèi)星圖像，渤海原型測量系統(tǒng)的現(xiàn)場數(shù)據(jù)，和最大平臺上部加速度與不同冰厚冰速組合的關(guān)系，便可建立渤海導(dǎo)管架平臺冰激振動預(yù)報模型。圖10所示為樁腿加裝錐體結(jié)構(gòu)的導(dǎo)管架平臺JZ20-2MUQ在48 h內(nèi)最大上部加速度實測值與預(yù)測值的對比。

圖10 導(dǎo)管架平臺JZ20-2MUQ在48 h內(nèi)最大上部加速度實測值與預(yù)測值的對比Fig.10 Comparison between the maximum topside acceleration field data and the maximum topside acceleration prediction of jacket platform JZ20-2MUQ during 48 hours

基于渤海導(dǎo)管架平臺冰激振動預(yù)報模型，平臺現(xiàn)場監(jiān)測，和平臺失效準(zhǔn)則，渤海導(dǎo)管架平臺抗冰保障系統(tǒng)得以建立(圖11)。

渤海導(dǎo)管架平臺抗冰保障系統(tǒng)根據(jù)冰激振動預(yù)報模型給出的平臺最大上部加速度預(yù)測值或平臺現(xiàn)場監(jiān)測得到的最大上部加速度調(diào)動破冰船作業(yè)，以確保渤海導(dǎo)管架平臺避免較大振動，保障平臺安全。

圖11 渤海導(dǎo)管架平臺抗冰保障系統(tǒng)Fig.11 Safety guarantee of jacket platform in the Bohai Sea

6 結(jié)束語

在渤海的多座導(dǎo)管架平臺上，一套完備的原型測量系統(tǒng)被設(shè)計并部署多年。該原型測量系統(tǒng)針對圓柱形樁腿和加裝錐體結(jié)構(gòu)樁腿設(shè)計、制造，并實施安裝了不同的壓力盒以實現(xiàn)冰力的直接測量。多個拾振器被安裝于導(dǎo)管架平臺甲板上，以測量平臺的波動位移分量。由于渤海海冰相對較薄，因此采用高分辨率攝像頭和圖像處理技術(shù)來獲取冰速和冰厚和海冰密集度等參數(shù)。包括冰力、結(jié)構(gòu)位移、冰厚、冰速和其他相關(guān)環(huán)境氣象參數(shù)在內(nèi)的全部現(xiàn)場數(shù)據(jù)同步記錄存儲，基于渤海原型測量系統(tǒng)的現(xiàn)場數(shù)據(jù)，渤海導(dǎo)管架平臺冰激振動預(yù)報模型和渤海導(dǎo)管架平臺抗冰保障系統(tǒng)得以建立，保障了渤海導(dǎo)管架平臺在冬季冰期的安全運(yùn)行。

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