新型海上無人平臺登臨裝置研究

戴國華，郝 銘，龐洪林，單 薦

（中海石油（中國）有限公司天津分公司，天津 300459）

大力發展海洋油氣產業，提升海洋油氣勘探開發力度，對我國能源安全意義重大[1]。隨著渤海油田開發深入，越來越多的構造儲量低的邊際油田逐步被發現。邊際油田的開發方式采用“三一”模式，無人平臺依托周邊的中心平臺進行開發。但是渤海邊際油田無人平臺現有登臨方式不能適應惡劣海況作業和防外部人員登臨的條件，需要進行技術創新，進一步研究安全、可靠、結構緊湊的海上無人平臺登臨裝置具有重要意義。

由于海洋水文氣象條件的限制，人員登臨、撤離平臺是海上油氣資源開發安全可控的第一要求，也是整體安全系統中的“第一顆紐扣”。一切事故都是在“人-機-環境”相互作用下發生的出乎人們意料的破壞性事件。要避免和減少事故的發生，人們就必須能控制“人-機-環境”這一系統，能預知和限制事故的發生[2]。因此，在海上無人平臺登臨過程中，既要保證工作人員受到過合格的安全培訓，又要保障機械結構安全可靠，還要對“人-機-環境”這一綜合復雜的系統進行全方位、智能化的監控和預測，在新興的人工智能技術和電氣裝備的幫助下實現安全、自動的人員登臨作業。

為解決上述問題，本文通過對國內外海上平臺登臨方式進行調研，整理分析傳統海上平臺登臨裝置技術特點，提出了一種適應當下發展形勢和需求的海上無人平臺登臨裝置，并分析海上無人平臺登臨裝置的未來發展趨勢，為未來研制新型海上無人平臺登臨裝置，保障維保人員安全登臨海上無人平臺作出參考。

1 國內外研究現狀

1.1 國內研究現狀

國內現有海上平臺常用的登臨方式按照主登方式主要有以下六種組合方式（圖1 和表1）：第一種方式為登船平臺+固定梯道，這種裝置比較簡易較為安全，通常用鎖頭防止外來人員進入，但是不可搬遷；第二種方式為登船平臺+固定梯道+掛梯，這種方式同樣較為簡易且通過掛梯和鎖頭的方式防止外來人員進入，但安全性不高且不可搬遷；第三種方式為遙控懸梯+固定梯道，該裝置可搬遷且安全性較高，通過提升方式防止外來人員進入，但是裝置簡易性較低；第四種方式為登船平臺+固定梯道+遙控軟鋼梯，第五種方式為登船平臺+固定梯道+遙控直梯，這兩種登臨方式均可搬遷、安全性較高、通過提升的方式防止外來人員登臨，但是裝置不簡易且在國內使用較少；第六種方式為登船平臺+固定梯道+拉伸直梯，這種裝置較為簡易，通過鎖頭防止外來人員登臨，但不可搬遷且安全性較低。

表1 海上無人平臺登臨方式對比

圖1 國內海上平臺常用登臨方式[3-5]

通過比較上述幾種國內常用的海上平臺登臨方式可見，簡易性、是否可搬遷、安全性等重要問題在國內尚未解決。

1.2 國外研究現狀

國外海上平臺常用的登臨方式主要有以下三種（圖2）。

圖2 國外海上平臺常用登臨方式[6-7]

第一種方式是對于近岸風電平臺，采用小型船舶直接頂靠風機基座爬梯，并與海上風機平臺塔基相互接觸，利用普通登乘裝置登上海上風機平臺，實現作業人員的轉送。這種系統適合在風浪變化小、氣候狀況良好的條件下使用[7]，適用于小型運維船且性價比高。近些年國內海工單位也開始逐漸使用這些小型風電運維船進行人員轉運，但受制于船體適航性，該系統在東海與南海作業較為困難。

第二種方式是在風機平臺上安裝可遠程控制的伸縮舷梯，維護人員通過舷梯或與舷梯相連的掛梯（或軟梯）登靠風機平臺，僅可實現人員的轉移。這種登臨當時的主要特點是適合人員轉送并且適合于尾靠船舶。

登靠舷梯能夠檢測運維船受海浪影響后的姿態和位移，通過控制混并聯機構實現海浪的主動補償，這樣維修人員攜帶設備通過該平臺上的廊橋能夠安全平穩到海上平臺[8]。但是其系統復雜，包括回轉系統、變幅系統、通道伸縮系統，且設備造價高。

第三種方式是使用主動波浪補償棧橋，通過棧橋自身的運動來抵消傳播運動引起的波浪影響，使棧橋保持相對穩定的狀態，補償棧橋由基座、鋼塔、桁架式伸縮橋、走道平臺、司機室、液壓系統和電氣系統等組成。主動波浪補償棧橋可廣泛安裝于浮式生產儲卸油裝置（Floating Production Storage and Offloading，FPSO）、風電安裝船、風電安裝平臺等各類支持平臺，可隨船航行于無限航區參加相關作業。

CHEN H 等[9]提出，當起重機在船舶或移動平臺上使用時，由于船體的影響，起重機的載荷運動類似于空間球擺，這使得升沉位移表現出明顯的非線性運動特征。此外，檢測機構的時滯和控制誤差會導致補償不及時，從而影響系統的性能。為此提出了一種先進的預測補償方法，即粒子群優化模型預測軌跡控制器（Particle Swarm Optimization-Motion Prediction，PSO-MPTP），以提高升沉補償性能。該方法基于模型預測控制（Model-based Predictive Control，MPC），首次應用于位置伺服系統，同時考慮了升沉預測和控制效果。該方法可對起重機載荷的升沉位移進行多步預測，并作為補償機位置回路的輸入。仿真結果表明，該控制器具有較好的預測能力、較高的控制精度和較強的魯棒性。

由于船舶的波浪運動和繩索的柔韌性，有效載荷的搖擺是不可避免的，可能會給相關作業帶來危險。WANG S H 等[10]在三柱船舶直接運動補償的基礎上，提出了一種新的海上起重機組合補償方法——四柱組合補償。四柱方案具有以下優點：一是可以顯著降低執行機構的最大力要求；二是工作負荷在氣缸間分配更均勻；三是主支撐軸可以防止平臺翻倒，執行器總是推動平臺，而不是雙向的，這可能會降低成本和風險。

LANDSVERK R 等[11]研究了帶載荷的多用途起重機與近海運輸船的耦合動力學問題。利用完整約束和牛頓-歐拉動力學導出了經典的多體模型，將得到的微分代數方程（Differential Algebraic Equation，DAE）的索引-3 系統轉化為索引-1 系統，并使用常用的數值求解器進行求解。

QIAN Y Z 等[12]提出了一種基于增強自適應神經網絡（Neural Networks，NN）的協同海上起重機反擺動跟蹤控制策略，提出了一種船舶運動預測算法來生成貨物的目標軌跡，并提出了一種自適應神經網絡來處理復雜的未知波浪引起的干擾。通過完整的基于Lyapunov 的穩定性分析，保證了有界跟蹤性能。

2 新型海上無人平臺登臨裝置

在綜合研究國內外研究現狀和現實海上平臺工作需求后，本文提出一種新型海上無人平臺登臨裝置（圖3），相比于其他登臨裝置，這種新型海上無人平臺登臨裝置的結構簡單、占用空間小，同時具有系統可靠、便于安裝、經濟性好、可推廣用于其他海上結構物登臨作業的特點。在防控外來人員登臨方面，本裝置需要局域網內對克令吊和登臨裝置進行呼叫，因此可基本杜絕外來人員憑借該海上無人平臺登臨裝置進入生產區域。另外，這種海上無人平臺登臨裝置也可以作為應急撤離逃生設施，在海上平臺人員逃生和撤離過程中發揮重要作用[4-5]。

圖3 新型海上無人平臺登臨裝置示意圖

其中，提升系統具有運動補償（升沉補償）功能，可將起伏不定的運維船上的技術人員安全提升到海上石油平臺的底部平臺，從而避免運維船頂靠爬梯后往返于爬梯的危險環節，降低往返運維船和平臺之間的人身風險。系統的運動補償系統可以自動調節起吊繩索的位置，人員和系統掛鉤連接后，即使在上下起伏的運維船上也不會受到干擾，不會造成人員和船體之間的碰撞。吊臂可前后伸縮，避免人員碰撞平臺。

新型海上無人平臺登臨裝置的登臨作業流程和離開作業流程略有不同，但其相同點在于登臨和離開的作業流程都分為4 個階段。當各個控制模式轉換時，通過運動軌跡平滑與光順技術，以及力位耦合控制技術，保證吊點加速度無突變，實現運動狀態的平穩過渡。

2.1 登臨作業流程與控制模式

新型海上無人平臺登臨裝置的登臨作業流程與控制模式如下。

階段1：平穩下降（穩定運動模式）。運維人員用無線遙控器發出吊鉤下放指令，吊臂伸出平臺，吊鉤穩定、勻速下放。

階段2：吊鉤落船（升沉同步控制模式）。吊鉤下降至風險區時，利用懸臂上搭載的激光位移傳感器實時獲取船舶的運動狀態，控制系統自主建立船舶的升沉預測模型，基于系統內置的預測控制算法以及力位耦合控制策略，控制繩索的伸縮，快速將吊鉤下放至甲板，纜繩處于松弛狀態。

階段3：安全脫離（高點抬升控制模式）。運維人員將吊鉤扣到安全帶上后，用無線遙控器發出登臨指令，基于懸臂上搭載的激光位移傳感器實時獲取船舶（甲板）的升沉運動信息，當吊點（人員）位于升沉運動周期的高點時，控制繩索的收縮，在一個波浪運動周期內，將吊點（人員）抬升至可能發生碰撞的區域以外。

階段4：平穩上升（穩定運動模式）。吊鉤升至頂端后，吊臂回縮，吊鉤再下放，將運維人員放至平臺上。

2.2 離開作業流程與控制模式

新型海上無人平臺登臨裝置的離開作業流程與控制模式如下。

階段1：平穩下降（穩定運動模式）。運維人員將吊鉤掛到安全帶上，點擊無線遙控器離開指令，吊鉤升起至高點，吊臂伸出平臺，吊點（人員）的穩定、勻速下放。

階段2：安全落船（升沉同步控制模式）。吊點（人員）下降至風險區時，利用懸臂上搭載的激光位移傳感器實時獲取船舶的運動狀態，控制系統自主建立船舶的升沉預測模型，基于系統內置的預測控制算法和力位耦合控制策略，控制繩索的伸縮，當甲板升至波浪波峰（高點）時快速松下纜繩，將運維人員安全下放至甲板。

階段3：安全脫離（高點抬升控制模式）?；趹冶凵洗钶d的激光位移傳感器實時獲取船舶（甲板）的升沉運動信息，建立船舶的升沉運動實時預測模型，當甲板位于升沉運動周期的高點時，控制繩索的收縮，在一個波浪運動周期內，將吊鉤抬升至可能發生碰撞的區域以外。

階段4：平穩上升（穩定運動模式）。將吊鉤升起至高點，吊臂縮回，系統回歸待機狀態。

2.3 安全性仿真分析

基于Fluent 軟件，研究設計了安全性仿真分析實驗，目的是分析作業人員在風力作用下的擺動幅度，設計合理的支撐結構主尺寸，避免撞擊平臺結構，保障人員在登臨過程中的人身安全。本裝置安全性仿真實驗設計參數如表2 所示。

表2 安全性仿真實驗設計參數

安全性仿真實驗的方法是按照各種最惡劣的情況相疊加來計算，并設計支撐結構主尺寸，使得人員受風擺動后不發生碰撞（圖4 和圖5）。平臺高度選擇15 m，風力為6 級風速最大值13.8 m/s，風向正對人體與平臺，體重取較小值60 kg。

圖4 流場圖

圖5 流跡圖

根據安全性仿真實驗設計的相關參數進行實驗后，結果表示人體的迎風阻力約為50 N，繩索傾斜角度為4.766°。當平臺高度為15 m 時，作業人員在風力作用下水平偏移距離為1.42 m。因此，為了確保人員在不高于6 級風速的登臨安全時，吊機的起重臂設計值要至少要大于1.42 m。本裝置安全性仿真實驗結果如表3 所示。

表3 安全性仿真實驗結果

3 新型海上無人平臺登臨裝置關鍵技術

3.1 人員姿態識別

在海上平臺登臨過程中，作業人員的人身安全是最為重要的考慮因素。不同于其他研究中只對人員進行識別與定位，本設計還對人員行為姿態進行了識別與分類，充分考慮到登臨過程中的人機工效，避免在人員離船過程中與甲板、吊索發生撞擊，也避免在人員登臨上升過程中因懸吊、扭轉受到傷害。另外，安全的、具有標志性的登臨姿態也可以在保護人員本身的同時，為控制系統和輔助人員傳遞安全作業信號，保證全過程的安全性。近年來，人體行為識別（Human Activity Recognition，HAR）技術是計算機視覺（Computer Vision，CV）領域的研究熱點，但多人HAR 的研究仍存在很多技術難點。目前的少樣本姿態識別工作大部分都是基于連續視頻，其劣勢在于可解釋性差、數據維度高、難以訓練和部署等問題。

本文嘗試從低維的骨骼點數據上進行姿態少樣本識別。這是由于一個肢體姿態可以由少量的骨骼點序列信息高效表示，大量減少了人體姿態的信息冗余，增加對作業人員人體姿態識別的可解釋性。近年來有許多學者在人員動作、姿態識別領域做出了大量貢獻，經典的姿態識別算法有AlphaPose、pytorchopenpose、PoseC3D、ST-GCN、MobilePose 等[13]。

在該項任務中，我們需要識別登臨目標人員及姿態（圖6），在計算機中重建人體關節和肢體并進行可視化表達，其難點在于降低模型分析算法的復雜程度，并能夠適應各種多變的情況、環境，特別是復雜的海上作業環境對圖像產生的各種不良影響。最終該項任務輸出的是一個高維的姿態向量，而不是某個類別的類標，這就意味著研究需要一個神經網絡，該網絡學習的是一個從高維觀測向量到高維姿態向量的映射。

圖6 姿態識別示意圖

3.2 船舶升沉運動檢測及預測

船舶隨波浪運動狀態的精準預測是進行波浪補償、實現精確控制、保障作業安全的重要基礎。本系統內置運動狀態預測模塊，可基于現場傳感信息自動建立并實時更新運動預測模型，短臨預測（3~5 個控制周期）準確度可達95%，長時預測（1個波浪運動周期）準確度接近80%，可為作業人員在甲板上的下放與分離環節的精確控制提供模型。

船舶升沉運動檢測及預測可采用激光測距或微機電系統（Microelectro Mechanical Systems，MEMS）運動傳感器測量等方式?？紤]到盡量簡化石油平臺系統來使系統簡單、可靠等因素，采用北斗衛星定位系統+MEMS 運動傳感器測量的方式進行測量。北斗能夠實現船舶位置的測量，同時還能夠與平臺上的北斗進行絕對高程和相對高差的測量。MEMS陀螺儀利用科里奧利力——旋轉物體在有徑向運動時所受到的切向力，測量徑向加速、科里奧利加速度和切向加速度，通過計算獲取運動物體的運動方向、距離等?？梢詫⑼勇輧x裝置于控制終端，放置在甲板上進行測量，測量結果如圖7 所示。

圖7 基于北斗/MEMS 傳感器組合的甲板起伏測量

3.3 波浪預測與補償

根據陀螺儀實時測量的船舶甲板高度數據，采用深度學習算法建立船舶升沉預測模型，具體流程如下。

首先，工作船攜帶登臨系統控制主機采集多次出海作業時海平面波浪的起伏數據，使用基于時間序列預測的深度學習算法如長短時記憶神經網絡（Long Short-term Memory Networks，LSTM）、循環神經網絡（Recurrent Neural Network，RNN）、雙向遞歸神經網絡（Bidirectional Recurrent Neural Network，BiRNN）等神經網絡完成模型的初始訓練。

其次，在使用時，模型根據采集的前3~5 s 海浪變化數據，來預測海浪起伏到最高點的時刻和最大運動幅度，從而給登臨裝置的上升和下降控制提供參考。

另外，此模型需具有在線學習的功能，能夠不斷地訓練新采樣的數據，從而邊訓練邊預測，不斷地提高此預測模型的準確度。

系統控制主機根據船甲板升沉測量和預測的高度值來計算吊鉤起落的高度，通過無線網絡向起重機和輔助設備發送操控指令，實現吊鉤與甲板相對位置的恒定或張力恒定?；谇笆鲞\動預測模型實現預測控制（超前控制），能夠有效解決海上運動同步或補償過程中的滯后性問題，最大限度確保作業安全與搭乘舒適性。

3.4 二級補償起吊

在高海況下，工作船會受風浪影響進行多角度搖擺、俯仰。除垂直升沉以外，還會進行水平位移。由此會造成登臨人員離開甲板時的位置不在起重機吊繩的正下方，產生徑向和側向的偏角（圖8），當偏角較大時，就會造成登臨人員在空中大幅度擺動，從而引發危險。為解決這個問題，本文提出兩級起吊的結構和工作模式，其系統結構和工作原理如圖9 所示。

圖8 徑向偏角和側向偏角

圖9 兩級起吊系統機構示意圖

兩級起吊系統機構的工作流程如下。

第一級粗調。工作人員通過遙控器向平臺上的起重機控制系統發出指令，起重機轉動吊臂，放下吊鉤至距離甲板2 m 左右的距離，工作人員將快速收放纜盒子掛到吊鉤上，收放纜盒子下方柔性纜繩放出，另一端掛到工作人員的提升安全帶上。然后，起重機提起收放纜盒子升至離甲板3 m 處待命。

第二級快速微調。工作人員發出升起指令后，收放纜盒子拉緊柔性纜繩，波浪補償和張力恒定系統開始工作，保持合適的張力，待甲板升至波峰時拉起登臨人員離開甲板。再與起重機配合，將登臨人員提升至平臺。

這種設計有3 個優點：第一，通過起重機動-靜滑輪組的組合，能夠使吊臂和吊鉤之間由三根纜連接，可以起到防止大幅度的偏角擺動；第二，采用獨立的收放纜盒子，能夠提高波浪補償的靈敏度和整個系統的穩定性；第三，收放纜盒子可以作為獨立的產品，具有廣泛的應用價值。

4 結 論

本文總結了目前國內外海上平臺登臨方式，并提出了一種新型海上無人平臺登臨裝置的研發方案。本文根據安全性仿真實驗設計的相關參數進行實驗后，結果表示人體的迎風阻力約為50 N，繩索傾斜角度為4.766°。當平臺高度為15 m 時，作業人員在風力作用下水平偏移距離為1.42 m，得出6級風況下人員安全使用新型海上無人平臺登臨裝置的臂展長度。未來新型海上無人平臺登臨裝置的發展趨勢將集中在人工智能技術的應用，以提高作業人員的安全性和工作效率。

通過人工智能技術的應用，提高登臨系統的環境適應能力和智能控制能力是未來的發展方向。智能化裝備具有智能控制屬性和網絡連接能力，可以實現對海上無人平臺登臨裝置的遠程操控。在設計過程中，我們需要考慮裝置對登臨人員和工作船艇的識別與定位，以及對現場水文氣象條件的感知和智能調整。智能化能實時監測設備的運行狀況，還能提高安全性。有學者認為，安全科學研究人及技術和環境之間的關系，以建立這三者的平衡共生態（Equilibrated Sysbiosis）為目的[15]。新型海上無人平臺登臨裝置特別要關注登臨人員的人身安全，減少環境對人員和機械安全性的不良影響，并及時將設備檢修和維護的相關信息反饋給后勤維修人員。