海上铺管作业是通过铺管设备，如张紧器和托管架(或J-lay塔)等，将管道准确铺设到位于海底的预定管道路由上的一项长期而连续的海上施工过程。在铺管作业过程中，管道在水下形态无法直观看到，只有通过数值仿真或通过声学设备等进行物理监测，来保证几千米长的管道的安全，以及管道触地点控制在设计海管路由廊宽范围内。

国内外针对铺管过程的数值仿真研究开展的工作比较多，如:针对数值模型的各类优化研究，S型铺管托管架－船体－管线之间的耦合作用分析[1-3]；水深、管材、张紧器张力等参数对海底管道S型铺设影响的敏感性分析[4-7]；波浪、流等环境荷载的理论方法研究及保证海底管道安全铺设的天气窗口分析[8-9]等。传统理论分析方法基于各类理论公式及理想假设进行数值模拟，见图1。为保证铺管过程的安全进行，通常采用较为保守的设计结果，由此将会增加停机时间以及安装期管道疲劳损伤等。

国外几艘较为先进的铺管船均已配备有铺管作业实时安全系统，用于提高铺管作业安全性以及为动力定位系统操作人员提供支持等。如:Acergy公司的Falcon安装了一套包括声学多普勒海流分析仪的铺管作业实时监测系统[10]。Saipem公司的Saipem7000安装了动力定位/管道集成系统和Topas系统，可以向操作人员提供管道着地点数据，参考管道路由优化船舶位置，降低管道应力，免因ROV失效而引起作业中断[11]。Allseas公司的Solitaire安装配备MCS Kenny公司开发的OptiLay实时监测软件，OptiLay计算内核基于PipeLay铺管安装软件[12]。

国内针对铺管实时监测研究以验证性研究为多，通过传感器测量获得角度信息或压力信息等，与数值仿真模型相互验证，目前没有实际项目应用的监测系统。岳前进在国家863课题“深水海底管道铺设托管架设计及专用设备国产化技术研究”资助项目中，提出了深水管道S型铺设监测方案，通过监测托管架角度、张紧器拉力等与数值仿真结果、模型试验结果和第三方设计结果对比分析，验证了监测方案的可行性[13]。洪非提出在现场将托管架、张紧器等结构的铺设状态参数与铺设水深等参量作为监测信息，由监测信息直接或间接地计算垂弯段管道的轴力、弯矩等力学参数的原型监测方案[14]。基于惯性测量单元，唐立志提出了适用于海底管道形变监控系统的设计思想，给出了样机的机械结构、单元选取、数据采集等模块的设计原理，并对样机进行了实验验证[15]。对于构建海上环境立体监测数据管理系统的研究开展也比较广泛，张洪智开发和设计了基于MATLAB GUI及SQL Server的铺管船作业环境监测管理信息系统[16]。裴红英通过对铺管作业海况、船舶运动姿态、水下流速剖面等测量数据进行实时立体监测，形成统一的数据管理信息系统[17]。

综上，基于对铺管作业过程中管道的受力状态安全辅助监测的目的，开发了一套通过实时采集环境数据、船舶运动数据、张紧器数据等，集成有限元算法，实现分析、监测、预报警、数据存储管理等功能的可视化实时分析系统，命名为“铺管安全辅助系统”。实时分析系统与传统理论分析方法对比见图1。此系统对于减少作业停机时间，提高作业效率，节约成本，确保施工安全具有重要意义。

  

图1 实时分析系统与传统理论分析方法对比Fig.1 Schematic of real-time analysis system compared with the traditional theoretical analysis method

1 铺管安全辅助系统设计方案

铺管安全辅助系统包括设备系统和二维监控软件，见图2。系统通过数据库对硬件设备输出的原始数据，如水深、剖面流速、风速、船舶位置、航向、横摇、纵摇等集中存储、管理和共享，并将剖面流速、船舶6自由度时程、张紧力等实时数据解析、分包，通过调用OrcFxAPI.dll驱动OrcaFlex作为系统内核进行管道铺设工况的动态有限元计算，管道应力、应变、着泥点等结果信息入库并多界面实时共享。传感器与监测软件系统数据交换链路通畅即为在线模式，系统各项输出为真实环境的实时反馈。系统离线模式采用人工输入代替传感器数据的方式控制计算。

  

图2 铺管安全辅助系统组成Fig.2 Real-time pipeline installation monitor

1.1 设备系统

铺管安全辅助系统分析计算需要5类基本参数的输入包括:1、环境参数；2、船舶参数；3、托管架参数；4、张紧器参数；5、管道参数。设备系统提供实时数据源，与监测软件通过以太网或者串口进行数据传输，当传输故障时，系统提供人工输入。分析数据与设备对应见表1。根据数据源重要程度，优先配置船舶位置及姿态测量设备以及测流剖面设备[18-19]，如表1中数据所示。铺管分析中，张紧器对管道船端为固定约束，波浪和风的作用主要作用于船体，其作用可通过船舶的运动直接输入计算模型，因此波浪和风数据仅做参考记录。

[8] 康庄，张立，张翔.深水钢悬链立管铺设安装作业窗口分析[J].哈尔滨工程大学学报，2016，37(1):110-122.(KANG Zhuang， ZHANG Li， ZHANG Xiang.Analysis of operability envelopes for pipe laying of deepwater steel catenary risers[J].Journal of Harbin Engineering University， 2016， 37(1):110-122.(in Chinese))

 

表1 设备配置Tab.1 Hardware configuration

  

类别　数据　设备来源　接口类型　备注环境参数路由海床　设计基础水深　Echo Sounder　串行/以太网波浪(波高、周期、浪向等)　WAVEX Radar　串行/以太网　仅记录流剖面(流速－水深)　ADCP　串行/以太网　实时频率≥1Hz风(风速)　Wind Sensor　串行/以太网　仅记录船舶参数位置和航向　DP或GPS或GNSS/INS[20]　串行/以太网　实时频率≥1Hz姿态(横摇、纵摇、升沉)　MRU或GNSS/INS　串行/以太网　实时频率≥1Hz托管架参数铺管半径等　设计基础托管架尖端空隙　Sonar　串行/以太网　仅记录张紧器参数　顶张力　张紧器监控系统　串行/以太网　实时频率≥1Hz管道参数　触地坐标　ROV　仅记录

1.2 二维/三维监控软件

二维监控软件采用C/S架构，使用C＋＋语言和MFC界面库[21-22]开发，其中数据处理中心作为服务端，用于数据接收、解析以及计算，监控软件作为客户端，用于原始数据及计算结果数据的展示。三维监控场景对动态海洋、船只和管道进行监控和效果展示。船只和管道的动态数据通过外部传感器进行控制。其主界面软件的设计如图3所示。

  

图3 铺管安全辅助系统二维和三维主界面Fig.3 2D and 3D main interfaces of real-time pipeline installation monitor

数据采集可采用无线网络传输、布设数据采集线等方式将数据汇集到数据处理中心服务器。数据处理中心软件作为一个服务端软件，负责传感器数据的分包、组包及解析工作，以及OrcaFlex模型建立和模拟计算等任务，其主要处理流程如图4所示。

（2）签证变更需一月一清，及时闭合。工程变更也是问题频发。通常，建设项目预算精准，严格控制材料的供应，项目结构规范，隐蔽设备不多的情况下，工程项目的成本公开透明，施工单位利润可观。工程变更就成为弄虚作假的高发地，虚开工程变更或直接伪造工程变更。

(2) 权重的计算考虑了主客观两方面因素的影响，基于层次分析法和熵权法两种权重计算方法，并且通过熵值对两者进行加权组合，充分利用样本数据，增加了权重的科学性，进一步提高了评价模型的准确性。

在推进新课程改革的今天，我们必须借助现代化教学设备、软件，树立新课程教育理念，一切为了学生，为了学生的发展，大胆探索改革教学方法，以学定教，培养学习能力，让学生从书中学，从做中学，训练学生推理论证能力、自学能力，在学习中发展，在发展中培养能力，结合具体内容传授相应的逻辑知识和技能，时刻准备纠正容易出现的逻辑思维错误。

  

图4 数据处理流程Fig.4 Data processing flow chart

2 海上测试与设计值验证

2.1 项目概况

项目场地位于渤海湾东北部海岸，距离塘沽225 km，距离大连136 km，水深29 m。该项目包含一条24”海底混输管道和一条16”海底注水管道。铺管船为海洋石油202船，新建海底管道信息见表2。

[12]OPTILAY On-board installation planning and monitoring software[online].http://www.mcskenny.com/images/software/OPL%201pg%202015%20Rev.%202.pdf

 

表2 管道信息Tab.2 Pipeline information

  

管道类型编号　管道名称　长度/km单层管规格　混凝土配重外径/mm平管壁厚/mm立管壁厚/mm钢级API 5L(PSL 2)密度/(kg˙m－3)厚度/mm混输 1　WHP－J—RUP　1.9　609.6　20.6　27.0　X65 UOE　2950　60注水2　RUP—WHP－J　1.9　406.4　12.7　14.3　X65 HFW　2950　60

甲板上存储管道的长度需满足模拟周期内下放管道的长度，管端连接winch单元，用于模拟张紧器提供的恒张力为37 t，见图5。

  

图5 OrcaFlex模型Fig.5 OrcaFlex model

有些家长认为孩子到了年龄就该上小学，不需要什么准备。的确，上小学是每个适龄孩子享有的权利也是义务，但这并不等于每个到了入学年龄的孩子就一定都做好了入学的准备。幼儿园和小学两个教育阶段，存在明显的差异，如生活作息的改变，活动环节的紧凑，教学时间和内容的升华等，对于年纪尚小的孩子来说衔接较有难度。同时，每个孩子身体素质、智力水平和前期经验各不相同，使得入学时的自身能力不同。因此，家园合作携手对即将迈入小学阶段的孩子进行幼小衔接教育显得十分有必要。

  

图6 船舶姿态时程曲线Fig.6 Vessel attitude time history curve

2.2 告警参数设置及告警界面

铺管安全辅助系统研发基于商业通用有限元软件OrcaFlex作为计算内核，其灵活的建模功能，使该系统具有广阔的拓展空间，可以推广为管道碰撞监测、横向弯曲监测以及管道起始安装监测、弃管/回收监测、吊装监测等。

 

表3 告警参数设置Tab.3 Alarm parameter setting

  

报警变量　极限值　黄色预警区间　红色预警区间管道与托管架尾端间隙/m　1　0.5　0.9顶张力/kN　362　0.5　0.9上弯段最大应力/MPa　448　0.5　0.9下弯段最大应力/MPa　448　0.5　0.9上弯段最大应变/(%)　0.25　0.5　0.9下弯段最大应变/(%)　0.25　0.5　0.9

2.3 系统实时结果与静态值对比

表4为16”管道正常铺设静态值结果汇总，项目实际张力采用工况2的37 t。根据船舶位置和姿态时程，经过动态分析，代表性输出结果瞬时界面见图3(a)。系统所采用的各项管道参数及托管架辊轮参数均与设计值一致，上弯段Mises应力对比见图7。上弯段系统静态应力为309 MPa；设计阶段通过将静态应力乘以1.3倍动力放大系数保守考虑铺管动态响应，上弯段静态应力为302 MPa，动态应力为392.6 MPa。系统静态应力与约10小时实时输出值历史数据时程对比见图8，在统计时间内出现最大上弯段动态应力为320 MPa，为静态应力的1.06倍，小于设计动力放大系数1.3。

 

表4 正常铺设设计值结果Tab.4 Normal laying design data

  

工况船托管架　最大Mises应力(%SMYS)张力/t　最大滚轮/t　角度/(°)　最大滚轮/t上弯段/(%)托管架尾端间距/(%)下弯段/(%)1 30　7.4　13　6.3　65.86　51.69　69.02 2 37　7.7　13　5.2　67.29　35.60　59.18 3 44　8.0　13　5.4　68.71　21.41　51.76

  

图7 管道静态Mises应力:系统值与设计值对比Fig.7 Static Mises stress:system value vs.design value

  

图8 管道Mises应力历史时程与设计值对比Fig.8 Real time Mises stress vs.design value

根据张紧器张力、水深、管道参数、船舶运动实时数据等依据悬链线理论求解管道瞬时S型态，结合GNSS/INS获得的实时船舶位置，推算出着泥点位置结果，实时求解数据与后调查结果对比见图9。实时推算位置与后调查位置偏差在2米以内。

  

图9 着泥点后调查结果与实时分析结果对比Fig.9 Real time TDP result vs.post survey result

3 结 语

铺管安全辅助系统是组合惯性导航领域、高性能计算机领域以及有限元三维仿真领域的集成性创新。系统基于实测环境数据及船舶姿态数据，尤其船舶6自由度姿态数据是真实环境的动态响应，作为模型计算的输入，可以更准确地输出当前环境的管道响应。相比传统设计分析所使用的波浪理论及概率理论等，能有效降低设计阶段的保守性，同时减少作业停机时间，提高作业效率，节约成本。工程实际中出现过施工海域海况很难满足设计气候窗的情况，直接影响施工效率，同样长时间待机会增加安装期管道疲劳损伤，如果能够将实时海况进行现场模拟，在一定程度上可以拓宽气候窗，降低工程成本，减少管道疲劳损伤。系统可以通过设置安装参数警戒值，例如，管道应力警戒值等，通过系统分析实时反馈安装状态，给予船上作业人员安全指导，及时作出决策。

除此之外，对于汽车传感器、电子触摸屏、车内声场、功率器件、电动机、无线充电系统、车辆NVH、腐蚀防护等方面的仿真分析，COMSOL同样也与用户一起创造了很多新的可能性，体现了COMSOL 多物理场仿真工具探索未来、助力创新的重要工程意义。

杨庄东街具有明前的潮汐现象，且交叉口间距较短、交通组织相似具备进行绿波协调的条件，但是实际中并未实施.

告警参数包括:托管架尖端间隙、顶张力、管道上/下弯段应力、管道上/下弯段应变。当实时分析值超过黄色预警或红色预警区间，相应结果会以黄色或红色高亮闪烁提示。实例各变量极限值、黄色预警值占极限值比率及红色预警值占极限值比率设置见表3。代表性告警结果瞬时界面见图3(a)。

参考文献:

[1] 宋林峰，孙丽萍，王德军.深水S型铺管托管架-船体-管线耦合分析[J].哈尔滨工程大学学报，2013，34(4):415-433.(SONG Linfeng， SUN Liping， WANG Dejun.Coupling analysis of stinger-lay barge-pipeline of S-lay installation in deep water[J].Journal of Harbin Engineering University， 2013， 34(4):415-433.(in Chinese))

GNSS/IMU组合惯性导航系统采集船舶位置、航向及姿态时程按1Hz频率输入系统内，船舶横摇、纵摇、升沉历史时程数据见图6。

[2] SILVA L D，LIMA H M，JACOB B P.Pipeline-lay barge interaction model for the simulation model for the simulation of S-lay installation procedures[C]//Proceedings of 27th International Conference on Offshore Mechanics and Arctic Engineering.Estoril， Portugal， 2008:58487.

[3] MARTINEZ C E.Laying modeling of submarine pipelines using contact elements into a corotaional formulation[J].Journal of Offshore Mechanics and Arctic Engineering Copyright， 2003， 125:145-152.

[4] 高爽，孟祥伟，孙友义，等.海洋石油201水下管汇在线安装极限能力评估[J].石油矿场机械，2016，45(5):1-7.(GAO Shuang， MENG Xiangwei， SUN Youyi， et al.HYSY 201 work capacity assessments on in-line manifold installation[J].Oil Field Equipment， 2016，45(5):1-7.(in Chinese))

2016年对“集气—增压回收技术”总结的基础上形成高压分离回收技术，高压分离器充分利用高压气井自身高压特点，经分离后直接进入管网，实现安全节能、全自动化、无人值守。

[6] 龚顺风，何勇，周俊等.深水海底管道S型铺设参数敏感性分析[J].海洋工程，2009，27(4):87-95.(GONG Shunfeng，HE Yong， ZHOU Jun， et al.Parameter sensitivity analysis of S-lay technique for deepwater submarine pipeline[J].The Ocean Engineering， 2009， 27(4):87-95.(in Chinese))

[7] Facheng Wang， Yong Luo， Yi Xie， et al.Practical and Theoretical Assessments of Subsea Installation Capacity for HYSY 201 Laybarge According to Recent Project Performances in South China Sea[C]//Offshore Technology Conference.Houston， Texas，USA，5-8 May 2014.

[5] 周巍伟，张恩勇，曹静.深水海底管道S型铺设影响因素分析[J].中国海上油气，2016，28(2):148-150.(ZHOU Weiwei， ZHANG Enyong， CAO Jing.Analysis of factors influencing deep water submarine pipeline S-lay operations[J]， 2016，28(2):148-150.(in Chinese))

根据流场对称性, 本文的计算区域沿对称线取模型的一半, 采用分区对接方式进行网格划分. 横向取140 mm(zmax=140 mm). 上游自平板前缘始, 往下游延伸Lx, 对于楔角20°情况, Lx分别取441.87 mm和741.87 mm, 即分两种情况进行模拟, 一种情况计算到楔体的后端面; 另一种情况自楔体的后端面再向下游延伸300 mm. 对楔角30°情况仅计算到楔体的后端面(Lx=429.49 mm). 所以共有3个计算模型, 如表1所示.

[9] 叶茂，段梦兰，徐崇崴，等.J形铺设过程管道动态分析与研究[J].石油机械，2013，41(6):43-48.(YE Mao，DUAN Menglan， XU Chongwei， et al.Dynamic analysis and study of J-shaped pipeline-laying process[J].2013， 41(6):43-48.(in Chinese))

熵值法是指用来判断某个指标的离散程度的数学方法。离散程度越大，该指标对综合评价的影响越大。设决策矩阵为表示第j个指标的第i个方案的指标值。计算步骤如下：

[10]JOAKIM TABY，EGIL GIERTSEN，MELVYN MORGAN， et al.On-board monitoring， analysis and decision support during offshore pipe lay operation[C]//Offshore and Arctic Engineering.Rotterdam，The Netherlands.June 19-24，2011.

[11]ROBERTO FALDINI， STEFANO MARCHINI， ANDREA OLDANI， et al.CastorOne and FDS 2:Getting stronger for laying deeper[C]//Offshore Technology Conference.Houston， Texas， USA， 5-8 May 2014.

要想深化金融管理的有关工作，不仅需要进行对比工作，有关的金融机构也需要设置相应的风险变化评估系统，通过借助纵向对比的形式，可以及时地掌握企业在经济活动中的变化情况，比如信贷规模，有关的工作人员需要充分研究贷款的数量，对于企业的各种金融活动所存在的潜在风险做出一定的评估。要是产生的风险超出了预期，就需要及时地控制信贷规模，这样可以有效地保障金融机构和全社会的金融稳定。

[13]岳前进，张向锋，张文首，等.深水管道S型铺设监测研究[J].海洋工程，2011，29(4):119-124.(YUE Qianjin，ZHANG Xiangfeng， ZHANG Wenshou， et al.Monitoring of deep sea S-lay[J].The Ocean Engineering， 2011， 29(4):119-124.(in Chinese))

[14]洪非，武文华，杜宇，等.深水铺管垂弯段屈曲状态的原型监测方法[J].浙江大学学报(工学版)，2015，49(10):2 018-2 024.(HONG Fei， WU Wen-hua， DU Yu， et al.Prototype monitoring research of bucking state made of segbend section for deepwater S-lay installation[J].Journal of Zhejiang University， Engineering Science， 2015， 49(10):2 018-2 024.(in Chinese))

[15]唐立志，高睿，黄诚，等.基于惯性测量单元的海底管道铺设过程中形变监控系统研究[J].海洋技术学报，2015，34(6):96-101.(TANG Lizhi， GAO Rui， HUANG Cheng， et al.Study on the Deformation Monitoring System Based on Inertial Measurement Unit During Subsea Pipline Laying[J].JOURNAL OF OCEAN TECHNOLOGY， 2015， 34(6):96-101.(in Chinese))

[16]张洪智.铺管船作业环境监测管理信息系统的开发与研究[D].中国海洋大学，2014.(Development and Research of Operation Environment Monitoring and Management Information System of Pipelaying[D].Ocean University of China，2014.(in Chinese))

[17]裴红英.海洋环境监测与数据采集技术研究[J].石油和化工设备，2015，(4):50-52.

[18]宋政峰，席占平.走航式ADCP流量测验主要误差来源及其控制[J].水文，2016，36(1):58-65.(SONG Zhengfeng，XI Zhanping.Main error source of underway ADCP discharge measurement and concerned control method[J].Journal of China Hydrology， 2016， 36(1):58-65.(in Chinese))

近日，一位名叫唐静的家政员拿到了由长沙银行颁发的诚信家政注册卡，成为湖南省首位诚信注册制家政员。这标志着“湖南·长沙家庭服务诚信平台”正式上线，今后，长沙市民可通过此平台进行家政预约、诚信查询、家政服务溯源、实时评价家政服务质量等。

[19]曹晓磊，赵胜凯，李占强.走航式ADCP在水文测验中的应用研究[J].南水北调与水利科技，2013，11(01):35-37.(CAO Xiaolei， ZH AO Shengkai， LI Zhanqiang.Application of vessel-mounted ADCP in hydrological measurement[J].South-to-North Water Transfers and Water Science＆ Technology，2013，11(01):35-37.(in Chinese))

[20]程龙，周海渊，吴旭贤，等.航天测量船组合导航系统在某型号测控任务中的应用[J].科学技术与工程，2012，12(12):2 902-2 906， 2 922.(CHENG Long， ZHOU Hai-yuan， WU Xu-xian， et al.Application of INS/ESGM/GNSS integrated navigation system of ST＆C ship in one model ST＆C task[J].Science Technology and Engineering， 2012， 12(12):2 902-2 906，2 922.(in Chinese))

[21]雷浩然，陈帅.基于MFC的组合导航监测软件快速实现方法[J].计算机应用，2013，33(S1):262-264.(LEI Haoran，CHEN Shuai.Rapid implementation method of monitoring software for integrated navigation based on MFC[J].Journal of Computer Applications， 2013， 33(S1):262-264.(in Chinese))

[22]张海洋.船载天线串口数据采集系统的设计与实现[J].计算机技术与发展，2016，26(1):150-154.(ZHANG Haiyang.Design and implementation of serial data acquisition system for ship antenna[J].Computer Technology and Ddvelopment， 2016，26(1):150-154.(in Chinese))