胡 斌，楊 敏，徐 棟，周 寅

(國(guó)家海洋局北海海洋技術(shù)保障中心，山東 青島 266034)

0 引言

隨著國(guó)家對(duì)海洋油氣的需求越來(lái)越大，海洋油氣勘探開(kāi)發(fā)活動(dòng)越來(lái)越多，與此對(duì)應(yīng)的海洋石油平臺(tái)排污及溢油的風(fēng)險(xiǎn)也在相應(yīng)增加[1]。因此對(duì)海洋石油平臺(tái)日常運(yùn)行產(chǎn)生的生產(chǎn)和生活污水進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控非常必要，這樣便于及時(shí)掌握海洋石油平臺(tái)的排污情況[2]。但現(xiàn)實(shí)情況卻是海洋石油平臺(tái)的排污監(jiān)測(cè)自動(dòng)化程度較低，實(shí)時(shí)性較差[3]。平臺(tái)的排污監(jiān)測(cè)基本依靠平臺(tái)上的人員對(duì)排污口進(jìn)行樣本采集，再進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室化驗(yàn)，最后將化驗(yàn)結(jié)果傳回陸地。這種工作模式的弊端就是工作效率較為低下，且實(shí)時(shí)性較差[4]。所以開(kāi)發(fā)一套能實(shí)時(shí)在線自動(dòng)監(jiān)控石油平臺(tái)排污的系統(tǒng)有很大的必要性[5]。本文通過(guò)前期對(duì)石油平臺(tái)的調(diào)研和對(duì)比，基本選定在線監(jiān)測(cè)生產(chǎn)和生活污水的兩個(gè)主要監(jiān)測(cè)要素：一個(gè)是水中油濃度的監(jiān)測(cè)，其主要針對(duì)生產(chǎn)污水；另一個(gè)是COD的監(jiān)測(cè)，其主要針對(duì)生活污水[6]。同時(shí)兼顧溫度和流量的監(jiān)控。通過(guò)對(duì)這些要素的監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)石油平臺(tái)的生產(chǎn)和生活污水的排放監(jiān)控[7]。

1 系統(tǒng)概述

本系統(tǒng)在現(xiàn)有的石油鉆井平臺(tái)污染物排放監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，以先進(jìn)的數(shù)據(jù)流加工、科學(xué)存儲(chǔ)、大數(shù)據(jù)分析及可視化等技術(shù)為基礎(chǔ)構(gòu)建。本系統(tǒng)平臺(tái)的總體技術(shù)架構(gòu)可以分為硬件和軟件兩個(gè)部分[8]。

1.1 硬件及網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)的硬件及網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。經(jīng)公網(wǎng)以WebService的形式從阿里云服務(wù)器中定時(shí)抓取最新一次的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，并按照既定規(guī)則計(jì)算、處理后存儲(chǔ)至本地服務(wù)器的數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)中?；诒镜?cái)?shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)中的數(shù)據(jù)開(kāi)發(fā)出的分析報(bào)表發(fā)布在本地Web服務(wù)器上，內(nèi)網(wǎng)用戶(hù)通過(guò)瀏覽器可以直接訪問(wèn)查看本系統(tǒng)。同時(shí)需要時(shí)可以透過(guò)內(nèi)網(wǎng)防火墻，外網(wǎng)其他相關(guān)的業(yè)務(wù)用戶(hù)也可以通過(guò)瀏覽器實(shí)現(xiàn)跨平臺(tái)訪問(wèn)[9]。

圖1 硬件及網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.2 軟件功能架構(gòu)

本系統(tǒng)可對(duì)監(jiān)測(cè)到的溢油數(shù)據(jù)進(jìn)行高效的采集、聚合、加工、存儲(chǔ)、分析、可視化展示等。軟件的功能架構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示。根據(jù)數(shù)據(jù)流程分為數(shù)據(jù)接收處理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)可視化展示三部分。

(1)數(shù)據(jù)處理：將海洋石油勘探開(kāi)發(fā)污染物排放監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)按照定制的規(guī)則和邏輯進(jìn)行自動(dòng)清洗、加工，最終形成標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)形式。

(2)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)：海洋石油鉆井平臺(tái)污染物排放監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)平臺(tái)的設(shè)計(jì)與搭建基于實(shí)際業(yè)務(wù)分析需求，結(jié)合數(shù)據(jù)規(guī)模，設(shè)計(jì)海洋石油勘探開(kāi)發(fā)污染物排放檢測(cè)數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)系統(tǒng)平臺(tái)，將標(biāo)準(zhǔn)化的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和讀取。

(3)數(shù)據(jù)可視化展示：將海洋石油鉆井平臺(tái)污染物排放監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)在用戶(hù)端進(jìn)行可視化顯示，提高用戶(hù)體驗(yàn)。

2 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

針對(duì)水中油濃度和COD數(shù)據(jù)特點(diǎn)，本文對(duì)這兩類(lèi)數(shù)據(jù)主要進(jìn)行了三類(lèi)分析處理，分別是曲線擬合、異常值判斷和數(shù)據(jù)校正。通過(guò)這三類(lèi)分析基本上能將數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗和分類(lèi)，達(dá)到數(shù)據(jù)預(yù)處理的效果[10]。

2.1 曲線擬合

測(cè)得的油濃度和COD數(shù)據(jù)是一個(gè)隨時(shí)間變化的變量，在一定時(shí)間內(nèi)，通過(guò)曲線擬合的方式，選擇適當(dāng)?shù)那€類(lèi)型來(lái)擬合觀測(cè)數(shù)據(jù)，從而對(duì)數(shù)據(jù)和時(shí)間建立線性的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

本文采用的是最小二乘法多項(xiàng)式曲線擬合。最小二乘法多項(xiàng)式曲線擬合的基本定義是：根據(jù)給定的一段時(shí)間內(nèi)的n個(gè)離散的觀測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)P(Sn，Tn)，求得擬合多項(xiàng)式曲線y=F(Sn，Tn)，所得多項(xiàng)式曲線與數(shù)據(jù)給定點(diǎn)的平方和最小(式(1))，即認(rèn)為是最接近觀測(cè)數(shù)據(jù)的曲線。

(1)

通過(guò)曲線擬合的方式，不僅僅能描述觀測(cè)數(shù)據(jù)和時(shí)間的關(guān)系，并且還能將離散點(diǎn)(每隔半小時(shí)觀測(cè)一次)的數(shù)據(jù)連續(xù)化，提高數(shù)據(jù)質(zhì)量。圖3即為擬合后的數(shù)據(jù)曲線。

2.2 異常值判斷

不管是傳感器本身出現(xiàn)問(wèn)題還是數(shù)據(jù)在通信的過(guò)程中出現(xiàn)問(wèn)題，系統(tǒng)都有可能會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)異常的情況，這就需要對(duì)異常數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷和剔除，并報(bào)知系統(tǒng)管理者，對(duì)異常情況進(jìn)行具體分析。由于數(shù)據(jù)量測(cè)量次數(shù)較多，故而對(duì)異常值的判定選用比較通用的拉依達(dá)準(zhǔn)則(3δ)，該準(zhǔn)則的標(biāo)準(zhǔn)就是認(rèn)定數(shù)據(jù)整體是符合正態(tài)分布的(基本符合此規(guī)律)，因而在監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)值中出現(xiàn)大于或者小于3倍均值方差的數(shù)據(jù)概率極小，所以認(rèn)為大于或者小于3倍均值方差的數(shù)據(jù)即為異常值[11]。

圖2 軟件功能架構(gòu)

圖3 數(shù)據(jù)擬合曲線

當(dāng)然這個(gè)算法是基于統(tǒng)計(jì)學(xué)概念的算法，有一定局限性，在本系統(tǒng)的應(yīng)用中，會(huì)對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，并不直接剔除，同時(shí)對(duì)判定的異常數(shù)據(jù)進(jìn)行報(bào)警提示，故而可以通過(guò)監(jiān)測(cè)人員來(lái)具體分析判斷是否為異常值[12]。

2.3 數(shù)據(jù)校正

由于COD傳感器是采用進(jìn)口的傳感器，在國(guó)內(nèi)應(yīng)用此傳感器并沒(méi)有相應(yīng)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)來(lái)標(biāo)定，因此COD傳感器采集的數(shù)據(jù)需要一種手段來(lái)校正，以確保數(shù)據(jù)的真實(shí)性和可靠性。本系統(tǒng)是通過(guò)實(shí)驗(yàn)室比對(duì)方式計(jì)算出相應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)公式，再通過(guò)數(shù)據(jù)接口操作對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行校正[13]。

COD的經(jīng)驗(yàn)校正公式為：

COD=K×SAC+d

(2)

SAC=UV/L

(3)

其中SAC為紫外光吸收系數(shù)，可由傳感器UV值和L(液層厚度)計(jì)算得出；K為比例系數(shù)，d為補(bǔ)償系數(shù)，通過(guò)傳感器與實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)的多組比對(duì)測(cè)試，可以計(jì)算得出K和d的經(jīng)驗(yàn)期望值。將經(jīng)驗(yàn)系數(shù)帶入式(2)即可求出COD的校正后數(shù)值。

每個(gè)傳感器的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)都不同，需要每次對(duì)新的傳感器設(shè)備進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室測(cè)試得出，故而在本系統(tǒng)的管理模塊增加了可設(shè)置的變量，使得系統(tǒng)可以對(duì)每個(gè)傳感器設(shè)備分別進(jìn)行相應(yīng)的系數(shù)設(shè)置，保證校正數(shù)據(jù)的真實(shí)性和可靠性。

3 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)挖掘

本系統(tǒng)除了對(duì)本身監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，還在此基礎(chǔ)上對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了一定程度的挖掘，現(xiàn)階段系統(tǒng)主要是對(duì)監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)進(jìn)行置信度的分析和污染物貢獻(xiàn)值分析。

3.1 置信度分析

置信度分析主要是針對(duì)監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)在一段時(shí)間內(nèi)的一個(gè)樣本統(tǒng)計(jì)分析，展現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)以“一定概率”出現(xiàn)在一個(gè)測(cè)量結(jié)果范圍的程度，即出現(xiàn)在置信區(qū)間內(nèi)的概率是多少。

在本系統(tǒng)的設(shè)定中，首先固定置信率，然后求得置信區(qū)間的范圍。分別設(shè)置置信率為90%、95%、99%，計(jì)算出相應(yīng)的監(jiān)測(cè)值會(huì)出現(xiàn)的區(qū)間范圍。

置信區(qū)間為：上限A=M+n×ST；下限B=M-n×ST。其中M為平均值，ST為標(biāo)準(zhǔn)差，當(dāng)置信率為90%時(shí)n=1.645；當(dāng)置信率為95%時(shí)n=1.96；當(dāng)置信率為99%時(shí)，n=2.576。分別根據(jù)這三個(gè)置信率計(jì)算置信區(qū)間Confidence interval=[B，A]。

3.2 污染物貢獻(xiàn)值

系統(tǒng)采集的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)都是排污水中含油或者有機(jī)物的濃度數(shù)據(jù)，對(duì)管理者來(lái)說(shuō)直接觀測(cè)這些數(shù)據(jù)并不能直觀地認(rèn)識(shí)平臺(tái)排污的量級(jí)，并進(jìn)而分析對(duì)環(huán)境的影響，故而需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行再加工，計(jì)算平臺(tái)一段時(shí)間內(nèi)排污的總量，即污染物貢獻(xiàn)值。污染物貢獻(xiàn)值=監(jiān)測(cè)濃度數(shù)據(jù)×流量。本系統(tǒng)通過(guò)此公式將一定時(shí)間內(nèi)排?？偭窟M(jìn)行統(tǒng)計(jì)，計(jì)算出在此段時(shí)間內(nèi)的平臺(tái)污染物貢獻(xiàn)值，為管理者更好地分析和研判平臺(tái)對(duì)周邊環(huán)境的影響提供支持[14]。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文從石油平臺(tái)排污實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)需求出發(fā)，以數(shù)據(jù)處理為導(dǎo)向，開(kāi)發(fā)研制了海洋石油平臺(tái)污染物排放在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)除了具備數(shù)據(jù)接收和處理的基本功能，在此基礎(chǔ)上還拓展了數(shù)據(jù)挖掘及展示功能，能更加飽滿(mǎn)地展示整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行情況。本系統(tǒng)現(xiàn)階段已經(jīng)接入部署在岐口18-1油田的在線監(jiān)測(cè)設(shè)備，運(yùn)行效果良好，并且系統(tǒng)也預(yù)留了相應(yīng)的接口，可以在后期加入更多的石油平臺(tái)監(jiān)測(cè)設(shè)備，擴(kuò)展性及兼容性良好。