蘇云龍，白雪平，李 達(dá)，陳勇軍

(1.中海油研究總院有限責(zé)任公司，北京 100028;2.北京迪瑪爾海洋技術(shù)有限公司,北京 100085)

0 引 言

隨著海洋資源開(kāi)采逐步從近淺海區(qū)域走向遠(yuǎn)深海區(qū)域，海洋環(huán)境條件變得越來(lái)越惡劣，海洋平臺(tái)及其人員的安全是平臺(tái)設(shè)計(jì)和作業(yè)的第一考慮因素。為確保人員和設(shè)備的安全，保證生產(chǎn)正常進(jìn)行，對(duì)平臺(tái)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和預(yù)警管理顯得尤為重要。

預(yù)警管理是根據(jù)系統(tǒng)的特點(diǎn)，通過(guò)監(jiān)測(cè)收集系統(tǒng)運(yùn)行的相關(guān)數(shù)據(jù)，監(jiān)控關(guān)鍵參數(shù)的實(shí)時(shí)狀態(tài)，并判斷其是否超出預(yù)警范圍，然后發(fā)出相應(yīng)的警示信號(hào)。預(yù)警管理的步驟[1-2]一般包括：(1)預(yù)警參數(shù)與指標(biāo)的梳理；(2)相關(guān)數(shù)據(jù)的收集與監(jiān)測(cè)；(3)預(yù)警閾值的建立；(4)風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別與分析；(5)風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)對(duì)防范機(jī)制等。

海洋油氣浮式生產(chǎn)平臺(tái)常規(guī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的預(yù)警功能只是簡(jiǎn)單地設(shè)置一個(gè)絕對(duì)的預(yù)警范圍，與實(shí)際監(jiān)測(cè)到的海洋環(huán)境條件無(wú)關(guān)。這樣即使監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)與相應(yīng)的環(huán)境條件不匹配甚至異常，但由于沒(méi)有超出預(yù)設(shè)的預(yù)警范圍，系統(tǒng)不會(huì)主動(dòng)報(bào)警，從而可能錯(cuò)失真正的警示信息。閾值的實(shí)時(shí)確定是基于監(jiān)測(cè)到的環(huán)境條件，通過(guò)實(shí)時(shí)計(jì)算得到閾值，可有效避免可能的誤報(bào)和漏報(bào)情況。

1 浮式平臺(tái)預(yù)警參數(shù)的選取與確定

1.1 浮式平臺(tái)監(jiān)測(cè)

隨著海洋油氣開(kāi)發(fā)活動(dòng)逐步走向深遠(yuǎn)海地區(qū)，環(huán)境條件變得越來(lái)越惡劣，隨之而來(lái)的事故時(shí)有發(fā)生。嚴(yán)重的事故不僅造成經(jīng)濟(jì)損失和環(huán)境污染，而且還造成人員傷亡。為了降低事故風(fēng)險(xiǎn)，需要對(duì)平臺(tái)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和預(yù)警管理。

目前，全世界的海洋油氣浮式生產(chǎn)平臺(tái)均配置一體化海洋監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(Integrated Marine Monitoring System，IMMS)用于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)海洋環(huán)境、平臺(tái)姿態(tài)、系泊張力等參數(shù)[3]，其主要組成如圖1所示。IMMS不僅為現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)提供決策支持，而且為平臺(tái)的異常監(jiān)測(cè)值提供預(yù)警管理。

注：PLC為可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller)圖1 一體化海洋監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的組成

1.2 預(yù)警參數(shù)選取

海洋油氣浮式生產(chǎn)平臺(tái)在生命周期內(nèi)會(huì)遇到各種各樣的風(fēng)險(xiǎn)，其中與平臺(tái)總體性能相關(guān)的風(fēng)險(xiǎn)包括：(1)平臺(tái)轉(zhuǎn)角過(guò)大導(dǎo)致甲板進(jìn)水甚至平臺(tái)傾覆；(2)平臺(tái)位移過(guò)大導(dǎo)致系泊系統(tǒng)或立管系統(tǒng)出現(xiàn)故障；(3)系泊纜張力過(guò)大導(dǎo)致斷裂失效，從而造成平臺(tái)位移過(guò)大，甚至相鄰系泊纜斷裂。

造成上述風(fēng)險(xiǎn)的原因[4]主要包括環(huán)境條件惡化、人為操作失誤、設(shè)備自身故障和設(shè)計(jì)缺陷等。為了及時(shí)發(fā)現(xiàn)危險(xiǎn)并識(shí)別和確認(rèn)原因，從而降低事故發(fā)生概率和嚴(yán)重性，須對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行預(yù)警管理。針對(duì)上述總體性能相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)，選擇以下監(jiān)測(cè)參數(shù)作為預(yù)警管理的研究對(duì)象：平臺(tái)轉(zhuǎn)角、平臺(tái)位移和系泊纜張力。

由于監(jiān)測(cè)傳感器可能會(huì)間歇性失靈導(dǎo)致參數(shù)監(jiān)測(cè)值超出預(yù)警范圍發(fā)生“假警”，因此對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的預(yù)警除了針對(duì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)值外，還包括均值、時(shí)間變化(方差)、空間變化(如同一時(shí)間點(diǎn)相鄰纜監(jiān)測(cè)讀數(shù)的差異)等[5-8]。均值相對(duì)比較穩(wěn)定，易于判斷異常狀態(tài)；時(shí)間變化和空間變化則可用于確認(rèn)預(yù)警和識(shí)別預(yù)警原因。

1.3 預(yù)警閾值建立

預(yù)警閾值建立的基本理念是避免不必要的“假警”(即誤報(bào))，同時(shí)不錯(cuò)過(guò)可能的“真”預(yù)警(即漏報(bào))。為了避免計(jì)算得到的閾值過(guò)小，對(duì)于閾值需設(shè)置下限值，如果計(jì)算得到的閾值小于下限值，便采用下限值作為閾值。不管環(huán)境條件如何，若平臺(tái)響應(yīng)低于此下限值，則系統(tǒng)不會(huì)報(bào)警。同時(shí)，為避免計(jì)算得到的閾值過(guò)大而錯(cuò)過(guò)對(duì)惡劣響應(yīng)的預(yù)警，也需設(shè)置閾值上限值，若計(jì)算得到的閾值大于上限值，則采用上限值作為閾值。不管環(huán)境條件如何，如果平臺(tái)響應(yīng)超過(guò)此上限值，系統(tǒng)便產(chǎn)生報(bào)警。預(yù)警閾值的下、上限值為根據(jù)經(jīng)驗(yàn)、作業(yè)要求和規(guī)范要求等事先設(shè)置的絕對(duì)閾值。

監(jiān)測(cè)參數(shù)的預(yù)警狀態(tài)為正常(綠色)、一般預(yù)警(橙色)和嚴(yán)重預(yù)警(紅色)等3個(gè)級(jí)別。對(duì)于平臺(tái)位移和轉(zhuǎn)角，預(yù)警僅針對(duì)上限值，監(jiān)測(cè)值越大，則風(fēng)險(xiǎn)越大；對(duì)于系泊纜張力，預(yù)警也同時(shí)針對(duì)下限值，監(jiān)測(cè)值過(guò)小也可能意味著系泊故障或處于危險(xiǎn)之中(如聚酯纜段與海底接觸)。

傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)自帶的預(yù)警功能比較單一，僅簡(jiǎn)單地設(shè)置上下限絕對(duì)閾值，與實(shí)際環(huán)境條件無(wú)關(guān)，易造成溫和環(huán)境中的漏報(bào)和惡劣環(huán)境中的誤報(bào)。所提出的預(yù)警閾值的建立方法基于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)到的環(huán)境條件(回歸期)計(jì)算得到，有利于降低誤報(bào)和漏報(bào)發(fā)生的概率。預(yù)警算法先將監(jiān)測(cè)到的環(huán)境參數(shù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的回歸期，然后利用平臺(tái)響應(yīng)與回歸期的擬合關(guān)系計(jì)算得到預(yù)警閾值。

1.4 環(huán)境回歸期計(jì)算

回歸期(Return Period)又叫重復(fù)期，是一個(gè)事件重復(fù)發(fā)生的時(shí)間間隔，是根據(jù)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析得到的結(jié)果?；貧w期N(單位：年)與事件每年發(fā)生一次的概率p的關(guān)系為

(1)

事件在一年里不發(fā)生的概率為1-p。假設(shè)事件每次發(fā)生均為獨(dú)立事件，與先前是否發(fā)生無(wú)關(guān)，那么連續(xù)N年不發(fā)生的概率為(1-p)N。N年里至少發(fā)生一次的概率PE為

PE=1-(1-p)N

(2)

例如，對(duì)于百年一遇的環(huán)境(回歸期N=100 a)，每年發(fā)生的概率為1%，在100 a內(nèi)至少發(fā)生一次的概率為 1-(1-1%)100=63.4%。

根據(jù)歷史記錄數(shù)據(jù)，海洋環(huán)境參數(shù)的發(fā)生概率和極值預(yù)估一般可以用韋布爾分布來(lái)擬合。對(duì)于隨機(jī)變量x≥0,其韋布爾累計(jì)分布函數(shù)F(x)為

(3)

式中：λ為比例參數(shù)，λ>0；k為形狀參數(shù)，k>0。

對(duì)于監(jiān)測(cè)極值x，對(duì)應(yīng)的不超過(guò)概率PNE和回歸期N為

(4)

(5)

考慮到海洋環(huán)境的隨機(jī)性，先前發(fā)生的事件不影響后來(lái)事件的發(fā)生概率，則假設(shè)k=1，從而得到回歸期N與環(huán)境監(jiān)測(cè)極值x的指數(shù)函數(shù)關(guān)系為

N=aexp(bx)

(6)

式中：a和b為基于擬合得到的因數(shù)。

2 浮式平臺(tái)預(yù)警閾值確定實(shí)例分析

目標(biāo)平臺(tái)為1座位于1 500 m水深的半潛式油氣生產(chǎn)平臺(tái)，其布置如圖2所示。為了較準(zhǔn)確地確定預(yù)警閾值，需要對(duì)平臺(tái)性能進(jìn)行各種數(shù)值計(jì)算，充分了解平臺(tái)在各種海洋環(huán)境中的響應(yīng)。分析1 a、5 a、10 a、50 a、100 a等5個(gè)不同的環(huán)境回歸期。

圖2 平臺(tái)及系泊布置示例

2.1 環(huán)境回歸期計(jì)算

基于平臺(tái)所在區(qū)域的歷史環(huán)境數(shù)據(jù)及環(huán)境回歸期RP與環(huán)境參數(shù)的擬合關(guān)系，通過(guò)最小二乘法擬合得到的結(jié)果如表1所示。

表1 最小二乘法擬合計(jì)算結(jié)果

由于平臺(tái)響應(yīng)峰值會(huì)滯后于環(huán)境參數(shù)峰值，因此上述環(huán)境參數(shù)的監(jiān)測(cè)值采用實(shí)時(shí)計(jì)算時(shí)間點(diǎn)前3 min 內(nèi)的極值。由于3個(gè)環(huán)境參數(shù)基于監(jiān)測(cè)值計(jì)算得到的回歸期不同，保守起見(jiàn)，假設(shè)環(huán)境的回歸期為三者中的最大值。圖3為環(huán)境回歸期與有義波高Hs的擬合關(guān)系曲線，其指數(shù)-線性關(guān)系非常強(qiáng)(擬合優(yōu)度R2>0.99)，符合式(6)的推論。環(huán)境回歸期與風(fēng)速和流速的擬合關(guān)系類似。

圖3 有義波高與環(huán)境回歸期的擬合關(guān)系

2.2 平臺(tái)響應(yīng)預(yù)估

用于預(yù)警管理的平臺(tái)關(guān)鍵響應(yīng)參數(shù)包括位移、轉(zhuǎn)角和系泊纜張力等?；?個(gè)不同環(huán)境回歸期的時(shí)域耦合計(jì)算結(jié)果,采用二次函數(shù)對(duì)環(huán)境回歸期的對(duì)數(shù)進(jìn)行擬合，得到響應(yīng)極值和均值與環(huán)境回歸期的關(guān)系如圖4～圖6所示，其中R2>0.99表明擬合效果非常好。

圖4 平臺(tái)位移與環(huán)境回歸期的關(guān)系

圖5 平臺(tái)轉(zhuǎn)角與環(huán)境回歸期的關(guān)系

圖6 系泊張力與環(huán)境回歸期的關(guān)系

對(duì)于系泊纜，在同一時(shí)間點(diǎn)相鄰系泊纜張力差別最大值與環(huán)境回歸期的擬合關(guān)系如圖7所示。

圖7 相鄰系泊纜張力區(qū)別最大值與環(huán)境回歸期的關(guān)系

2.3 預(yù)警閾值確定

浮式平臺(tái)響應(yīng)預(yù)警閾值的實(shí)時(shí)計(jì)算與確定基于第2.2節(jié)中平臺(tái)響應(yīng)統(tǒng)計(jì)值與環(huán)境回歸期的關(guān)系。根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的環(huán)境參數(shù)計(jì)算環(huán)境回歸期，從而預(yù)估平臺(tái)的響應(yīng)極值和均值。由于數(shù)值計(jì)算存在一定的不確定性，尤其是統(tǒng)計(jì)極值與計(jì)算輸入的隨機(jī)種子有關(guān)，因此在進(jìn)行預(yù)警閾值計(jì)算時(shí)，需要采用一定的放大(保守)因數(shù)。對(duì)于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)值，放大因數(shù)分別為1.1(橙色)和1.2(紅色)；對(duì)于均值，由于相對(duì)比較穩(wěn)定，放大因數(shù)分別為1.05(橙色)和1.10(紅色)。

綜上所述，目標(biāo)平臺(tái)響應(yīng)預(yù)警閾值的確定范圍如表2所示。表2中：最大值Yu和最小值Yl為基于環(huán)境回歸期擬合公式計(jì)算得到的平臺(tái)響應(yīng)預(yù)估值；絕對(duì)數(shù)字為第1.3節(jié)所述閾值的上下限值。

表2 預(yù)警閾值確定范圍

以平臺(tái)位移預(yù)警閾值的建立為例：

(1) 如果海上環(huán)境很溫和，位移實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)值雖然可能超過(guò)計(jì)算得到的預(yù)警閾值，但只要低于10 m，就無(wú)須報(bào)警，即如果實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)值<10,則無(wú)須報(bào)警。

(2) 如果海上環(huán)境很惡劣，位移實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)值雖然可能低于計(jì)算得到的預(yù)警閾值，但只要超過(guò)69.1 m，須進(jìn)行紅色報(bào)警，即如果實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)值>69.1，則紅色報(bào)警。

(3) 對(duì)于其他環(huán)境條件：若監(jiān)測(cè)值>1.1Yu，則進(jìn)行橙色報(bào)警；若監(jiān)測(cè)值>1.2Yu，則進(jìn)行紅色報(bào)警。

基于上述海洋環(huán)境回歸期的計(jì)算、平臺(tái)響應(yīng)的預(yù)估以及預(yù)警閾值的確定，平臺(tái)的預(yù)警管理步驟如下：(1) 通過(guò)平臺(tái)IMMS獲取實(shí)時(shí)環(huán)境參數(shù)值和平臺(tái)響應(yīng)值；(2) 通過(guò)第2.1節(jié)的擬合關(guān)系，計(jì)算環(huán)境回歸期；(3) 通過(guò)第2.2節(jié)的擬合關(guān)系和表2，確定預(yù)警參數(shù)的閾值；(4) 比較平臺(tái)響應(yīng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)值和相應(yīng)的預(yù)警閾值，進(jìn)行相應(yīng)的報(bào)警。(5) 基于平臺(tái)響應(yīng)均值、方差、差異值等，分析識(shí)別確認(rèn)預(yù)警原因，如系泊纜斷裂、艙室進(jìn)水等；(6) 基于警示的嚴(yán)重性和預(yù)警原因，推薦相應(yīng)的消警措施，如進(jìn)行系泊或壓載調(diào)節(jié)。

3 結(jié) 論

以某深水浮式平臺(tái)為例，在詳細(xì)的數(shù)值計(jì)算基礎(chǔ)上，擬合回歸得到了環(huán)境參數(shù)和平臺(tái)響應(yīng)與回歸期的關(guān)系?；诒M可能避免誤報(bào)和漏報(bào)的理念，提出基于監(jiān)測(cè)到的環(huán)境條件(回歸期)的平臺(tái)響應(yīng)預(yù)警閾值實(shí)時(shí)計(jì)算方法。預(yù)警閾值實(shí)時(shí)確定的研究成果對(duì)深水浮式平臺(tái)的監(jiān)測(cè)和預(yù)警管理有一定的參考價(jià)值和借鑒作用。