楊 帆 張偉志 張彩麗

(陜西科技大學(xué) a.電信學(xué)院；b.機(jī)電學(xué)院)

一種原油儲(chǔ)罐界面參數(shù)的快速檢測(cè)方法及其實(shí)現(xiàn)①

楊 帆a張偉志a張彩麗b

(陜西科技大學(xué) a.電信學(xué)院；b.機(jī)電學(xué)院)

針對(duì)原油儲(chǔ)罐多液位界面參數(shù)測(cè)量中數(shù)據(jù)處理存在的問(wèn)題，提出了基于遞歸累積和序列數(shù)據(jù)拐點(diǎn)檢測(cè)原理的界面參數(shù)分析方法。該方法利用多液位界面參數(shù)測(cè)量?jī)x采集的序列數(shù)據(jù)，遞歸地調(diào)用基于累積和的序列拐點(diǎn)檢測(cè)算法，利用拐點(diǎn)數(shù)據(jù)的特性作為儲(chǔ)罐內(nèi)部多種介質(zhì)的分界點(diǎn)，從而判定多液位界面參數(shù)的具體信息。

界面參數(shù)檢測(cè) 原油儲(chǔ)罐 遞歸累積和 序列數(shù)據(jù)拐點(diǎn)

隨著我國(guó)原油產(chǎn)區(qū)逐漸進(jìn)入老化階段，所生產(chǎn)的原油含水量不斷增大。對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的原油儲(chǔ)罐進(jìn)行實(shí)時(shí)產(chǎn)能監(jiān)測(cè)，是保證科學(xué)生產(chǎn)的重要前提[1]。因此，對(duì)原油儲(chǔ)罐內(nèi)部的空氣、原油及水等介質(zhì)在儲(chǔ)罐中的具體位置進(jìn)行精確測(cè)量就成為生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)化和信息化的重要任務(wù)。劉麗鈞和李曉游構(gòu)建了電機(jī)驅(qū)動(dòng)的儲(chǔ)罐內(nèi)部介質(zhì)介電常數(shù)檢測(cè)裝置，循環(huán)檢測(cè)罐內(nèi)不同高度的介電常數(shù)，通過(guò)檢測(cè)介電常數(shù)的變化來(lái)確定分界面的位置[2]。趙波利用數(shù)控執(zhí)行機(jī)構(gòu)帶動(dòng)微波探頭在原油儲(chǔ)罐內(nèi)作垂直勻速運(yùn)動(dòng)，通過(guò)對(duì)原油儲(chǔ)罐含水率的動(dòng)態(tài)檢測(cè)，達(dá)到測(cè)量?jī)?chǔ)罐內(nèi)油水界面位置的目的[3]。文獻(xiàn)[4，5]對(duì)目前主要的界面參數(shù)檢測(cè)裝置實(shí)現(xiàn)的原理進(jìn)行了剖析。文獻(xiàn)[6，7]通過(guò)計(jì)算實(shí)時(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)與典型介質(zhì)測(cè)試數(shù)據(jù)的距離方法，實(shí)現(xiàn)了油水界面測(cè)試裝置檢測(cè)數(shù)據(jù)的計(jì)算機(jī)判讀。任磊等采用移動(dòng)式電容法，獲取原油儲(chǔ)油罐不同位置介電常數(shù)的檢測(cè)結(jié)果，基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法確定了多液位的分界點(diǎn)[8]。任喜偉等基于多級(jí)閾值法進(jìn)行了油水界面參數(shù)的計(jì)算[9]。這些研究成果主要聚焦于自動(dòng)檢測(cè)裝置的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，對(duì)于測(cè)試數(shù)據(jù)僅進(jìn)行了簡(jiǎn)單的比較分析處理，少數(shù)文獻(xiàn)提出了檢測(cè)數(shù)據(jù)處理的要點(diǎn)在于確定測(cè)試數(shù)據(jù)序列的突變點(diǎn)，但未給出如何進(jìn)行突變點(diǎn)檢測(cè)從而有效計(jì)算界面參數(shù)。為此，基于原油儲(chǔ)罐多液位界面檢測(cè)系統(tǒng)測(cè)試數(shù)據(jù)序列，利用數(shù)據(jù)序列拐點(diǎn)檢測(cè)法，檢測(cè)數(shù)據(jù)序列的突變點(diǎn)，并以此作為不同介質(zhì)的分界點(diǎn)，克服以往簡(jiǎn)單比較分析時(shí)需要人為調(diào)整數(shù)據(jù)閾值的缺點(diǎn)，為多液位界面參數(shù)檢測(cè)提供了一種新方法。

1 序列數(shù)據(jù)拐點(diǎn)檢測(cè)方法

拐點(diǎn)，又稱反曲點(diǎn)，在數(shù)學(xué)上指改變曲線向上或向下方向的點(diǎn)，就是數(shù)據(jù)序列從一種模式改變?yōu)榱硪环N模式的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。數(shù)據(jù)序列拐點(diǎn)檢測(cè)算法比較多，其中計(jì)算簡(jiǎn)單且結(jié)果準(zhǔn)確度較高的是文獻(xiàn)[10]中提及的累積和(Cumulative Sum,CUSUM)控制圖方法。累積和是一種序貫分析法，由劍橋大學(xué)的Page E S于1954年最先提出。

累積和用以在某個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的數(shù)據(jù)序列中，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)信息的累積，將過(guò)程中小的偏移加以放大，從而提高檢測(cè)數(shù)據(jù)偏移的靈敏度，進(jìn)而檢測(cè)出數(shù)列的平均值或均方差開(kāi)始發(fā)生改變的數(shù)據(jù)點(diǎn)。累積和最典型的應(yīng)用是在工程控制、質(zhì)量檢測(cè)等方面關(guān)于改變檢測(cè)(Change Detection)中對(duì)參量變化的檢測(cè)，用途極為廣泛。

累積和檢測(cè)數(shù)據(jù)序列拐點(diǎn)的算法步驟如下：

a. 獲取待檢測(cè)數(shù)據(jù)序列X={x1,x2,…,xn}。

c. 設(shè)置序列的累積和初始值CS0=0。

2 原油儲(chǔ)罐多液位界面測(cè)試數(shù)據(jù)的分段方法

目前，原油儲(chǔ)罐多液位界面參數(shù)測(cè)試儀多為矩陣式分布的傳感探極結(jié)構(gòu)，如圖1所示。傳感探極與罐壁平行安裝，傳感探極上均勻分布有若干傳感模塊，分別檢測(cè)罐體內(nèi)對(duì)應(yīng)位置處介質(zhì)的介電常數(shù)或介質(zhì)對(duì)檢測(cè)模塊發(fā)射電磁信號(hào)的衰減系數(shù)。利用不同介質(zhì)對(duì)電場(chǎng)或磁場(chǎng)的衰減程度不同的特性，在MCU的有序控制下實(shí)時(shí)獲取罐內(nèi)介質(zhì)每一個(gè)等分點(diǎn)電場(chǎng)和磁場(chǎng)物理量的變化信息(這些信息反映了罐內(nèi)不同位置介質(zhì)對(duì)信號(hào)衰減特性的數(shù)字化結(jié)果，為無(wú)量綱數(shù)據(jù))，并對(duì)這些信息進(jìn)行分析計(jì)算，就能準(zhǔn)確無(wú)誤地獲得罐內(nèi)多種介質(zhì)的多液位高度及其界面位置參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)封閉原油儲(chǔ)罐內(nèi)儲(chǔ)油狀態(tài)的可視化和定量監(jiān)視。

圖1 多液位界面參數(shù)測(cè)試原理

根據(jù)以上測(cè)試原理，檢測(cè)構(gòu)成中獲取的實(shí)際上是一個(gè)反映不同介質(zhì)對(duì)于電場(chǎng)或磁場(chǎng)衰減特性的數(shù)據(jù)序列。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：空氣中信號(hào)衰減最少，油中次之，水中信號(hào)衰減最大。測(cè)試數(shù)據(jù)序列呈現(xiàn)一定程度的升序排列總體特性(個(gè)別數(shù)據(jù)會(huì)由于傳感器件性能而出現(xiàn)異常)。以此數(shù)據(jù)序列判斷罐內(nèi)多液位界面參數(shù)(即空氣、油、水3種典型介質(zhì))的分界點(diǎn)，就是要通過(guò)尋找序列中數(shù)據(jù)的突變點(diǎn)將數(shù)據(jù)序列科學(xué)地劃分為3個(gè)有序分段。

按照拐點(diǎn)檢測(cè)算法，數(shù)據(jù)序列獲取的第1個(gè)拐點(diǎn)就是油水界面點(diǎn)。油水界面點(diǎn)之前的子序列，再按照拐點(diǎn)檢測(cè)算法，即可找出油氣界面點(diǎn)。因此，基于數(shù)據(jù)序列拐點(diǎn)檢測(cè)方法的油水界面參數(shù)計(jì)算，可以抽象為基于拐點(diǎn)的序列分段算法。算法的實(shí)現(xiàn)步驟如下：

a. 獲取原油儲(chǔ)罐多液位界面參數(shù)檢測(cè)系統(tǒng)的測(cè)試數(shù)據(jù)序列X={x1,x2,…,xn}。

b. 按照CUSUM算法，找出數(shù)據(jù)序列X的第1個(gè)分界點(diǎn)p1，數(shù)據(jù)序列分為兩段X1={x1,x2,…,xp1}，X2={ xp1+1, xp1+2,…,xn}。該分界點(diǎn)即為原油儲(chǔ)罐中油水界面的位置。

c. 對(duì)于子序列X1，按照步驟b找出子序列的分界點(diǎn)p11，對(duì)其進(jìn)一步分割，得到該序列的兩個(gè)子序列X11={x1,x2,…,xp11}，X12={ xp11, xp11+1,…,xp1}。該分界點(diǎn)即為原油儲(chǔ)罐中油氣界面的位置。

通過(guò)遞歸調(diào)用CUSUM算法，可以依次找出原油儲(chǔ)罐中油水界面和油氣界面的位置，從而實(shí)現(xiàn)封閉罐體內(nèi)部狀態(tài)的可視化，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)精確的外部觀測(cè)，為實(shí)施科學(xué)的生產(chǎn)調(diào)度提供可靠的數(shù)據(jù)支持。而且該方法計(jì)算簡(jiǎn)單，完全可以滿足生產(chǎn)實(shí)時(shí)控制的需要。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

原油儲(chǔ)罐界面參數(shù)快速檢測(cè)方法在某采油廠開(kāi)發(fā)的原油儲(chǔ)罐油水界面監(jiān)控系統(tǒng)中得到應(yīng)用。以某儲(chǔ)油罐數(shù)據(jù)采集結(jié)果為例，罐中安裝的油水界面測(cè)量?jī)x的測(cè)量點(diǎn)數(shù)為54點(diǎn)。一次測(cè)量獲取的原始數(shù)據(jù)列于表1(數(shù)據(jù)依次排列，表示罐體內(nèi)部對(duì)應(yīng)54個(gè)位置處的介質(zhì)對(duì)電磁信號(hào)的衰減特性)，數(shù)據(jù)波形如圖2所示，其中data1為原始數(shù)據(jù)曲線。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)可以清晰地判斷圖2中data2為第1個(gè)數(shù)據(jù)拐點(diǎn)，data3為第2個(gè)數(shù)據(jù)拐點(diǎn)，data4為第3個(gè)數(shù)據(jù)拐點(diǎn)。data4對(duì)應(yīng)的是油水界面分界點(diǎn)，data3對(duì)應(yīng)的是油與油氣混合物界面的分界點(diǎn)，data2對(duì)應(yīng)的是油氣界面分界點(diǎn)。

表1 54點(diǎn)油水界面測(cè)量?jī)x測(cè)量數(shù)據(jù)

圖2 一次測(cè)量原始數(shù)據(jù)波形

對(duì)于檢測(cè)結(jié)果的原始序列進(jìn)行第1次拐點(diǎn)檢測(cè)算法應(yīng)用，得到的累積和數(shù)據(jù)CS序列曲線及其極小值對(duì)應(yīng)點(diǎn)位置(測(cè)位序號(hào)33)如圖3a所示。

第1次檢測(cè)將原始序列分割為兩個(gè)子序列——原始數(shù)據(jù)1～33構(gòu)成子序列1，原始數(shù)據(jù)34～54構(gòu)成子序列2。對(duì)于子序列1，再次進(jìn)行子序列拐點(diǎn)檢測(cè)，得到的累積和數(shù)據(jù)CS序列曲線及其極小值對(duì)應(yīng)點(diǎn)位置(測(cè)位序號(hào)24)如圖3b所示；對(duì)于原始數(shù)據(jù)1～23，再次進(jìn)行子序列拐點(diǎn)檢測(cè)，得到的累積和數(shù)據(jù)CS序列曲線及其極小值對(duì)應(yīng)點(diǎn)位置(測(cè)位序號(hào)12)如圖3c所示。

圖3 數(shù)據(jù)序列遞歸調(diào)用累積和拐點(diǎn)檢測(cè)計(jì)算結(jié)果

實(shí)際應(yīng)用結(jié)果表明，基于CUSUM算法進(jìn)行3次序列拐點(diǎn)的遞歸調(diào)用檢測(cè)結(jié)果和人工經(jīng)驗(yàn)的數(shù)據(jù)分界點(diǎn)完全一致，這表明基于累積和數(shù)據(jù)拐點(diǎn)檢測(cè)方法，在原油儲(chǔ)罐多液位界面檢測(cè)儀測(cè)試數(shù)據(jù)分析處理中是有效的。

4 結(jié)束語(yǔ)

原油儲(chǔ)罐多液位界面測(cè)試中，基于累積和數(shù)據(jù)拐點(diǎn)檢測(cè)算法，對(duì)數(shù)據(jù)序列進(jìn)行自動(dòng)分析和判斷，得出原油儲(chǔ)罐中空氣、油氣混合、原油、油水混合及水等不同介質(zhì)的界面位置，改變?nèi)藶樵O(shè)置不同介質(zhì)閾值時(shí)，由于溫度影響、傳感器性能改變等因素造成的識(shí)別錯(cuò)誤率高的缺點(diǎn)。只要傳感器陣列性能一致，按照筆者提出的方法，僅依靠數(shù)據(jù)序列值的自身特點(diǎn)，就可以準(zhǔn)確判斷出多介質(zhì)的界面位置，可以在實(shí)際生產(chǎn)中發(fā)揮有效作用。

[1] 張華莎.石油化工油品儲(chǔ)罐計(jì)量與測(cè)量?jī)x表設(shè)計(jì)方案[J].石油化工自動(dòng)化,2015,51(5):1～7.

[2] 劉麗鈞,李曉游.原油儲(chǔ)罐多界面測(cè)試系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)[J].儀表技術(shù)與傳感器,2006,(5):27～29.

[3] 趙波.原油儲(chǔ)罐油水界面動(dòng)態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)的研究[D].西安:西安石油大學(xué),2014.

[4] 馬世海,吳珂,李曉薇.油-水兩相界面測(cè)量技術(shù)綜述[J].化工自動(dòng)化及儀表,2016,43(12):1233～1238,1252.

[5] 曲浩琳.原油儲(chǔ)罐內(nèi)多相界面測(cè)量系統(tǒng)應(yīng)用研究[D]. 西安:西安石油大學(xué),2014.

[6] 楊帆,張彩麗,任喜偉.一種分布式原油儲(chǔ)罐油水界面監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制,2011,19(6):1308～1310.

[7] 楊帆,張彩麗,任喜偉.一種原油儲(chǔ)罐油水界面測(cè)量裝置及其測(cè)量方法[P].中國(guó):CN102052952A,2011-05-11.

[8] 任磊,陳祥光,劉春濤.原油儲(chǔ)罐油水界面測(cè)量方法的研究及應(yīng)用[J].儀器儀表學(xué)報(bào),2008,29(10):2186～2191.

[9] 任喜偉,任工昌,楊帆.電磁場(chǎng)式油水界面測(cè)量分析及數(shù)據(jù)優(yōu)化方法[J].化工自動(dòng)化及儀表,2012,39(7):858～861.

[10]KohlmorgenJ,LemmS.AnOn-lineMethodforSegmentationandIdentificationofNon-stationaryTimeSerials[C].NeuralNetworksforSignalProcessingXI,IEEESignalProcessingSocietyWorkshop.Pscataway,NJ:IEEE,2001:113～122.

ARapidDetectionMethodandItsApplicationinMeasuringCrudeOilTankInterfaceParameters

YANG Fana, ZHANG Wei-zhia, ZHANG Cai-lib

(a.InstituteofElectricityandInformationEngineering; b.InstituteofMechanicalandElectricalEngineering,ShaanxiUniversityofScience&Technology)

In order to solve the problems of data processing in measuring interface parameters of crude oil storage tank, an interface parameter analysis method based on the inflection point detection principle of recursive CUSUM sequence data was proposed. The method has the interface parameter measuring instrument employed to collect sequence data, calls inflection point algorithm recursively based on CUSUM of the sequence data, and has the characteristics of the inflection point data taken as the demarcation point of various mediums in the oil tank so as to determine specific information of multi-level interface parameters.

interface parameters detection, crude oil tank, recursive CUSUM, inflection points of sequence data

TH816

B

1000-3932(2017)08-0750-04

2017-01-21，

2017-05-09)

楊帆(1973-)，副教授，從事計(jì)算機(jī)監(jiān)控技術(shù)、智能信息處理技術(shù)的教學(xué)和研究，sustei@163.com。