李 牧，田冠楠，李 卓

(1.中海油能源發(fā)展采油服務(wù)公司，天津 300451；2.北京高泰深海技術(shù)有限公司，北京 100029)

海洋石油112環(huán)境條件監(jiān)測數(shù)據(jù)的相關(guān)性研究

李 牧1，田冠楠1，李 卓2

(1.中海油能源發(fā)展采油服務(wù)公司，天津 300451；2.北京高泰深海技術(shù)有限公司，北京 100029)

海洋環(huán)境因素是影響船體運(yùn)動(dòng)的主導(dǎo)因素，因此掌握海洋環(huán)境因素對船體運(yùn)動(dòng)影響的基本規(guī)律，有利于作業(yè)者根據(jù)環(huán)境條件對船體運(yùn)動(dòng)情況做出正確的預(yù)判斷。應(yīng)用渤海曹妃甸作業(yè)區(qū)海洋石油112浮式生產(chǎn)儲(chǔ)卸裝置(FPSO)實(shí)船在線監(jiān)測的環(huán)境數(shù)據(jù)為研究目標(biāo)，通過最大熵原理及統(tǒng)計(jì)分析方法對環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理，得到風(fēng)、浪、流之間的聯(lián)合分布及組合規(guī)律等相關(guān)性研究結(jié)果,為FPSO生產(chǎn)決策提供必要的理論依據(jù)。

單點(diǎn)監(jiān)測；極值統(tǒng)計(jì)；最大熵；聯(lián)合分布；回歸關(guān)系

0 引 言

近年來，浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油裝置(FPSO)處于海上風(fēng)浪多變的復(fù)雜環(huán)境之中，自身存儲(chǔ)原油載重不斷變化，加上FPSO連接外輸油船對船體本身產(chǎn)生拉力，因此FPSO軟剛臂系泊裝置受力情況異常復(fù)雜[1]。隨著中海油總公司對單點(diǎn)系泊系統(tǒng)完整性管理重視程度的不斷提高，已經(jīng)陸續(xù)在現(xiàn)役的幾條FPSO加裝在線監(jiān)測設(shè)備，對單點(diǎn)系泊系統(tǒng)的重點(diǎn)部分進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，實(shí)時(shí)掌握單點(diǎn)系泊系統(tǒng)的狀態(tài)，為作業(yè)者提供及時(shí)準(zhǔn)確的系泊安全性信息，及時(shí)對單點(diǎn)潛在危險(xiǎn)進(jìn)行預(yù)警，確保單點(diǎn)系泊系統(tǒng)的安全生產(chǎn)。經(jīng)過監(jiān)測系統(tǒng)一段時(shí)間的運(yùn)行，已經(jīng)記錄了大量的實(shí)測數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)的分析處理作為系泊在線監(jiān)測系統(tǒng)的延續(xù)成為亟待研究的課題。

本文以曹妃甸作業(yè)區(qū)海洋石油112現(xiàn)場環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析研究為重點(diǎn)，介紹了風(fēng)、浪、流等環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)后處理的分析方法，確定了風(fēng)、浪、流等環(huán)境要素的組合及分布規(guī)律，并得到該分析結(jié)果在工程實(shí)際中應(yīng)用情況的指導(dǎo)結(jié)論。

1 系泊系統(tǒng)組成

海洋石油112系泊系統(tǒng)包括船艏支撐結(jié)構(gòu)、錨鏈、水下軟剛臂、系泊轉(zhuǎn)盤、轉(zhuǎn)塔樁基礎(chǔ)等。軟剛臂是三角形框架結(jié)構(gòu)，一端與系泊轉(zhuǎn)盤連接，另一端與船艏支撐結(jié)構(gòu)相連。軟剛臂及系泊鏈的參數(shù)如表1所示。

表1 軟剛臂及系泊鏈參數(shù)Table 1 Parameters of soft yoke and mooring chain

2 理論基礎(chǔ)

2.1 數(shù)據(jù)分析對象與分析方法

2.1.1風(fēng)

海洋工程結(jié)構(gòu)物有上部建筑物，通常受風(fēng)面積很大，且對風(fēng)很敏感。風(fēng)產(chǎn)生具有重要影響的平均作用力(對固定式結(jié)構(gòu)是橫傾力矩，對浮動(dòng)式結(jié)構(gòu)物是平均錨泊力)，同時(shí)引起頻率范圍很大的動(dòng)載荷。

2.1.2浪

海浪的波形、波高、波長及傳播速度等都具有很強(qiáng)的隨機(jī)性和不規(guī)則性。一般在海浪分析過程中將海浪條件分為短期波浪條件和長期波浪條件。短期波浪條件一般指從20min到3～6h，在計(jì)算分析過程中認(rèn)為3h內(nèi)波浪條件是穩(wěn)定的，記為一個(gè)海況。一個(gè)海況可用一系列特征參數(shù)來進(jìn)行描述，包括有義波高、譜峰周期、平均跨零周期等。短期波浪可以用波浪譜來表示，波浪譜可以是表格的形式也可以是待定參數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式，常用的波浪譜包括P-M譜、JONSWAP譜、雙峰值譜等[3]。由于海洋石油112在波浪監(jiān)測過程中已經(jīng)以30min為一個(gè)周期自動(dòng)對短期的波浪監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理，給出了短期波浪數(shù)據(jù)的特征參數(shù)，因此本次數(shù)據(jù)分析以波浪的長期統(tǒng)計(jì)為主。

2.1.3流

在某一給定近海位置，流是洋流、潮流和風(fēng)共同作用下表面水團(tuán)的驅(qū)動(dòng)效應(yīng)的疊加結(jié)果。洋流的周期性約為幾個(gè)月的量級，根據(jù)地球上海區(qū)的不同，潮有一晝夜或半晝夜周期，因此可以認(rèn)為，在給定的海況中，流速在速度和方向上不隨時(shí)間變化。然而，流的強(qiáng)度和方向在不同深度的水層中會(huì)發(fā)生變化，一般來說，流剖面圖分為十年一遇的速度“剖面圖”、百年一遇的速度“剖面圖”等。典型洋流可分為風(fēng)致流、潮汐流、循環(huán)流、渦流、孤立流、沿岸流。

2.1.4相關(guān)性回歸分析

測量的環(huán)境要素相關(guān)關(guān)系表達(dá)方式有三種，即相關(guān)表、相關(guān)圖和相關(guān)系數(shù)。相關(guān)表是一種反映變量之間相關(guān)關(guān)系的統(tǒng)計(jì)表，將某一變量按其取值的大小排列，然后再將與其相關(guān)的另一變量的對應(yīng)值平行排列，便可得到簡單的相關(guān)表。相關(guān)圖是用來反映兩個(gè)變量之間相關(guān)關(guān)系的圖，又叫散布圖，用于分析兩測定值之間的相關(guān)關(guān)系，它有直觀簡便的優(yōu)點(diǎn)。相關(guān)表和相關(guān)圖是研究相關(guān)關(guān)系的直觀工具，它們只能對現(xiàn)象之間存在的相關(guān)關(guān)系的方向、形式和密切程度作大致的判斷，而不能說明其密切程度的大小。因此，需要計(jì)算相關(guān)系數(shù)。根據(jù)相關(guān)變量的多少、分析問題的角度不同，相關(guān)系數(shù)可以分為簡單相關(guān)系數(shù)、偏相關(guān)系數(shù)和復(fù)相關(guān)系數(shù)。

2.1.5最大熵原理

19世紀(jì)，人們在研究熱力學(xué)循環(huán)的過程中發(fā)現(xiàn)了一種與能量守恒類似的恒定量，稱為熵。經(jīng)過100余年的發(fā)展，熵的概念已拓展到科學(xué)研究的各個(gè)領(lǐng)域。復(fù)雜程度的概念涵蓋了熱力學(xué)熵及信息熵，為二者的統(tǒng)一提供了一種方法[4]。

設(shè)通信中出現(xiàn)的各種信號(hào)xi發(fā)生的概率為pi(i=1, …,n)，每次抽樣不確定性(信息熵)的公式為

(1)

且

(2)

對于連續(xù)型隨機(jī)變量X，設(shè)其密度函數(shù)為f(x)，則其信息熵定義為

(3)

且

(4)

2.2 監(jiān)測海洋環(huán)境數(shù)據(jù)介紹

本文主要針對環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)的后處理方法展開，目標(biāo)數(shù)據(jù)來源于位于渤海曹妃11-1/2油田的海洋石油112現(xiàn)場監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)環(huán)境數(shù)據(jù)的監(jiān)測內(nèi)容主要包括風(fēng)速、風(fēng)向、氣溫、濕度、氣壓、浪高、波浪周期、浪向、剖面流速和流向。

本文研究內(nèi)容主要針對風(fēng)、浪、流三種環(huán)境要素。每種環(huán)境要素均采用不同的采樣頻率。具體監(jiān)測內(nèi)容詳細(xì)說明如表2所示。

表2 海洋環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)說明Table 2 Description of the ocean environmentalcondition monitoring data

上述數(shù)據(jù)來自系統(tǒng)自動(dòng)保存的原始數(shù)據(jù)，因此在數(shù)據(jù)分析過程中根據(jù)技術(shù)要求進(jìn)行了必要的甄別和篩查工作。本文采樣數(shù)據(jù)為2015年2—12月的數(shù)據(jù)樣本。

3 環(huán)境組合規(guī)律

風(fēng)、浪、流的等環(huán)境要素具有一定的相關(guān)性，各要素之間并非相互獨(dú)立的?？偨Y(jié)各個(gè)環(huán)境要素之間的關(guān)系，不僅有利于判斷監(jiān)測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，而且有利于在設(shè)計(jì)過程中設(shè)置更為合理的環(huán)境工況，減少設(shè)計(jì)冗余，節(jié)約建造成本。

3.1 波浪、風(fēng)

通常情況下，風(fēng)浪和涌浪是波浪的主要組成成分，因此風(fēng)速和浪高之間必然存在一定的依存關(guān)系。為了直觀地表示風(fēng)速和浪高之間的關(guān)系，將風(fēng)速及對應(yīng)情況下的浪高以散點(diǎn)圖的形式進(jìn)行表示，如圖1所示。

由風(fēng)速和有義波高的散點(diǎn)圖可知，風(fēng)速和波高之間大致呈線性關(guān)系，對應(yīng)不同風(fēng)速的有義波高以中心線為基準(zhǔn)在一定范圍內(nèi)變化。應(yīng)用最小二乘法擬合得到的結(jié)果如圖1中實(shí)線所示。擬合曲線也從側(cè)面證明了： 在監(jiān)測海區(qū)周圍風(fēng)速是決定浪高的主導(dǎo)因素之一，但同時(shí)受其他環(huán)境因素影響，浪高會(huì)在一定范圍內(nèi)小幅振蕩。

圖1 風(fēng)速與有義波高散點(diǎn)圖Fig.1 Scatter diagram of wind speed versus significant wave height

除此之外，風(fēng)向和浪向也是設(shè)計(jì)過程中需要考慮的重要參數(shù)。以現(xiàn)有監(jiān)測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)得到風(fēng)向與浪向之間的散點(diǎn)圖，如圖2所示。

由圖2可知，風(fēng)向和浪向在一定程度上存在線性關(guān)系，但并非嚴(yán)格遵守這一規(guī)律，因此在設(shè)計(jì)過程中需要綜合考慮浪向的分布。但由于本次分析過程中風(fēng)向采樣頻率為1Hz，而浪向的采樣頻率為0.0006Hz，數(shù)據(jù)分析過程中采用的平均算法會(huì)對分析結(jié)果產(chǎn)生一定的影響。建議調(diào)整采樣頻率后再進(jìn)行詳細(xì)分析。

圖2 風(fēng)向與主浪向散點(diǎn)圖Fig.2 Scatter diagram of wind direction versus principal wave direction

在確定波高和浪向之后，波浪周期成為影響海洋結(jié)構(gòu)物所受波浪力的重要因素。從能量角度出發(fā)，波高和周期之間必然存在一定的相互關(guān)系。如果是規(guī)則波，波高和周期之間的相互關(guān)系可通過色散關(guān)系進(jìn)行判別，但自然界中波浪多數(shù)情況下屬于不規(guī)則波，波浪特性需要通過特定的參數(shù)進(jìn)行表征。通常情況下，有義波高和譜峰周期是設(shè)計(jì)中較為關(guān)鍵的參數(shù)，挪威船級社(DNV)DNV-RP-C205規(guī)范中推薦利用兩者的比例關(guān)系確定不同波浪譜的適用范圍。因此有義波高和譜峰周期之間的分布關(guān)系具有較大的實(shí)際意義。依據(jù)現(xiàn)有監(jiān)測數(shù)據(jù)得到譜峰周期和有義波高的散點(diǎn)圖，如圖3所示。

由圖3可知，波高和周期存在一定的非線性關(guān)系。利用最小二乘法進(jìn)行擬合得到的曲線如圖3中實(shí)線所示，顯示譜峰周期與有義波高呈二次關(guān)系。設(shè)計(jì)過程中可依據(jù)此關(guān)系對波浪周期進(jìn)行估算。

3.2 流、風(fēng)

流是另外一個(gè)重要的環(huán)境因素。流的組成成分較為復(fù)雜，是洋流、潮流和風(fēng)共同作用下表面水團(tuán)的驅(qū)動(dòng)效應(yīng)的疊加結(jié)果。因此，海區(qū)不同，流的主導(dǎo)成分也隨之變化。洋流和潮汐流自身均具有一定的規(guī)律性，受其他環(huán)境因素影響較小，因此此處著重研究風(fēng)和流之間的相互影響規(guī)律。首先研究風(fēng)速與表面流速之間的影響規(guī)律。根據(jù)目前風(fēng)速與表面流速的監(jiān)測數(shù)據(jù)得到圖4。

圖4 風(fēng)速與表面流速散點(diǎn)圖Fig.4 Scatter diagram of wind speed versus surface current speed

圖5 風(fēng)向與表面流向散點(diǎn)圖Fig.5 Scatter diagram of wind direction versus surface current direction

圖4散點(diǎn)圖結(jié)果表明，風(fēng)速與表面流速之間不存在明顯的相關(guān)關(guān)系，由此可知在監(jiān)測區(qū)域附近風(fēng)速不是決定流速的主導(dǎo)因素。為了進(jìn)一步確定風(fēng)和流之間的相互影響規(guī)律，進(jìn)一步考慮風(fēng)向和流向之間的關(guān)系。由圖5可知，不論風(fēng)向如何變化，流向始終以100°～150°和300°～350°兩個(gè)方向區(qū)間為主，受風(fēng)向變化影響很小。綜合判斷，在該區(qū)域內(nèi)風(fēng)并非影響流的主導(dǎo)因素。

3.3 二維最大熵

為滿足工程設(shè)計(jì)需要，利用最大熵原理來完成對不同環(huán)境條件組合規(guī)律的模擬。準(zhǔn)確模擬不同環(huán)境條件之間的組合規(guī)律模擬的前提是對單個(gè)環(huán)境要素的準(zhǔn)確模擬。在滿足環(huán)境條件概率密度函數(shù)約束條件的基礎(chǔ)上，結(jié)合實(shí)際監(jiān)測數(shù)據(jù)，經(jīng)過嚴(yán)密的理論推導(dǎo)，得到風(fēng)速、浪高、流速的分布規(guī)律，如圖6～8所示。

風(fēng)速、浪高、流速分布規(guī)律的擬合較好。誤差主要來源于監(jiān)測數(shù)據(jù)量不足，目前數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)基于一年的監(jiān)測數(shù)據(jù)，因此在統(tǒng)計(jì)結(jié)果中呈現(xiàn)一定的跳躍性，而擬合函數(shù)遵循理想的自然分布規(guī)律。

圖6 風(fēng)速概率密度分布擬合結(jié)果對比Fig.6 Comparison between calculated and monitoring results of possibility density distributions of wind speed

圖7 浪高概率密度分布擬合結(jié)果對比Fig.7 Comparison between calculated and monitoring results of possibility density distributions of wave height

圖8 流速概率密度分布擬合結(jié)果對比Fig.8 Comparison between calculated and monitoring results of possibility density distributions of current speed

對風(fēng)、浪、流環(huán)境要素之間的影響規(guī)律可采用二維最大熵函數(shù)進(jìn)行模擬。對于二維最大熵函數(shù)的模擬有多種擬合方式，不同的擬合方式所采用的Couple函數(shù)[5]不同。Couple函數(shù)的選取需要依據(jù)經(jīng)驗(yàn)和擬合結(jié)果對比來確定，本文采用三種常用的Couple函數(shù)(Gum， Cla和Fra)對波高和波浪周期組合規(guī)律進(jìn)行模擬，擬合結(jié)果如圖9～12所示。

圖9 波高和周期組合規(guī)律統(tǒng)計(jì)結(jié)果Fig.9 Statistical results of the combination rules of wave height and period

圖10 波高和周期組合規(guī)律擬合結(jié)果(Gum)Fig.10 Calculation results of the combination rules of wave height and period using Gum

圖11 波高和周期組合規(guī)律擬合結(jié)果(Cla)Fig.11 Calculation results of the combination rules of wave height and period using Cla

圖12 波高和周期組合規(guī)律擬合結(jié)果(Fra)Fig.12 Calculation results of the combination rules of wave height and period using Fra

由擬合結(jié)果對比可知，利用二維最大熵原理對環(huán)境要素組合規(guī)律的模擬具有較好的效果，且能夠?qū)⒉煌h(huán)境要素之間的組合規(guī)律定量表示，便于工程技術(shù)人員確定不同工況的發(fā)生概率，從而合理設(shè)計(jì)工況，減少設(shè)計(jì)過程中的不確定性。

4 結(jié) 語

通過完成海洋石油112單點(diǎn)監(jiān)測系泊系統(tǒng)環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)的篩查、整理和分析工作，初步掌握了環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)分析方法，并對該區(qū)域海洋環(huán)境條件的組合規(guī)律有了初步認(rèn)識(shí)，為下一步長期數(shù)據(jù)的處理、工程應(yīng)用提供了很好的借鑒。

在海洋石油112作業(yè)海域，風(fēng)速是決定浪高的主導(dǎo)因素之一，風(fēng)速與波高之間近似符合線性關(guān)系，但同時(shí)受其他環(huán)境因素影響，浪高會(huì)在一定范圍內(nèi)小幅振蕩；譜峰周期與有義波高呈二次關(guān)系，設(shè)計(jì)過程中可依據(jù)此關(guān)系對波浪周期進(jìn)行估算。

根據(jù)不同環(huán)境要素間的分布規(guī)律，結(jié)合數(shù)值計(jì)算，可對系泊系統(tǒng)的疲勞累積損傷進(jìn)行更為合理的評估，并與設(shè)計(jì)值進(jìn)行對比，提高系泊系統(tǒng)的完整性管理水平。利用新的概率分布擬合方法，可提高環(huán)境要素的回歸極值預(yù)報(bào)精度，合理確定設(shè)計(jì)極限工況。利用環(huán)境要素間組合規(guī)律，量化不同海況發(fā)生概率，有助于合理選擇設(shè)計(jì)極限海況，科學(xué)降低設(shè)計(jì)建造成本。

[1] 劉莉峰,趙玉梁.FPSO單點(diǎn)軟剛臂系泊監(jiān)測系統(tǒng)[J].船海工程，2015，44(3)： 83．

[2] 劉水庚.海洋工程水動(dòng)力學(xué)[M].北京： 國防工業(yè)出版社，2012.

[3] 陳麗寧,金一丞,任鴻翔,等.海浪繪制中波浪譜的選擇和參數(shù)計(jì)算[J].計(jì)算機(jī)科學(xué)，2013，40(7)： 283.

[4] 陶山山.多維最大熵模型及其在海岸和海洋工程中的應(yīng)用研究[D].青島： 中國海洋大學(xué)，2013.

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RelevanceResearchontheEnvironmentalConditionMonitoringDataofHYSY112

LI Mu1, TIAN Guan-nan1, LI Zhuo2

(1.CNOOCEnergyTechnology&Services-OilProductionServicesCo.,Tianjin300451,China;2.COTEC,Beijing100029,China)

Ocean environmental conditions are the main factors that affect the motion of ship body. In order to properly predict the ship motion according to actual environmental conditions, the operators should get the knowledge about the fundamental rules of ocean environmental conditions affecting the ship motion. Using the real monitoring data of HYSY112 floating production, storage and offloading system (FPSO) operating in CFD oil field of Bohai, applying the maximum entropy principle and statistical analysis technique as data processing tools, the relevance results including the joint distribution and combination rules of wind, wave and current are obtained. This research can offer theoretical support for the FPSO production decision.

single point monitoring; statistics of extrema; maximum entropy; joint distribution; regression relation

P75

A

2095-7297(2017)02-0118-07

2016-09-09

系泊監(jiān)測數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)開發(fā)及應(yīng)用研究(HFXMLZ-CY201403)

李牧(1986—)，女，碩士，工程師，主要從事浮體結(jié)構(gòu)方面的研究。