海洋石油112环境条件监测数据的相关性研究

李 牧，田冠楠，李 卓

(1.中海油能源发展采油服务公司，天津 300451；2.北京高泰深海技术有限公司，北京 100029)

海洋石油112环境条件监测数据的相关性研究

李 牧1，田冠楠1，李 卓2

(1.中海油能源发展采油服务公司，天津 300451；2.北京高泰深海技术有限公司，北京 100029)

海洋环境因素是影响船体运动的主导因素，因此掌握海洋环境因素对船体运动影响的基本规律，有利于作业者根据环境条件对船体运动情况做出正确的预判断。应用渤海曹妃甸作业区海洋石油112浮式生产储卸装置(FPSO)实船在线监测的环境数据为研究目标，通过最大熵原理及统计分析方法对环境监测数据进行后处理，得到风、浪、流之间的联合分布及组合规律等相关性研究结果,为FPSO生产决策提供必要的理论依据。

单点监测；极值统计；最大熵；联合分布；回归关系

0 引 言

近年来，浮式生产储油装置(FPSO)处于海上风浪多变的复杂环境之中，自身存储原油载重不断变化，加上FPSO连接外输油船对船体本身产生拉力，因此FPSO软刚臂系泊装置受力情况异常复杂[1]。随着中海油总公司对单点系泊系统完整性管理重视程度的不断提高，已经陆续在现役的几条FPSO加装在线监测设备，对单点系泊系统的重点部分进行实时监测，实时掌握单点系泊系统的状态，为作业者提供及时准确的系泊安全性信息，及时对单点潜在危险进行预警，确保单点系泊系统的安全生产。经过监测系统一段时间的运行，已经记录了大量的实测数据，这些数据的分析处理作为系泊在线监测系统的延续成为亟待研究的课题。

本文以曹妃甸作业区海洋石油112现场环境监测数据的分析研究为重点，介绍了风、浪、流等环境监测数据后处理的分析方法，确定了风、浪、流等环境要素的组合及分布规律，并得到该分析结果在工程实际中应用情况的指导结论。

1 系泊系统组成

海洋石油112系泊系统包括船艏支撑结构、锚链、水下软刚臂、系泊转盘、转塔桩基础等。软刚臂是三角形框架结构，一端与系泊转盘连接，另一端与船艏支撑结构相连。软刚臂及系泊链的参数如表1所示。

表1 软刚臂及系泊链参数Table 1 Parameters of soft yoke and mooring chain

2 理论基础

2.1 数据分析对象与分析方法

2.1.1风

海洋工程结构物有上部建筑物，通常受风面积很大，且对风很敏感。风产生具有重要影响的平均作用力(对固定式结构是横倾力矩，对浮动式结构物是平均锚泊力)，同时引起频率范围很大的动载荷。

2.1.2浪

海浪的波形、波高、波长及传播速度等都具有很强的随机性和不规则性。一般在海浪分析过程中将海浪条件分为短期波浪条件和长期波浪条件。短期波浪条件一般指从20min到3～6h，在计算分析过程中认为3h内波浪条件是稳定的，记为一个海况。一个海况可用一系列特征参数来进行描述，包括有义波高、谱峰周期、平均跨零周期等。短期波浪可以用波浪谱来表示，波浪谱可以是表格的形式也可以是待定参数的经验公式，常用的波浪谱包括P-M谱、JONSWAP谱、双峰值谱等[3]。由于海洋石油112在波浪监测过程中已经以30min为一个周期自动对短期的波浪监测数据进行了处理，给出了短期波浪数据的特征参数，因此本次数据分析以波浪的长期统计为主。

2.1.3流

在某一给定近海位置，流是洋流、潮流和风共同作用下表面水团的驱动效应的叠加结果。洋流的周期性约为几个月的量级，根据地球上海区的不同，潮有一昼夜或半昼夜周期，因此可以认为，在给定的海况中，流速在速度和方向上不随时间变化。然而，流的强度和方向在不同深度的水层中会发生变化，一般来说，流剖面图分为十年一遇的速度“剖面图”、百年一遇的速度“剖面图”等。典型洋流可分为风致流、潮汐流、循环流、涡流、孤立流、沿岸流。

2.1.4相关性回归分析

测量的环境要素相关关系表达方式有三种，即相关表、相关图和相关系数。相关表是一种反映变量之间相关关系的统计表，将某一变量按其取值的大小排列，然后再将与其相关的另一变量的对应值平行排列，便可得到简单的相关表。相关图是用来反映两个变量之间相关关系的图，又叫散布图，用于分析两测定值之间的相关关系，它有直观简便的优点。相关表和相关图是研究相关关系的直观工具，它们只能对现象之间存在的相关关系的方向、形式和密切程度作大致的判断，而不能说明其密切程度的大小。因此，需要计算相关系数。根据相关变量的多少、分析问题的角度不同，相关系数可以分为简单相关系数、偏相关系数和复相关系数。

2.1.5最大熵原理

19世纪，人们在研究热力学循环的过程中发现了一种与能量守恒类似的恒定量，称为熵。经过100余年的发展，熵的概念已拓展到科学研究的各个领域。复杂程度的概念涵盖了热力学熵及信息熵，为二者的统一提供了一种方法[4]。

设通信中出现的各种信号xi发生的概率为pi(i=1, …,n)，每次抽样不确定性(信息熵)的公式为

(1)

且

(2)

对于连续型随机变量X，设其密度函数为f(x)，则其信息熵定义为

(3)

且

(4)

2.2 监测海洋环境数据介绍

本文主要针对环境监测数据的后处理方法展开，目标数据来源于位于渤海曹妃11-1/2油田的海洋石油112现场监测系统。该系统环境数据的监测内容主要包括风速、风向、气温、湿度、气压、浪高、波浪周期、浪向、剖面流速和流向。

本文研究内容主要针对风、浪、流三种环境要素。每种环境要素均采用不同的采样频率。具体监测内容详细说明如表2所示。

表2 海洋环境监测数据说明Table 2 Description of the ocean environmentalcondition monitoring data

上述数据来自系统自动保存的原始数据，因此在数据分析过程中根据技术要求进行了必要的甄别和筛查工作。本文采样数据为2015年2—12月的数据样本。

3 环境组合规律

风、浪、流的等环境要素具有一定的相关性，各要素之间并非相互独立的。总结各个环境要素之间的关系，不仅有利于判断监测数据的准确性，而且有利于在设计过程中设置更为合理的环境工况，减少设计冗余，节约建造成本。

3.1 波浪、风

通常情况下，风浪和涌浪是波浪的主要组成成分，因此风速和浪高之间必然存在一定的依存关系。为了直观地表示风速和浪高之间的关系，将风速及对应情况下的浪高以散点图的形式进行表示，如图1所示。

由风速和有义波高的散点图可知，风速和波高之间大致呈线性关系，对应不同风速的有义波高以中心线为基准在一定范围内变化。应用最小二乘法拟合得到的结果如图1中实线所示。拟合曲线也从侧面证明了： 在监测海区周围风速是决定浪高的主导因素之一，但同时受其他环境因素影响，浪高会在一定范围内小幅振荡。

图1 风速与有义波高散点图Fig.1 Scatter diagram of wind speed versus significant wave height

除此之外，风向和浪向也是设计过程中需要考虑的重要参数。以现有监测数据为基础得到风向与浪向之间的散点图，如图2所示。

由图2可知，风向和浪向在一定程度上存在线性关系，但并非严格遵守这一规律，因此在设计过程中需要综合考虑浪向的分布。但由于本次分析过程中风向采样频率为1Hz，而浪向的采样频率为0.0006Hz，数据分析过程中采用的平均算法会对分析结果产生一定的影响。建议调整采样频率后再进行详细分析。

图2 风向与主浪向散点图Fig.2 Scatter diagram of wind direction versus principal wave direction

在确定波高和浪向之后，波浪周期成为影响海洋结构物所受波浪力的重要因素。从能量角度出发，波高和周期之间必然存在一定的相互关系。如果是规则波，波高和周期之间的相互关系可通过色散关系进行判别，但自然界中波浪多数情况下属于不规则波，波浪特性需要通过特定的参数进行表征。通常情况下，有义波高和谱峰周期是设计中较为关键的参数，挪威船级社(DNV)DNV-RP-C205规范中推荐利用两者的比例关系确定不同波浪谱的适用范围。因此有义波高和谱峰周期之间的分布关系具有较大的实际意义。依据现有监测数据得到谱峰周期和有义波高的散点图，如图3所示。

由图3可知，波高和周期存在一定的非线性关系。利用最小二乘法进行拟合得到的曲线如图3中实线所示，显示谱峰周期与有义波高呈二次关系。设计过程中可依据此关系对波浪周期进行估算。

3.2 流、风

流是另外一个重要的环境因素。流的组成成分较为复杂，是洋流、潮流和风共同作用下表面水团的驱动效应的叠加结果。因此，海区不同，流的主导成分也随之变化。洋流和潮汐流自身均具有一定的规律性，受其他环境因素影响较小，因此此处着重研究风和流之间的相互影响规律。首先研究风速与表面流速之间的影响规律。根据目前风速与表面流速的监测数据得到图4。

图4 风速与表面流速散点图Fig.4 Scatter diagram of wind speed versus surface current speed

图5 风向与表面流向散点图Fig.5 Scatter diagram of wind direction versus surface current direction

图4散点图结果表明，风速与表面流速之间不存在明显的相关关系，由此可知在监测区域附近风速不是决定流速的主导因素。为了进一步确定风和流之间的相互影响规律，进一步考虑风向和流向之间的关系。由图5可知，不论风向如何变化，流向始终以100°～150°和300°～350°两个方向区间为主，受风向变化影响很小。综合判断，在该区域内风并非影响流的主导因素。

3.3 二维最大熵

为满足工程设计需要，利用最大熵原理来完成对不同环境条件组合规律的模拟。准确模拟不同环境条件之间的组合规律模拟的前提是对单个环境要素的准确模拟。在满足环境条件概率密度函数约束条件的基础上，结合实际监测数据，经过严密的理论推导，得到风速、浪高、流速的分布规律，如图6～8所示。

风速、浪高、流速分布规律的拟合较好。误差主要来源于监测数据量不足，目前数据统计基于一年的监测数据，因此在统计结果中呈现一定的跳跃性，而拟合函数遵循理想的自然分布规律。

图6 风速概率密度分布拟合结果对比Fig.6 Comparison between calculated and monitoring results of possibility density distributions of wind speed

图7 浪高概率密度分布拟合结果对比Fig.7 Comparison between calculated and monitoring results of possibility density distributions of wave height

图8 流速概率密度分布拟合结果对比Fig.8 Comparison between calculated and monitoring results of possibility density distributions of current speed

对风、浪、流环境要素之间的影响规律可采用二维最大熵函数进行模拟。对于二维最大熵函数的模拟有多种拟合方式，不同的拟合方式所采用的Couple函数[5]不同。Couple函数的选取需要依据经验和拟合结果对比来确定，本文采用三种常用的Couple函数(Gum， Cla和Fra)对波高和波浪周期组合规律进行模拟，拟合结果如图9～12所示。

图9 波高和周期组合规律统计结果Fig.9 Statistical results of the combination rules of wave height and period

图10 波高和周期组合规律拟合结果(Gum)Fig.10 Calculation results of the combination rules of wave height and period using Gum

图11 波高和周期组合规律拟合结果(Cla)Fig.11 Calculation results of the combination rules of wave height and period using Cla

图12 波高和周期组合规律拟合结果(Fra)Fig.12 Calculation results of the combination rules of wave height and period using Fra

由拟合结果对比可知，利用二维最大熵原理对环境要素组合规律的模拟具有较好的效果，且能够将不同环境要素之间的组合规律定量表示，便于工程技术人员确定不同工况的发生概率，从而合理设计工况，减少设计过程中的不确定性。

4 结 语

通过完成海洋石油112单点监测系泊系统环境监测数据的筛查、整理和分析工作，初步掌握了环境监测数据分析方法，并对该区域海洋环境条件的组合规律有了初步认识，为下一步长期数据的处理、工程应用提供了很好的借鉴。

在海洋石油112作业海域，风速是决定浪高的主导因素之一，风速与波高之间近似符合线性关系，但同时受其他环境因素影响，浪高会在一定范围内小幅振荡；谱峰周期与有义波高呈二次关系，设计过程中可依据此关系对波浪周期进行估算。

根据不同环境要素间的分布规律，结合数值计算，可对系泊系统的疲劳累积损伤进行更为合理的评估，并与设计值进行对比，提高系泊系统的完整性管理水平。利用新的概率分布拟合方法，可提高环境要素的回归极值预报精度，合理确定设计极限工况。利用环境要素间组合规律，量化不同海况发生概率，有助于合理选择设计极限海况，科学降低设计建造成本。

[1] 刘莉峰,赵玉梁.FPSO单点软刚臂系泊监测系统[J].船海工程，2015，44(3)： 83．

[2] 刘水庚.海洋工程水动力学[M].北京： 国防工业出版社，2012.

[3] 陈丽宁,金一丞,任鸿翔,等.海浪绘制中波浪谱的选择和参数计算[J].计算机科学，2013，40(7)： 283.

[4] 陶山山.多维最大熵模型及其在海岸和海洋工程中的应用研究[D].青岛： 中国海洋大学，2013.

[5] 董胜,翟金金,陶山山.基于Archimedean Copula函数的风浪联合统计分析[J].中国海洋大学学报(自然科学版)，2014，44(10)： 134.

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

系泊监测数据分析系统开发及应用研究(HFXMLZ-CY201403)

李牧(1986—)，女，硕士，工程师，主要从事浮体结构方面的研究。