浮式平台预警参数选取及阈值实时确定

苏云龙，白雪平，李 达，陈勇军

(1.中海油研究总院有限责任公司，北京 100028;2.北京迪玛尔海洋技术有限公司,北京 100085)

0 引 言

随着海洋资源开采逐步从近浅海区域走向远深海区域，海洋环境条件变得越来越恶劣，海洋平台及其人员的安全是平台设计和作业的第一考虑因素。为确保人员和设备的安全，保证生产正常进行，对平台进行实时监测和预警管理显得尤为重要。

预警管理是根据系统的特点，通过监测收集系统运行的相关数据，监控关键参数的实时状态，并判断其是否超出预警范围，然后发出相应的警示信号。预警管理的步骤[1-2]一般包括：(1)预警参数与指标的梳理；(2)相关数据的收集与监测；(3)预警阈值的建立；(4)风险识别与分析；(5)风险应对防范机制等。

海洋油气浮式生产平台常规监测系统的预警功能只是简单地设置一个绝对的预警范围，与实际监测到的海洋环境条件无关。这样即使监测到的数据与相应的环境条件不匹配甚至异常，但由于没有超出预设的预警范围，系统不会主动报警，从而可能错失真正的警示信息。阈值的实时确定是基于监测到的环境条件，通过实时计算得到阈值，可有效避免可能的误报和漏报情况。

1 浮式平台预警参数的选取与确定

1.1 浮式平台监测

随着海洋油气开发活动逐步走向深远海地区，环境条件变得越来越恶劣，随之而来的事故时有发生。严重的事故不仅造成经济损失和环境污染，而且还造成人员伤亡。为了降低事故风险，需要对平台进行现场监测和预警管理。

目前，全世界的海洋油气浮式生产平台均配置一体化海洋监测系统(Integrated Marine Monitoring System，IMMS)用于现场实时监测海洋环境、平台姿态、系泊张力等参数[3]，其主要组成如图1所示。IMMS不仅为现场作业提供决策支持，而且为平台的异常监测值提供预警管理。

注：PLC为可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller)图1 一体化海洋监测系统的组成

1.2 预警参数选取

海洋油气浮式生产平台在生命周期内会遇到各种各样的风险，其中与平台总体性能相关的风险包括：(1)平台转角过大导致甲板进水甚至平台倾覆；(2)平台位移过大导致系泊系统或立管系统出现故障；(3)系泊缆张力过大导致断裂失效，从而造成平台位移过大，甚至相邻系泊缆断裂。

造成上述风险的原因[4]主要包括环境条件恶化、人为操作失误、设备自身故障和设计缺陷等。为了及时发现危险并识别和确认原因，从而降低事故发生概率和严重性，须对相关参数进行预警管理。针对上述总体性能相关风险，选择以下监测参数作为预警管理的研究对象：平台转角、平台位移和系泊缆张力。

由于监测传感器可能会间歇性失灵导致参数监测值超出预警范围发生“假警”，因此对监测数据的预警除了针对实时监测值外，还包括均值、时间变化(方差)、空间变化(如同一时间点相邻缆监测读数的差异)等[5-8]。均值相对比较稳定，易于判断异常状态；时间变化和空间变化则可用于确认预警和识别预警原因。

1.3 预警阈值建立

预警阈值建立的基本理念是避免不必要的“假警”(即误报)，同时不错过可能的“真”预警(即漏报)。为了避免计算得到的阈值过小，对于阈值需设置下限值，如果计算得到的阈值小于下限值，便采用下限值作为阈值。不管环境条件如何，若平台响应低于此下限值，则系统不会报警。同时，为避免计算得到的阈值过大而错过对恶劣响应的预警，也需设置阈值上限值，若计算得到的阈值大于上限值，则采用上限值作为阈值。不管环境条件如何，如果平台响应超过此上限值，系统便产生报警。预警阈值的下、上限值为根据经验、作业要求和规范要求等事先设置的绝对阈值。

监测参数的预警状态为正常(绿色)、一般预警(橙色)和严重预警(红色)等3个级别。对于平台位移和转角，预警仅针对上限值，监测值越大，则风险越大；对于系泊缆张力，预警也同时针对下限值，监测值过小也可能意味着系泊故障或处于危险之中(如聚酯缆段与海底接触)。

传统监测系统自带的预警功能比较单一，仅简单地设置上下限绝对阈值，与实际环境条件无关，易造成温和环境中的漏报和恶劣环境中的误报。所提出的预警阈值的建立方法基于实时监测到的环境条件(回归期)计算得到，有利于降低误报和漏报发生的概率。预警算法先将监测到的环境参数实测数据转换成相应的回归期，然后利用平台响应与回归期的拟合关系计算得到预警阈值。

1.4 环境回归期计算

回归期(Return Period)又叫重复期，是一个事件重复发生的时间间隔，是根据历史数据进行统计分析得到的结果。回归期N(单位：年)与事件每年发生一次的概率p的关系为

(1)

事件在一年里不发生的概率为1-p。假设事件每次发生均为独立事件，与先前是否发生无关，那么连续N年不发生的概率为(1-p)N。N年里至少发生一次的概率PE为

PE=1-(1-p)N

(2)

例如，对于百年一遇的环境(回归期N=100 a)，每年发生的概率为1%，在100 a内至少发生一次的概率为 1-(1-1%)100=63.4%。

根据历史记录数据，海洋环境参数的发生概率和极值预估一般可以用韦布尔分布来拟合。对于随机变量x≥0,其韦布尔累计分布函数F(x)为

(3)

式中：λ为比例参数，λ>0；k为形状参数，k>0。

对于监测极值x，对应的不超过概率PNE和回归期N为

(4)

(5)

考虑到海洋环境的随机性，先前发生的事件不影响后来事件的发生概率，则假设k=1，从而得到回归期N与环境监测极值x的指数函数关系为

N=aexp(bx)

(6)

式中：a和b为基于拟合得到的因数。

2 浮式平台预警阈值确定实例分析

目标平台为1座位于1 500 m水深的半潜式油气生产平台，其布置如图2所示。为了较准确地确定预警阈值，需要对平台性能进行各种数值计算，充分了解平台在各种海洋环境中的响应。分析1 a、5 a、10 a、50 a、100 a等5个不同的环境回归期。

图2 平台及系泊布置示例

2.1 环境回归期计算

基于平台所在区域的历史环境数据及环境回归期RP与环境参数的拟合关系，通过最小二乘法拟合得到的结果如表1所示。

表1 最小二乘法拟合计算结果

由于平台响应峰值会滞后于环境参数峰值，因此上述环境参数的监测值采用实时计算时间点前3 min 内的极值。由于3个环境参数基于监测值计算得到的回归期不同，保守起见，假设环境的回归期为三者中的最大值。图3为环境回归期与有义波高Hs的拟合关系曲线，其指数-线性关系非常强(拟合优度R2>0.99)，符合式(6)的推论。环境回归期与风速和流速的拟合关系类似。

图3 有义波高与环境回归期的拟合关系

2.2 平台响应预估

用于预警管理的平台关键响应参数包括位移、转角和系泊缆张力等。基于5个不同环境回归期的时域耦合计算结果,采用二次函数对环境回归期的对数进行拟合，得到响应极值和均值与环境回归期的关系如图4～图6所示，其中R2>0.99表明拟合效果非常好。

图4 平台位移与环境回归期的关系

图5 平台转角与环境回归期的关系

图6 系泊张力与环境回归期的关系

对于系泊缆，在同一时间点相邻系泊缆张力差别最大值与环境回归期的拟合关系如图7所示。

图7 相邻系泊缆张力区别最大值与环境回归期的关系

2.3 预警阈值确定

浮式平台响应预警阈值的实时计算与确定基于第2.2节中平台响应统计值与环境回归期的关系。根据实时监测的环境参数计算环境回归期，从而预估平台的响应极值和均值。由于数值计算存在一定的不确定性，尤其是统计极值与计算输入的随机种子有关，因此在进行预警阈值计算时，需要采用一定的放大(保守)因数。对于实时监测值，放大因数分别为1.1(橙色)和1.2(红色)；对于均值，由于相对比较稳定，放大因数分别为1.05(橙色)和1.10(红色)。

综上所述，目标平台响应预警阈值的确定范围如表2所示。表2中：最大值Yu和最小值Yl为基于环境回归期拟合公式计算得到的平台响应预估值；绝对数字为第1.3节所述阈值的上下限值。

表2 预警阈值确定范围

以平台位移预警阈值的建立为例：

(1) 如果海上环境很温和，位移实时监测值虽然可能超过计算得到的预警阈值，但只要低于10 m，就无须报警，即如果实时监测值<10,则无须报警。

(2) 如果海上环境很恶劣，位移实时监测值虽然可能低于计算得到的预警阈值，但只要超过69.1 m，须进行红色报警，即如果实时监测值>69.1，则红色报警。

(3) 对于其他环境条件：若监测值>1.1Yu，则进行橙色报警；若监测值>1.2Yu，则进行红色报警。

基于上述海洋环境回归期的计算、平台响应的预估以及预警阈值的确定，平台的预警管理步骤如下：(1) 通过平台IMMS获取实时环境参数值和平台响应值；(2) 通过第2.1节的拟合关系，计算环境回归期；(3) 通过第2.2节的拟合关系和表2，确定预警参数的阈值；(4) 比较平台响应实时监测值和相应的预警阈值，进行相应的报警。(5) 基于平台响应均值、方差、差异值等，分析识别确认预警原因，如系泊缆断裂、舱室进水等；(6) 基于警示的严重性和预警原因，推荐相应的消警措施，如进行系泊或压载调节。

3 结 论

以某深水浮式平台为例，在详细的数值计算基础上，拟合回归得到了环境参数和平台响应与回归期的关系。基于尽可能避免误报和漏报的理念，提出基于监测到的环境条件(回归期)的平台响应预警阈值实时计算方法。预警阈值实时确定的研究成果对深水浮式平台的监测和预警管理有一定的参考价值和借鉴作用。