海洋石油112環境條件監測數據的相關性研究

李 牧，田冠楠，李 卓

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

海洋石油112環境條件監測數據的相關性研究

李 牧1，田冠楠1，李 卓2

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

海洋環境因素是影響船體運動的主導因素，因此掌握海洋環境因素對船體運動影響的基本規律，有利于作業者根據環境條件對船體運動情況做出正確的預判斷。應用渤海曹妃甸作業區海洋石油112浮式生產儲卸裝置(FPSO)實船在線監測的環境數據為研究目標，通過最大熵原理及統計分析方法對環境監測數據進行后處理，得到風、浪、流之間的聯合分布及組合規律等相關性研究結果,為FPSO生產決策提供必要的理論依據。

單點監測；極值統計；最大熵；聯合分布；回歸關系

0 引 言

近年來，浮式生產儲油裝置(FPSO)處于海上風浪多變的復雜環境之中，自身存儲原油載重不斷變化，加上FPSO連接外輸油船對船體本身產生拉力，因此FPSO軟剛臂系泊裝置受力情況異常復雜[1]。隨著中海油總公司對單點系泊系統完整性管理重視程度的不斷提高，已經陸續在現役的幾條FPSO加裝在線監測設備，對單點系泊系統的重點部分進行實時監測，實時掌握單點系泊系統的狀態，為作業者提供及時準確的系泊安全性信息，及時對單點潛在危險進行預警，確保單點系泊系統的安全生產。經過監測系統一段時間的運行，已經記錄了大量的實測數據，這些數據的分析處理作為系泊在線監測系統的延續成為亟待研究的課題。

本文以曹妃甸作業區海洋石油112現場環境監測數據的分析研究為重點，介紹了風、浪、流等環境監測數據后處理的分析方法，確定了風、浪、流等環境要素的組合及分布規律，并得到該分析結果在工程實際中應用情況的指導結論。

1 系泊系統組成

海洋石油112系泊系統包括船艏支撐結構、錨鏈、水下軟剛臂、系泊轉盤、轉塔樁基礎等。軟剛臂是三角形框架結構，一端與系泊轉盤連接，另一端與船艏支撐結構相連。軟剛臂及系泊鏈的參數如表1所示。

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

2 理論基礎

2.1 數據分析對象與分析方法

2.1.1風

海洋工程結構物有上部建筑物，通常受風面積很大，且對風很敏感。風產生具有重要影響的平均作用力(對固定式結構是橫傾力矩，對浮動式結構物是平均錨泊力)，同時引起頻率范圍很大的動載荷。

2.1.2浪

海浪的波形、波高、波長及傳播速度等都具有很強的隨機性和不規則性。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，在計算分析過程中認為3h內波浪條件是穩定的，記為一個海況。一個海況可用一系列特征參數來進行描述，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的經驗公式，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在波浪監測過程中已經以30min為一個周期自動對短期的波浪監測數據進行了處理，給出了短期波浪數據的特征參數，因此本次數據分析以波浪的長期統計為主。

2.1.3流

在某一給定近海位置，流是洋流、潮流和風共同作用下表面水團的驅動效應的疊加結果。洋流的周期性約為幾個月的量級，根據地球上海區的不同，潮有一晝夜或半晝夜周期，因此可以認為，在給定的海況中，流速在速度和方向上不隨時間變化。然而，流的強度和方向在不同深度的水層中會發生變化，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。典型洋流可分為風致流、潮汐流、循環流、渦流、孤立流、沿岸流。

2.1.4相關性回歸分析

測量的環境要素相關關系表達方式有三種，即相關表、相關圖和相關系數。相關表是一種反映變量之間相關關系的統計表，將某一變量按其取值的大小排列，然后再將與其相關的另一變量的對應值平行排列，便可得到簡單的相關表。相關圖是用來反映兩個變量之間相關關系的圖，又叫散布圖，用于分析兩測定值之間的相關關系，它有直觀簡便的優點。相關表和相關圖是研究相關關系的直觀工具，它們只能對現象之間存在的相關關系的方向、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，需要計算相關系數。根據相關變量的多少、分析問題的角度不同，相關系數可以分為簡單相關系數、偏相關系數和復相關系數。

2.1.5最大熵原理

19世紀，人們在研究熱力學循環的過程中發現了一種與能量守恒類似的恒定量，稱為熵。經過100余年的發展，熵的概念已拓展到科學研究的各個領域。復雜程度的概念涵蓋了熱力學熵及信息熵，為二者的統一提供了一種方法[4]。

設通信中出現的各種信號xi發生的概率為pi(i=1, …,n)，每次抽樣不確定性(信息熵)的公式為

(1)

且

(2)

對于連續型隨機變量X，設其密度函數為f(x)，則其信息熵定義為

(3)

且

(4)

2.2 監測海洋環境數據介紹

本文主要針對環境監測數據的后處理方法展開，目標數據來源于位于渤海曹妃11-1/2油田的海洋石油112現場監測系統。該系統環境數據的監測內容主要包括風速、風向、氣溫、濕度、氣壓、浪高、波浪周期、浪向、剖面流速和流向。

本文研究內容主要針對風、浪、流三種環境要素。每種環境要素均采用不同的采樣頻率。具體監測內容詳細說明如表2所示。

表2 海洋環境監測數據說明Table 2 Description of the ocean environmentalcondition monitoring data

上述數據來自系統自動保存的原始數據，因此在數據分析過程中根據技術要求進行了必要的甄別和篩查工作。本文采樣數據為2015年2—12月的數據樣本。

3 環境組合規律

風、浪、流的等環境要素具有一定的相關性，各要素之間并非相互獨立的。總結各個環境要素之間的關系，不僅有利于判斷監測數據的準確性，而且有利于在設計過程中設置更為合理的環境工況，減少設計冗余，節約建造成本。

3.1 波浪、風

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

由風速和有義波高的散點圖可知，風速和波高之間大致呈線性關系，對應不同風速的有義波高以中心線為基準在一定范圍內變化。應用最小二乘法擬合得到的結果如圖1中實線所示。擬合曲線也從側面證明了： 在監測海區周圍風速是決定浪高的主導因素之一，但同時受其他環境因素影響，浪高會在一定范圍內小幅振蕩。

圖1 風速與有義波高散點圖Fig.1 Scatter diagram of wind speed versus significant wave height

除此之外，風向和浪向也是設計過程中需要考慮的重要參數。以現有監測數據為基礎得到風向與浪向之間的散點圖，如圖2所示。

由圖2可知，風向和浪向在一定程度上存在線性關系，但并非嚴格遵守這一規律，因此在設計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向采樣頻率為1Hz，而浪向的采樣頻率為0.0006Hz，數據分析過程中采用的平均算法會對分析結果產生一定的影響。建議調整采樣頻率后再進行詳細分析。

圖2 風向與主浪向散點圖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構物所受波浪力的重要因素。從能量角度出發，波高和周期之間必然存在一定的相互關系。如果是規則波，波高和周期之間的相互關系可通過色散關系進行判別，但自然界中波浪多數情況下屬于不規則波，波浪特性需要通過特定的參數進行表征。通常情況下，有義波高和譜峰周期是設計中較為關鍵的參數，挪威船級社(DNV)DNV-RP-C205規范中推薦利用兩者的比例關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系具有較大的實際意義。依據現有監測數據得到譜峰周期和有義波高的散點圖，如圖3所示。

由圖3可知，波高和周期存在一定的非線性關系。利用最小二乘法進行擬合得到的曲線如圖3中實線所示，顯示譜峰周期與有義波高呈二次關系。設計過程中可依據此關系對波浪周期進行估算。

3.2 流、風

流是另外一個重要的環境因素。流的組成成分較為復雜，是洋流、潮流和風共同作用下表面水團的驅動效應的疊加結果。因此，海區不同，流的主導成分也隨之變化。洋流和潮汐流自身均具有一定的規律性，受其他環境因素影響較小，因此此處著重研究風和流之間的相互影響規律。首先研究風速與表面流速之間的影響規律。根據目前風速與表面流速的監測數據得到圖4。

圖4 風速與表面流速散點圖Fig.4 Scatter diagram of wind speed versus surface current speed

圖5 風向與表面流向散點圖Fig.5 Scatter diagram of wind direction versus surface current direction

圖4散點圖結果表明，風速與表面流速之間不存在明顯的相關關系，由此可知在監測區域附近風速不是決定流速的主導因素。為了進一步確定風和流之間的相互影響規律，進一步考慮風向和流向之間的關系。由圖5可知，不論風向如何變化，流向始終以100°～150°和300°～350°兩個方向區間為主，受風向變化影響很小。綜合判斷，在該區域內風并非影響流的主導因素。

3.3 二維最大熵

為滿足工程設計需要，利用最大熵原理來完成對不同環境條件組合規律的模擬。準確模擬不同環境條件之間的組合規律模擬的前提是對單個環境要素的準確模擬。在滿足環境條件概率密度函數約束條件的基礎上，結合實際監測數據，經過嚴密的理論推導，得到風速、浪高、流速的分布規律，如圖6～8所示。

風速、浪高、流速分布規律的擬合較好。誤差主要來源于監測數據量不足，目前數據統計基于一年的監測數據，因此在統計結果中呈現一定的跳躍性，而擬合函數遵循理想的自然分布規律。

圖6 風速概率密度分布擬合結果對比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果對比Fig.8 Comparison between calculated and monitoring results of possibility density distributions of current speed

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

圖9 波高和周期組合規律統計結果Fig.9 Statistical results of the combination rules of wave height and period

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

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

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

由擬合結果對比可知，利用二維最大熵原理對環境要素組合規律的模擬具有較好的效果，且能夠將不同環境要素之間的組合規律定量表示，便于工程技術人員確定不同工況的發生概率，從而合理設計工況，減少設計過程中的不確定性。

4 結 語

通過完成海洋石油112單點監測系泊系統環境監測數據的篩查、整理和分析工作，初步掌握了環境監測數據分析方法，并對該區域海洋環境條件的組合規律有了初步認識，為下一步長期數據的處理、工程應用提供了很好的借鑒。

在海洋石油112作業海域，風速是決定浪高的主導因素之一，風速與波高之間近似符合線性關系，但同時受其他環境因素影響，浪高會在一定范圍內小幅振蕩；譜峰周期與有義波高呈二次關系，設計過程中可依據此關系對波浪周期進行估算。

根據不同環境要素間的分布規律，結合數值計算，可對系泊系統的疲勞累積損傷進行更為合理的評估，并與設計值進行對比，提高系泊系統的完整性管理水平。利用新的概率分布擬合方法，可提高環境要素的回歸極值預報精度，合理確定設計極限工況。利用環境要素間組合規律，量化不同海況發生概率，有助于合理選擇設計極限海況，科學降低設計建造成本。

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

[2] 劉水庚.海洋工程水動力學[M].北京： 國防工業出版社，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計算[J].計算機科學，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用研究[D].青島： 中國海洋大學，2013.

[5] 董勝,翟金金,陶山山.基于Archimedean Copula函數的風浪聯合統計分析[J].中國海洋大學學報(自然科學版)，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

系泊監測數據分析系統開發及應用研究(HFXMLZ-CY201403)

李牧(1986—)，女，碩士，工程師，主要從事浮體結構方面的研究。