基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的海洋石油平臺(tái)溢油在線監(jiān)測(cè)預(yù)警方法

摘要：為提高海洋石油平臺(tái)溢油在線監(jiān)測(cè)預(yù)警的準(zhǔn)確性和及時(shí)性，有效預(yù)防和應(yīng)對(duì)溢油事故，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，提出了一種全新的海洋石油平臺(tái)溢油在線監(jiān)測(cè)預(yù)警方法。首先，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)海洋石油平臺(tái)的動(dòng)態(tài)變化，及時(shí)發(fā)現(xiàn)任何潛在的溢油跡象；其次，根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果，估算溢油量；然后，評(píng)估溢油風(fēng)險(xiǎn)，設(shè)定溢油預(yù)警等級(jí)并制定相應(yīng)的預(yù)警響應(yīng)措施。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所提出的方法在投入應(yīng)用后，溢油預(yù)警準(zhǔn)確率達(dá)到99% 以上，具有較高的可靠性和有效性，能夠更準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)預(yù)警海洋石油平臺(tái)是否存在溢油隱患。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)；海洋；石油；溢油；在線；監(jiān)測(cè)；預(yù)警

中圖分類號(hào)：TE938 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

在科學(xué)技術(shù)與全球經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展的背景下，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)逐步深入應(yīng)用到各個(gè)行業(yè)領(lǐng)域，其中就包括海洋石油工業(yè)。隨著對(duì)石油資源的需求日益增長(zhǎng)，海洋石油開(kāi)采成為重要的能源供應(yīng)來(lái)源。然而，與此同時(shí)，海洋石油平臺(tái)的溢油事故也頻繁發(fā)生，給海洋環(huán)境帶來(lái)了巨大的威脅［1］。海洋石油平臺(tái)溢油事故是該行業(yè)面臨的一大難題，不僅對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重污染，還可能對(duì)人員安全構(gòu)成威脅。為保證海洋石油平臺(tái)的運(yùn)行安全，研究有效的智能監(jiān)測(cè)與預(yù)警方法顯得尤為重要［2］。溢油在線監(jiān)測(cè)預(yù)警方法是一種實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和預(yù)測(cè)溢油事故的技術(shù)手段。其目的是及時(shí)發(fā)現(xiàn)和預(yù)警溢油事故，以便采取有效措施進(jìn)行處置。目前，傳統(tǒng)的溢油監(jiān)測(cè)方法多數(shù)采用視頻監(jiān)控的方法，通過(guò)在海洋石油平臺(tái)上安裝高清攝像頭，實(shí)時(shí)拍攝平臺(tái)周圍的海域，并對(duì)拍攝的視頻進(jìn)行分析后，檢測(cè)是否存在溢油現(xiàn)象。該方法具有直觀、可追溯等優(yōu)點(diǎn)［3］。但是，在實(shí)際應(yīng)用中，該方法受天氣、海浪等因素影響較大，導(dǎo)致監(jiān)測(cè)預(yù)警結(jié)果準(zhǔn)確性較低；另一方面，還存在監(jiān)測(cè)范圍有限、反應(yīng)速度慢等問(wèn)題。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用為解決這些問(wèn)題提供了新的可能性。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)以其強(qiáng)大的數(shù)據(jù)采集、傳輸和處理能力，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)油位、溫度、風(fēng)速等關(guān)鍵參數(shù)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)溢油跡象，為海洋石油平臺(tái)溢油在線監(jiān)測(cè)預(yù)警提供了技術(shù)支持［4］。因此，本文利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，設(shè)計(jì)并實(shí)施一種全新的海洋石油平臺(tái)溢油在線監(jiān)測(cè)預(yù)警方法，以期為減少溢油事故的發(fā)生及其帶來(lái)的損失作出貢獻(xiàn)。

1 海洋石油平臺(tái)溢油在線監(jiān)測(cè)預(yù)警方法

1.1 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的海洋石油平臺(tái)溢油在線監(jiān)測(cè)

海洋石油平臺(tái)溢油在線監(jiān)測(cè)的主要目的是及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在的溢油問(wèn)題，從而為預(yù)警機(jī)制和應(yīng)對(duì)措施提供重要依據(jù)［5］。要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，首先是在海洋平臺(tái)上設(shè)置一套高效可見(jiàn)光視頻監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)不僅是溢油監(jiān)測(cè)的核心設(shè)備，還能提供實(shí)時(shí)、直觀的畫(huà)面，幫助工作人員準(zhǔn)確判斷是否有溢油現(xiàn)象發(fā)生。在完成監(jiān)測(cè)設(shè)備的安裝和調(diào)試后，啟動(dòng)海洋石油平臺(tái)溢油的初始數(shù)據(jù)采集工作。這一階段的數(shù)據(jù)收集至關(guān)重要，因?yàn)樗粌H為后續(xù)的監(jiān)測(cè)提供了基準(zhǔn)，還為判斷溢油趨勢(shì)和模式提供了依據(jù)。數(shù)據(jù)采集是一個(gè)持續(xù)的過(guò)程，需要定期進(jìn)行，以確保能夠及時(shí)捕獲任何潛在的溢油跡象［6］。在采集過(guò)程中，需要特別注意不同天氣和光照條件下數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，因?yàn)檫@些因素可能會(huì)影響可見(jiàn)光視頻監(jiān)控系統(tǒng)的性能。在此基礎(chǔ)上，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，設(shè)計(jì)在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，以確保監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性與有效性，為后續(xù)溢油預(yù)警提供基礎(chǔ)保障。基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)流程如圖1所示。

如圖1所示，首先，在海洋石油平臺(tái)周圍部署一系列的傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)海洋環(huán)境參數(shù)。其次，通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)ZigBee 通信技術(shù)，將可見(jiàn)光視頻監(jiān)控系統(tǒng)與傳感器在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)上傳至控制中心。最后，處理數(shù)據(jù)，包括數(shù)據(jù)分析、加工與保存，及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常情況，初步確定是否有溢油事故發(fā)生以及溢油的嚴(yán)重程度，以便進(jìn)一步處理和決策［7］。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)注重實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸和處理，通常具有更快的反應(yīng)速度，尤其在識(shí)別異常情況和發(fā)出預(yù)警方面表現(xiàn)更好。且物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)整合了多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)，可覆蓋更廣泛的監(jiān)測(cè)范圍，而傳統(tǒng)視頻監(jiān)控會(huì)受設(shè)備位置和視野范圍限制。因此，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相比傳統(tǒng)視頻監(jiān)控系統(tǒng)具有更強(qiáng)的數(shù)據(jù)整合能力和智能化分析能力，可以更好地適應(yīng)多變的監(jiān)測(cè)環(huán)境，提高監(jiān)測(cè)效率。通過(guò)這種方式可以更全面地了解溢油狀況。

在獲得溢油在線監(jiān)測(cè)結(jié)果后，需要對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行深入分析，以掌握油分濃度、油膜面積以及油膜移動(dòng)速度等關(guān)鍵參數(shù)的動(dòng)態(tài)變化。表1為海洋石油平臺(tái)參數(shù)動(dòng)態(tài)變化及說(shuō)明。

表1 中這些參數(shù)的變化趨勢(shì)不僅揭示了溢油的性質(zhì)，還能幫助判斷溢油的來(lái)源以及可能的擴(kuò)散方向。

1.2 海洋石油平臺(tái)溢油量估算

在完成海洋石油平臺(tái)溢油在線監(jiān)測(cè)后，對(duì)溢油量進(jìn)行估算。這一步驟至關(guān)重要，因?yàn)樗粌H提供溢油的具體規(guī)模，還可為后續(xù)的預(yù)警和應(yīng)對(duì)措施提供堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。首先，利用衛(wèi)星遙感，采集海洋石油平臺(tái)溢油遙感圖像。然后，根據(jù)圖像中各個(gè)區(qū)域的顏色和特征差異，將溢油異常區(qū)域細(xì)分為多個(gè)子區(qū)域，以便更準(zhǔn)確地定位溢油的具體位置和范圍，從而提高估算的精度［8］。通過(guò)分析每個(gè)子區(qū)域的特征和屬性，計(jì)算出各個(gè)子區(qū)域的溢油面積。最后，估算各個(gè)子區(qū)域的溢油厚度，進(jìn)而根據(jù)已知的溢油品種的密度，估算出整個(gè)海洋石油平臺(tái)的溢油量。估算公式為

1.3 溢油預(yù)警

根據(jù)海洋石油平臺(tái)溢油量估算結(jié)果，評(píng)估溢油風(fēng)險(xiǎn)，設(shè)定相應(yīng)的預(yù)警等級(jí)并作出預(yù)警響應(yīng)。首先，根據(jù)實(shí)際情況，確定評(píng)估溢油量的范圍，如溢油量的大小、溢出地點(diǎn)的影響范圍等。收集并整理溢油量數(shù)據(jù)，包括溢油量的大小、時(shí)間、地點(diǎn)等。選擇合適的溢油擴(kuò)散模型，根據(jù)實(shí)際情況和數(shù)據(jù)，建立數(shù)學(xué)模型描述溢油的擴(kuò)散過(guò)程［9］。將溢油量、風(fēng)速、海流速度、海水溫度和鹽度等參數(shù)輸入到擴(kuò)散模型中，進(jìn)行模擬計(jì)算，得出溢油在不同時(shí)間的擴(kuò)散范圍，并生成溢油擴(kuò)散圖，從而直觀地展示溢油的擴(kuò)散范圍。根據(jù)模擬結(jié)果和擴(kuò)散圖，確定溢油可能影響的區(qū)域，包括直接擴(kuò)散范圍、可能漂浮物影響的范圍等。根據(jù)擴(kuò)散模型和模擬結(jié)果，計(jì)算溢油的擴(kuò)散系數(shù)D。該參數(shù)用于描述溢油在海水中的擴(kuò)散速度，從而評(píng)估溢油風(fēng)險(xiǎn)。計(jì)算公式為

式中：u為海洋石油平臺(tái)對(duì)流速度；?p為海洋石油平臺(tái)壓力梯度。

一般來(lái)說(shuō)，較大的溢油擴(kuò)散系數(shù)對(duì)應(yīng)的溢油風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)較高。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)溢油擴(kuò)散系數(shù)設(shè)定溢油預(yù)警等級(jí)并制定相應(yīng)的預(yù)警響應(yīng)措施，如表2 所示。

按照表2 所設(shè)定的預(yù)警等級(jí)，對(duì)海洋石油平臺(tái)的溢油情況作出實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)預(yù)警。在具體應(yīng)用中，可以根據(jù)溢油擴(kuò)散系數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)，動(dòng)態(tài)調(diào)整預(yù)警等級(jí)，并及時(shí)發(fā)布預(yù)警信息［10］。同時(shí)，為了提高溢油預(yù)警的準(zhǔn)確性和可靠性，需要不斷完善溢油監(jiān)測(cè)和預(yù)警流程，確保在緊急情況下能夠迅速、有效地應(yīng)對(duì)溢油風(fēng)險(xiǎn)。

2 實(shí)驗(yàn)分析

2.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

為了驗(yàn)證基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的海洋石油平臺(tái)溢油在線監(jiān)測(cè)預(yù)警方法的可行性和有效性，選擇S 海洋石油平臺(tái)作為實(shí)驗(yàn)研究對(duì)象。該平臺(tái)是一座大型石油鉆井平臺(tái)，屬于固定式鉆井平臺(tái)，具有重要的生產(chǎn)能力，同時(shí)也面臨著發(fā)生溢油事故的風(fēng)險(xiǎn)。根據(jù)平臺(tái)結(jié)構(gòu)和溢油風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估情況，在海洋石油平臺(tái)的以下關(guān)鍵區(qū)域部署傳感器。這些傳感器能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)相關(guān)參數(shù)。傳感器部署情況如表3所示。

表3中的所有傳感器均采用無(wú)線傳輸方式，并基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)中心。設(shè)定數(shù)據(jù)采集頻率為每2s 一次，以確保數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性。在數(shù)據(jù)中心，利用大數(shù)據(jù)分析和人工智能技術(shù)，對(duì)采集的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析。通過(guò)本文設(shè)計(jì)的在線監(jiān)測(cè)預(yù)警流程，對(duì)溢油事故進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和預(yù)警。

2.2 結(jié)果分析

將采用本文提出的基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的海洋石油平臺(tái)溢油在線監(jiān)測(cè)預(yù)警方法的組別設(shè)置為實(shí)驗(yàn)組，采用文獻(xiàn)［3］、文獻(xiàn)［6］提出的預(yù)警方法的組別分別設(shè)置為對(duì)照組1與對(duì)照組2。利用MATLAB軟件模擬實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地各裝置溢油過(guò)程，根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求設(shè)置溢油類型，包括油輪泄漏、輸油管道破裂、儲(chǔ)油罐泄漏、鉆井平臺(tái)井噴等，標(biāo)號(hào)分別為01～04，以模擬海洋石油平臺(tái)溢油場(chǎng)景。安裝數(shù)據(jù)采集設(shè)備，以確保能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)模擬溢油事件的發(fā)展情況和溢油的影響范圍。

傳感器采集到的部分溢油事件發(fā)生時(shí)的數(shù)據(jù)如圖2所示。從圖2中可以看出，在9s左右，溫度出現(xiàn)異常波動(dòng)且超出安全范圍，油罐內(nèi)油位驟然下降，壓力陡然升高，升幅超過(guò)32 MPa。這表明傳感器可以有效檢測(cè)異常情況，從而為后續(xù)的海洋石油平臺(tái)溢油預(yù)警提供依據(jù)。

在實(shí)驗(yàn)期間，分別對(duì)實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組的預(yù)警數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，并進(jìn)行整理和分析。根據(jù)模擬情況，判定實(shí)驗(yàn)期間發(fā)生的溢油事件是否為真實(shí)預(yù)警事件。實(shí)驗(yàn)中共預(yù)警300次，根據(jù)準(zhǔn)確預(yù)警次數(shù)，計(jì)算實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組的預(yù)警準(zhǔn)確率。通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組的預(yù)警準(zhǔn)確率，分析物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)方法在提高預(yù)警準(zhǔn)確率方面的優(yōu)勢(shì)。海洋石油平臺(tái)溢油預(yù)警準(zhǔn)確率對(duì)比結(jié)果如表4 所示。

從表4中的對(duì)比結(jié)果可以得知，本文提出的在線監(jiān)測(cè)預(yù)警方法表現(xiàn)出良好的性能優(yōu)勢(shì)，對(duì)4 種溢油類型的預(yù)警準(zhǔn)確率明顯高于另外兩種預(yù)警方法，且均達(dá)到99% 以上。這表明本文提出的方法具有較高的可靠性和有效性，能夠更準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)和識(shí)別海洋石油平臺(tái)溢油隱患，且性能表現(xiàn)更好，可以為采取相應(yīng)的溢油預(yù)防和應(yīng)對(duì)措施提供有力的支持。

3結(jié)論

通過(guò)引入物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，對(duì)海洋石油平臺(tái)溢油在線監(jiān)測(cè)預(yù)警方法展開(kāi)了研究?；谖锫?lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)海洋石油平臺(tái)的動(dòng)態(tài)變化，估算溢油量并進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，設(shè)定溢油預(yù)警等級(jí)并制定相應(yīng)的預(yù)警響應(yīng)措施。這不僅實(shí)現(xiàn)了對(duì)海洋石油平臺(tái)動(dòng)態(tài)變化的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，還可以根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行溢油量估算和風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)評(píng)估。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法在實(shí)際應(yīng)用中表現(xiàn)出極高的準(zhǔn)確性和可靠性，溢油預(yù)警準(zhǔn)確率高達(dá)99% 以上，具有較高的實(shí)用價(jià)值和應(yīng)用前景。