基于动态贝叶斯网络的深水防喷器操作安全性评估开题报告.doc

中国石油大学（华东）毕业设计开题报告基于动态贝叶斯网络的深水防喷器操作安全性评估学生姓名： 张云卫 学 号： 08066106 专业班级： 机自08-3指导教师： 刘永红2012年3月15日1 研究的目的及意义目前，陆地上的石油开采基本上达到了一个饱和的状态，产量不会有太大的增加。石油勘探开发已经逐步向深水海域进军，深水井控技术，由于直接关系到油气井施工的人身、财产安全和海洋环境保护，得到了前所未有的重视1。深水防喷器组是深水井控技术的关键技术，是保证深水钻井作业安全最关键的设备，其作用是在发生井喷、井涌时控制井口压力，在台风等紧急情况下钻井装置撤离时关闭井口，保证人员、设备安全，避免海洋环境污染和油气资源破坏。由于深海抢险、逃生和救援极为困难，因此对深水防喷器组的技术性能和安全性要求非常高2。2010年4月20日，发生在美国墨西哥湾的井喷事件中，正是由于深水防喷器失效，使井喷无法得到有效的控制，造成人员伤亡、钻井平台沉没，大量油气喷入海中，引起附近海域严重的生态灾难和资源浪费，并且造成了巨额经济损失。与用于陆地上或非浮式钻井平台所用的防喷器不同，深水防喷器组安装于数百至数千米水深的海底井口上。这大大增加了深水防喷器系统的复杂性，也提高了保证防喷器操作安全性的难度。所以，对深水防喷器操作安全性进行评估，显得十分重要。2 国内外研究现状2.1 深水防喷器的研究现状目前，国内防喷器生产主要集中在宝鸡石油机械厂、江苏信得石油机械厂、华北石油荣盛机械制造有限公司、上海申开厂等厂家，生产的产品包括环形防喷器、闸板防喷器、各类阀件、带压作业装置等，已经基本上实现了系列化、规模化生产，满足了国内井控市场的需求。设计制造方面，国内普遍采用CAD技术建造三维模型，对壳体、胶芯、闸板等关键组件，使用有限元分析软件进行模拟仿真，研究关键部位的失效机理，获得了较好效果。此外，通过改进加工工艺、引入先进的检测设备如声发射仪、数字UT仪等，大大提高了防喷器的质量和生产效率。在水下防喷器领域，国内以前仅研制过“勘探一号”钻井船的水下防喷器,通径为340mm，工作压力为15MPa，只能用于浅水低压工况。近十几年来国内陆上防喷器技术发展较快，研制出105MPa防喷器组、变径闸板(压力70Mpa)、剪切闸板、闸板液压锁紧装置等，广泛用于陆地和海上油田。但用于深水钻井的大通径高压防喷器组还是空白，在产品的操作性能、可靠性、防腐技术方面还不能满足深水作业的要求3。近二十年来，美国三大公司在水下防喷器的设计、材料、制造、检测试验等方面取得很大技术进展，产品的操作性、适用性、可靠性都有很大提高。Cameron公司的TL型闸板防喷器，主要零件为锻件，承压可靠、结构紧凑。VBR-型变径闸板胶芯的变径范围大，耐温可达121，固定闸板的耐温可达177。Nov Shaffer公司的NXT型闸板防喷器侧门为无螺栓结构，更换闸板方便，整机高度低。Hydrilll公司的Quik-Loq闸板防喷器侧门采用快开结构，可快速更换闸板，GX型环形防喷器采用平衡活塞设计，适用于深水作业，其环形胶芯耐温最高可达132。与国外公司的防喷器相比，国产防喷器在种类、性能、技术含量等方面还存在一些差距，在国际市场上毫无竞争力。主要有以下几个方面：(1) 在大口径超高压防喷器的研制方面，国内起步晚、基础差。由于工艺水平有限，大多数主要承压件壳体采用铸钢件。而在铸造工艺过程中，一些微量的有害元素无法剔除，因此毛坯质量不高，造成成品率低，返修率高，在一定程度上影响了防喷器的安全稳定性，在钻井过程中容易产生生产事故。而目前国外采用锻造工艺制造壳体承压件，生产出的毛坯具有重量轻、可靠性高、材料性能好等众多优点。(2) 国产防喷器组产品的功能不全面，针对水下防喷器的研究较少。目前，国内还没有厂家能够独立生产水下防喷器组，对在沙漠、海洋等恶劣自然环境中使用的防喷器，国内产品在耐高低温、耐腐蚀性能和材料强度等方面均达不到要求，仍需从国外高价进口耐腐蚀不锈钢防喷器；对于深水防喷器组内的液压连接器、挠性接头等设备的研究，国内更是处于空白，产品几乎完全依靠进口。(3) 在加工设备方面差距也很大，国外生产厂家已经采用大型数控机床来进行防喷器的关键零部件精加工，而在国内，仍然采用普通机床，人工加工关键零部件，精度高低可想而知。(4) 防喷器一些关键密封件受制造工艺水平、材料性能的限制，在使用过程中寿命较低，安全性能低，无法满足深水等恶劣环境下的密封要求，尤其是高压、大通径的密封件目前多数无法自行研制生产，主要来自进口4-7。由于国外对防喷器装备研究比较早，技术成熟，他们已经经过了三个技术发展阶段，第一阶段为手动控制闸板防喷器，第二阶段为液动控制闸板防喷器和加上环形防喷器的组合出来的防喷器组，第三阶段仍为液动防喷器，但是此时他们研制出来的防喷器已经由简单的低压、小通径、简单的结构转化为高压、大通径、可变通径和不断完善的结构。目前国外先进厂家正在开发、完善第四代产品即井下防喷器。总体来说，由于深水防喷器组控制系统的研制难度大，投入多，风险高，国内对这方面的研究还处于空白。国外的生产制造技术也为Cameron、Hydril和Shaffer等少数外国公司垄断。我国为了开采南海深水石油，研制自主产权的深水防喷器及其控制系统已是刻不容缓。2.2 动态贝叶斯网络的研究现状贝叶斯网络一般指静态贝叶斯网络，它是一种帮助人们将概率统计应用于复杂领域、进行不确定性推理和数据分析的工具。它起源于人工智能领域的研究，近年来对众多其它领域也产生了重要影响。随着人工智能的发展，尤其是机器学习、数据挖掘等兴起，为贝叶斯理论的发展和应用提供了更为广阔的空间。贝叶斯理论的内涵也比以前有了很大变化。20世纪80年代，贝叶斯网络用于专家系统的知识表示，20世纪90年代进一步研究可学习的贝叶斯网络，用于数据挖掘、机器学习和预测8。从技术层面讲，贝叶斯网络是一种系统地描述随机变量之间关系的语言。构造贝叶斯网络的主要目的是进行概率推理，即计算一些事件发生的概率。要在一些随机变量之间进行概率推理，理论上只需要一个联合概率分布即可。但是，联合概率分布的复杂度相对于变量个数成指数增长，所以当变量众多时不可行。贝叶斯网络的提出就是要解决这个问题，它把复杂的联合概率分布分解成一系列相对简单的模块，从而大大降低了知识获取的难度和概率推理的复杂度，使得人们可以把概率论应用于大型问题。贝叶斯网络作为图形模型的一种，具有图形模型的大多数性质。它是概率理论和图论相结合的产物。它提供了一种自然的工具，可以用来处理贯穿于应用数学和工程中的两个问题一不确定性和复杂性。尤其是在机器学习算法设计和分析方面扮演着越来越重要的角色。图形模型的模块化概念将一个复杂系统分成了简单的组成部分，概率理论提供了各个部分联合起来的粘合剂，保证系统作为整体是一致的，并提供了模型到数据的接口。图形模型的图论部分则提供了直观的界面，通过它人们可以将高度互动化的变量集和数据结构模型化，并可以被用来设计有效的通用算法。贝叶斯网络构成了一个有向图模型，而不同于其它知识表示框架(例如:基于规则的系统、神经网络)那样试图对知识推理的过程进行建模。贝叶斯网络实际上是在模拟潜藏在境中起作用的因果机制。概率知识和在网络中的因果知识可以被贝叶斯网络有效的表示和处理。这种贝叶斯网络的在联想方面的方便性可以用来对于认知方面的任务进行建模，如物体识别、阅读理解、时态预测。对于这种任务，贝叶斯网络为调整从下向上和自上而下两种推理之间的关系提供了一种一致的语义学定义，这样就给高级概念和低级概念之间的信息交流架起了桥梁。这种能力可以使得系统在进行实际观测前能够选择有最大信息量的观测9-10。近年来,静态贝叶斯网络广泛应用在多个领域,例如Microsoft公司采用该方法解决了Windows系统的打印机故障,医疗领域中采用该方法进行疾病的诊断等。但是静态贝叶斯网络不能解决有关时序的问题,即未考虑实际动态系统各个时刻状态间的相互影响。为了描述实际动态系统的状态变化,一些学者提出DBN理论。对于随时间变化的动态系统，静态系统中的许多方法在动态系统中不能直接使用，要如何改进以推广到动态系统，其研究尚处于初期阶段。主要的困难在于动态系统复杂性，使得静态系统中一些成熟方法无法处理这种具有多种复杂情况的随机过程，这就需要针对复杂系统的特点研究动态系统的特点研究全新或改进的方法来处理。DBN理论的研究无论在国外还是国内都是比较新的课题，近两年开始有一些文章和研究，较深入的研究文章则发表较少。现有的研究主要完成了将BN学习和推理的基本原理推广到动态系统、联合树算法扩展到动态系统和在平稳的情况下对动态离散数据的学习等。例如结构学习方面的搜索网络状态空间并给每次搜索结果打分的学习机理，就直接在动态系统中采用；推理的联合树算法在时间轴上展开计算扩展到动态系统；在动态系统中对取有限个离散值的数据的学习中采用经典统计方法对数据进行处理再用贝叶斯统计方法进行学习。此外，还有一些文章涉及线性动态系统，这是将网络中的节点之间的作用或依赖关系处理成普通的线性回归关系。这方面的研究成果已有不少，主要针对的是比较简单的模型，如HMM模型和卡尔曼过滤模型在时间轴上延展的动态系统以及他们的系数化、开关化、耦合化模型等变形形式。在他们模型上按照线性回归关系设计的推理算法是专用的，往往只能用于本身类别的动态模型。从时态序列角度分析DBN，也取得了阶段性成果。时态序列分析和分类研究已经有几十年的历史，研究了许多技术，如信号处理、计算机影像和财政学等技术，可以对不同的时间序列进行分析和分类。例如，卡尔曼滤波估测是在连续状态线性动态系统估测的基础上进行的，而隐马尔科夫模型在离散状态的分类方面做得非常出色，并成功用于连续语音识别和在线手写体识别系统中，在生物信息学中也广泛应用。从时态序列的角度来看，LDS中的估测和HMM中的推理都可以看成是DBN的特殊情况外，内容结构上也可以应用确切和近似的统计推理和学习技术。从BN模型到时间序列的模型化，已经研究出很多新方法，去推理新型而复杂的时态模型，如因子HMM、转换状态空间模型、混合DBN等。由于不同的网络结构及拓扑形式，已经出现了与这些结构相对应的诸多推理算法，如将DBN看成一个静态网络，直接应用静态网络交叉树算法进行推理，或将复杂DBN转换成标准HMM进行推理，或直接应用临界算法、边缘算法等现成的DBN推理算法进行推理等。如何针对性的选择这些算法，提高DBN的高效性是一个关键问题。动态贝叶斯网络11, 12是普通贝叶斯网络在时间领域的拓展，即在原来网络结构上加上时间属性的约束。所以说动态贝叶斯网络依然是一个又向无环图，它可以用来表示因果关系、先后关系、条件关系。一般来说，它可以通过常识或专家知识来构造，但对于不太熟悉的领域，通常常识来构造是不太可能的，因此出现了从大量样本数据中挖掘网络结构的算法，即动态贝叶斯网络的结构学习，或称为动态贝叶斯网络的发现。现在的应用并不多，也还不够深入，主要在语音识别、说话人识别、人的姿态测定、视频跟踪、视频获取、大信息量处理、虚拟盆景等方面做了一些初步的研究。它是一种相对年轻的方法，尤其在处理时序数据、表达多层知识方面有着深厚的理论支持并具有较强的优势。近年来，越来越多的研究者开始研究如何从大量样本数据中发现贝叶斯网络，提出了诸多的学习算法，由于动态贝叶斯网络与贝叶斯网络的相似性及关联性，故这些学习算法的很多思想亦可推广至动态贝叶斯网络发现。BN理论是较新的研究领域，对静态BN的研究尚有待进一步完善，国外对DBN的研究处于初期阶段，国内涉及到DBN的研究则更少。到目前为止，对变量取连续值的DBN结构学习研究尚处于探索时期，还没有较深入的文章论及。现有的研究表明，由于非平稳随机动态系统本身的复杂性，将静态BN的一些方法拓展到动态系统遇到了许多困难，也使得对DBN的研究进展缓慢13-15。3 课题的研究目标、研究内容3.1研究目标目前为止，国内外关于动态贝叶斯网络在深水防喷器操作安全性评估中的应用几乎没有，本课题尝试将动态贝叶斯网络引入深水防喷器操作安全性评估中，促进动态贝叶斯网络理论的研究与应用，以及其在深水防喷器操作安全性评估方面的发展。综合运用动态贝叶斯网络对深水防喷器操作的安全性进行评估，并结合软件NETICA进行相互验证，找出其中对安全性影响较大的因素，从几个主要方面归纳原因，并对以后的防喷器的设计或操作提出一些改进方案。3.2研究内容(1) 历史数据的收集与整理。(2) 对影响操作安全性的各种因素进行分类。(3) 根据各种因素，分别对其建立动态贝叶斯网络模型，最后进行整合，建立整个系统的动态贝叶斯网络。(4) 取模型中的案例利用这种方法对其进行推理分析。(5) 通过软件NETICA进行验证。(6) 最后，给出结论，并有针对性地提出改进措施或建议。4 课题拟采取的研究方法(1) 由于这方面的工作国内研究的较少，历史数据的收集较困难。主要是通过咨询一些深水防喷器方面专家，根据他们提供的一些资料以及经验来收集与整理。(2) 贝叶斯网络中通常有五类影响因素，包括人为因素、硬件因素、软件因素、机械因素和液压因素。根据深水防喷器的操作流程，首先建立系统的主贝叶斯网络，对其进行分析，将各因素具体化，并找出其概率分布。(3) 利用NETICA软件，通过添加节点和有向边，延时边以及概率函数，对各因素建立动态贝叶斯网络。(4) 运用动态贝叶斯网络的一些算法比如前向后向算法等，取其中的一个案例比如紧急脱断系统（EDS），进行推理分析。(5) 通过NETICA软件，对所建立的模型进行不确定性分析，敏感性分析等多种推理，找出各影响因素的重要程度。(6) 对分析结果进行整理，给出相应结论。5 课题的计划进度和预期成果 5.1课题的计划进度3-6周学习静态贝叶斯网络，完成开题报告。7-8周对影响深水防喷器操作的因素进行分类，分别建模，最后建立整个系统的模型。9-10周取其中某一案例，运用静态贝叶斯网络的理论进行分析，并用软件NETICA相互验证。11-12周在基本掌握静态贝叶斯网络的情况下，学习动态贝叶斯网络。13-14周取其中某一案例，运用动态贝叶斯网络的理论进行分析，并用软件NETICA相互验证。15-17周最后对结果进行分析，给出相应结论，提出一些关于如何提高深水防喷器操作安全性的建议。18-19周对前面工作进行整理，撰写论文，准备答辩。5.2预期的研究成果建立系统的动态贝叶斯网络模型，对某一案例进行分析，找出对深水防喷器操作安全性影响较大的因素，并针对性的提出一些改进方案。参考文献1 段明星, 李明亮. 深水防喷器系统可靠性探讨J. 中国造船, 2010, 12:2972 李博, 张作龙. 深水防喷器组控制系统的发展J. 流体传动与控制, 2008, 29(4):39 3 刘翔. 3000m深水下防喷器组可靠性研究D. 中国石油大学, 2010.4 孙振刚. 防喷器参数化设计及仿真技术研究D. 中国石油大学, 2009.5 王道宝. 闸板防喷器可靠性研究D. 中国石油大学, 2010.6 李三平. 国产防喷器生产技术现状与发展趋势J. 石油科技论坛, 2006:54 7 苏尚文, 许宏奇. 我国防喷器技术进展与发展方向J. 石油机械, 2001:101-1078 李海军, 马登武, 刘霄等.贝叶斯网络理论在装备故障诊断中的应用M. 北京: 国防工业出版社, 2009: 58-5