自升式钻井平台设计专家系统的研究与应用

2011-03-28初新杰

装备制造技术 2011年8期

初新杰

（1.中国海洋大学，山东青岛 266003；2.胜利石油管理局钻井工艺研究院，山东东营 257017）

自升式钻井平台是一个复杂的综合性的海洋工程，它工程复杂、投资大、周期长、风险高。在自升式钻井平台的总体设计过程中，要对大量的信息进行处理，需要运用多方面的专业知识和丰富的设计经验，并需要通过多次反复的综合分析计算，能得到一个好的设计方案。

平台的设计，要处理复杂多样又具有不确定性的数据信息，同时还需要有专家知识和经验的支持。随着生产技术的不断提高，人工智能技术的不断发展，特别是基于知识的专家系统设计方法的产生和发展，工程设计型专家系统的也得到了广泛的开发和应用[1]，这使得使用计算机代替专家实现平台智能化设计成为可能。

1 平台数据库建立

1.1 平台数据库的特点

自升式钻井平台设计专家系统的数据库设计与常规的数据库设计有所不同。常规的数据库系统，多都是工程数据库，用来组织和管理工程设计方面大量的非图形数据[2]，本系统是工程设计与专家系统的有机结合，因此系统的数据库具有自己鲜明的特点。

系统的数据库，括知识库和综合数据库。在系统的运行推理过程中，知识库为系统提供必需的知识，帮助系统完成问题的整个求解过程，数据库数据本身不发生改变；综合数据库主要存取系统运行过程中出现的动态数据，包括初始输入，中间结果和答案输出等随着系统的推理而产生的数据。

1.2 数据库体系的组成

数据库系统用于组织和存取大量数据的管理，主要由计算机系统、数据库、数据库描述、数据库管理系统、数据库应用程序和用户组成[3～4]。

（1）计算机系统。包括计算机硬件资源和基本软件资源。硬件资源包括中央处理器、大容量的内存和外部存储设备。软件资源包括操作系统、数据库管理系统及应用程序等。

（2）数据库。是一个提供数据的基地，能够保存数据并以最佳方式、最少的数据重复，所有允许的应用系统所共享。数据库中的数据，一定的组织形式存储在一起，构成相互有关的数据整体。这种数据是一种相对稳定的中间数据，其既不同于输入数据，也不同于输出数据。尽管输出数据是从数据库中的数据推导产生出来的数据，但是它们本身并不是数据库的一部分。

数据存入数据库时，有一定的数据库结构和文件组织方式。在数据库系统中，数据的定义与应用程序分开，数据库的描述是独立的。因此数据库可以为多种应用程序所使用，达到数据共享的目的。

（3）数据库管理系统。包括数据库定义、数据的输入、数据库的操作、数据库的维护及数据库控制等。本系统采用MSAccess数据库管理系统。

（4）应用程序。应用程序采用Visual Basic程序设计软件进行编写，程序设计语言有相应的数据库接口，并通过数据库接口与数据库相连，实现对数据库进行检索、插入、删除或更新等操作。

1.3 数据库的建立

本系统采用数据库管理系统MicrosoftOffice Access 2007软件来创建数据库，供专家系统调用、连接和管理，编译工具是Visual Basic数据库应用程序开发软件包。系统采用了ADO Data控件和ADO Data对象来实现对数据库的连接和操作

2 自升式钻井平台设计推理系统

2.1 自升式钻井平台设计专家系统的构成

自升式钻井平台设计专家系统，据自身特点的需要，主要包括知识库、推理机、综合数据库和用户界面4个大组成部分。

知识库划分为规则库和实例库。规则库，用以存放该领域的专门知识；实例库，用以存放以往自升式平台的数据资料。知识获取程序，负责对知识库的知识进行管理，实现对知识的添加、修改、删除等功能。知识库和知识获取程序构成了知识库系统。

推理机是执行系统的各种任务，进行各种推理或实现搜索等功能的程序模块。比如控制执行平台主尺度估算、平台总质量计算和平台性能校核等模块。

综合数据库用于存取系统运行过程中输入和产生的所有信息，包括初始输入条件、中间结果和解释过程的预制文本等信息。数据库的组织、管理和数据间的连接都是需要在设计时考虑的重要问题。数据的表示和组织与知识的表示和组织要相容，这是数据库构建与知识库构建需要考虑的问题。

用户界面是系统与用户基于文字、图像的接口，一般包括输入和输出两大部分。解释过程的预制文本，也通过用户界面显示给用户。

系统的总体设计思想是：在分析整理自升式钻井平台数据信息和专门知识的基础上，建立规则库和实例库，依据自升式钻井平台的设计流程，并运用知识库中的知识进行推理，最后输出推理结果，并采用可视化技术进行程序设计，保证人-机对话的友好性。系统结构如图1所示。

图1 系统的结构图

2.2 平台实例库构建

实例库存放的是事实性的知识，是对以往平台数据信息的描述。每一条数据就是一个自升式钻井平台的信息。一个自升式平台包含了33个数据，数据信息包含了平台背景、平台型式、平台船体尺寸、钻井能力和其他平台设备等。

平台数据信息利用Microsoft Excel软件进行处理，经过分析整理后，形成实例库的雏形，最后运用Microsoft Office Access数据库软件导入Excel表中的平台信息，形成平台母型实例库。

2.3 平台规则库的构建

规则库的规则，按照推理过程划分为5个主要部分：平台选型、主尺度确定、平台总质量估算、平台性能校核和辅助功能。

平台选型规则库，主要依据初始设计条件和业主要求，确定平台主船体和桩腿的型式；

主尺度确定规则库，主要确定主船体和桩腿的尺寸，主要是参考母型船的资料以及相关的规范、经验公式；

平台总质量估算规则库，主要确定平台结构总质量、平台设备总质量和可变载荷，平台结构总质量又包括船体总质量、桩腿总质量和上层建筑总质量，平台设备总质量和可变载荷由设计要求以及经验公式给出；

平台性能校核规则库，主要是校核平台的浮性和稳性，规则大多都是计算公式；

辅助功能规则库，主要完成一些平台的辅助设计工作，例如桩靴的尺寸估算。

将规则库按推理过程，分为一个条件集和多个规则集，规则集中的规则，主要包括条件和结论两部分。

在推理过程中，首先选择不同的规则集，并搜索规则集中规则的条件部分所引用的来自条件集中的条件，然后再将选定的条件与综合数据库中的设计条件，或者中间数据进行匹配，如果条件满足，则执行规则集中的规则结论部分。

2.4 推理机

自升式钻井平台设计专家系统的推理思想为：依据用户输入的已知的初始设计条件，主要是设计水深等环境条件和钻井深度等使用条件，从实例库中搜索匹配的母型，确定平台型式，获取主尺度的最初设计方案，然后从规则库中对应的规则集中，搜索匹配的规则，估算平台总质量；依据环境条件数据，校核平台性能，并分析最初方案的合理性和可行性，通过设计者的判断，可以做出相应的修改，把修改后的方案重新进行推理，循环直到求出最优解。

推理机可以分成主尺度确定模块、平台总质量估算模块和平台性能校核模块等3个大模块，推理过程按照正向推理的原理，调用知识库中的知识进行问题求解，综合数据库用来存取推理过程中的初始条件、中间过程和最终结果等数据。

推理过程为：首先输入设计的初始数据，并存储在综合数据库中，这时候功能模块的推理机开始运行，对规则的条件部分进行匹配，如果匹配失败，找不到可以执行的规则，则推理结束；如果匹配成功，则冲突消除并运行规则的结论部分，并将结果存储到综合数据库中，以便后来规则的调用，这时继续下一条规则的匹配过程，直至遍历整个规则库。

2.5 综合数据库的构建

综合数据库主要用来存储各个参数的结果，没有推理规则。各个模块的数据在Microsoft Office Access软件中，是以数据表的形式来存储。表是数据库存储数据的最基本对象，是一个数据库系统的基础，在建立了表的基础上才能建立查询、窗体和报表等其他项目，并逐步完善数据库。

3 自升式钻井平台设计专家系统程序设计

经过对自升式钻井平台设计和系统推理机制的分析，确定了平台设计推理的结构模块。图2是系统的模块结构图。

图2 自升式钻井平台设计专家系统总模块结构图

采用Visual Basic 6.0程序设计语言，实现了对后台知识库和综合数据库的操控。根据自升式钻井平台的设计特点，程序设计实现系统的几个求解模块，并建立友好美观的用户界面，把人机界面、知识库和综合数据库有机地结合在一起。

图3为本系统的MDI窗口，即系统的主界面。可以看出主界面共有10个菜单项，分别为：新建、平台主体、平台重量、平台性能、辅助功能、结果输出、查看和维护数据库、设置、帮助和关于。菜单的顺序按照平台的设计过程排列，体现了各个模块之间的设计继承性。

图3 系统主窗口界面

本系统使用API函数主要实现推理机暂停等待、文件或文件夹浏览、获取进程句柄等功能。

4 自升式钻井平台设计专家系统的应用

应用自升式钻井平台设计专家系统完成了3座平台的方案设计，流程如下：

4.1 输入平台初始设计条件

点击新建平台设计方案模块：将平台的初试设计条件，输入到系统的的数据库中，作为推理机进行推理计算的初始数据。

4.2 平台主体设计

点击平台主体的选型和主尺度设计模块：首先选择平台名称，系统自动从综合数据库中调出该平台的设计参数作为设计的已知条件；然后点击“查询”按钮，系统会自动从实例库中搜索匹配设计参数相近的平台，设计者依据设计经验和实际情况，选择一个合适的平台作为母型平台；然后是提取母型平台的相关参数，并且可以手动修改这些参数；检查完数据的合理性以后，将推理出的设计数据保存到综合数据库中。

点击平台主体的桩靴和桩腿设计模块：系统推理机能够根据平台作业的地质条件和桩腿型式，自动推理出合适的桩端型式。点击“估算”按钮，系统推理机进入规则库的桩腿设计规则子库，进行规则匹配，并获取计算结果，确定后将所得推理结果存储到综合数据库中。