海洋石油平台智能化转型升级关键技术分析

邓 燕 刘志芳 宫俭纯 高树凤

（海洋石油工程股份有限公司）

“中国制造2025”的国家战略方针要求加快海洋工程装备的智能化转型升级， 智能化海洋石油平台是海洋石油发展的必由之路。 目前海洋石油平台已基本实现自动化、 数字化、 可视化、网络化和空间化，在此基础上可通过人工智能、大数据及计算机云等技术，对油气田海量数据进行分析，完成资源的实时调配、生产自动运行、故障预判与处理、风险预警，实现海洋石油平台的智能化运行和管理。 笔者基于海洋石油平台的现状， 探讨平台智能化转型升级的技术关键点和难点。

1 海洋石油平台智能化系统架构

海洋石油平台智能化系统的整体架构如图1所示，智能化海洋石油平台的基础首先应是构建安全、可扩展、灵活的大数据系统，将平台海量历史数据和实时数据采集、提取出来。 海洋石油平台的数字化、 自动化为大数据的获取奠定了基础，通过平台现有的PCS、ESD 和FGS 系统，就可以收集大量的工艺过程数据和生产管理经验数据，以后还可以发展平台智能巡检机器人［1］，通过合理配置视频监控，照明设备予以辅助，智能巡检机器人可以采集现场声音， 对开关指示灯、状态信号灯和仪表设备进行图像识别，对一次设备进行红外测温，与实现数据自动采集的三大系统配合，做到全方位、全天候监控，通过连续信息流掌控生产实时动态。

2 海洋石油平台大数据信息化

平台运维数据采集完成后，实现大数据信息化是智能化转型必不可少的一步，中心平台对油田群产生的数据进行集成和整合，各平台在本地局域网中完成数据的采集和签发，数据传输给全局数据库，数据供各作业公司和安全管理部门查询使用，使类型多样、地域不同的平台的关键数据实现信息共享，建立数据适配口，对数据进行统一的预处理、存储和管理。 全局数据库需要通过建立智能化系统将数据分类归纳到不同的数据子集，检查样本数据的自动采集，做到全方位监控质量是否满足模型构建需求， 是否存在缺失、异常，通过分析异常值变化规律，找出拐点信息并绘制出变化趋势图，利用大数据分析、计算机云等技术进行整合分析与利用，整理并推论出有价值的信息和规律。

3 建立海洋石油平台智能化专家系统

图1 海洋石油平台智能化系统的整体架构

海洋石油平台智能化系统是基于海洋石油平台开发的专家系统， 建立包括检测、 诊断、预测、决策和执行功能的专家系统是海洋石油平台智能化转型升级的关键点和难点。 专家系统是以推理机和相应的知识库为核心的计算机系统［2］，专家系统的知识库是海洋平台专业领域知识的存储器，积累了丰富的工艺、结构、机械、配管、仪表、电气、通信及防腐等方面的专业知识和信息，它包括共有理论知识、常识、特有的经验知识、设备维护保养和操作手册、 故障历史和测量记录、设备制造和设计参数、 平台建造之初的设计文件、平台后期改扩建信息、专业经验、理论知识及平台建造安装维护的标准规范等。 通过知识库将经验丰富的设计、维修和技术人员宝贵的现场经验保存下来， 即使这些人员调离现场生产岗位，留存在知识库中的专业知识还能传承下来，继续指导现场生产维保，避免这些宝贵的专业处理实践知识流失。 专家系统对所获得的信息进行编辑， 形成数据结构存入计算机而形成知识库，知识库既有所有平台的通用知识，也有专属某一平台的专用知识，可以建立通用知识库和专用知识库。 通用知识库在后续平台智能化过程中可以扩展使用。 推理机根据全局数据库，从知识库中选择匹配成功的可用规则，并通过可用规则修改数据库中的内容，直至推理出问题的结论，并通过建立与推理机相适应的领域知识库，生成模型系统， 并扩展为实用系统——工艺流程管理系统、设备管理信息系统和设备故障诊断系统。 工艺流程管理系统根据平台生产运行实时数据，能及时甚至于早期就发现工艺偏差，分析偏差产生的原因、可能导致的潜在工艺危害，提供相关设计操作维护信息， 采取相应保护措施和安全措施，对处理过程和结果存储，进行专家库案例积累。 设备管理信息系统可以对所有海域的海洋平台的在线、离线设备进行日常巡检管理、劣化倾向管理、故障处理管理、工单管理、备品备件管理、出入库管理和设备档案管理。 设备故障诊断系统根据平台设备运维数据来分析感知设备运行状态，及时发现设备潜在运行隐患，当特征值出现能耗异常或峰值时，参考设备运行状态规则、设备特征信号的属性来判断设备当前的运行状态是否正常。 根据设备故障类型规则，通过对特征信号属性的信息融合，判断设备是否出现故障，诊断出设备是哪一类型故障， 哪个部件出现了故障，故障严重等级程度， 应采取的维修保养措施等，并预测设备由于自然磨损或者其他机械和人为原因发生的变化及变化趋势，由传统的预防性维修转变为预知性智能维修， 预测是否需要配件，通过设备管理信息系统查询配件是否有备件，并出具详细的维修工单。

4 建立海洋石油平台工艺、设备的模型及运行规则

海洋石油平台属于易燃易爆危险环境，工艺过程既有物理变化也有化学反应， 复杂多变，高温高压，工艺流程长，耦合度高，建模复杂。 建立适合海洋石油平台工艺、设备的模型及运行规则是整个专家系统重点研究的部分。 对于一些难以用数学模型建模的问题可以考虑用语义形式表达，能更有效地表达专家控制技能和经验，方便处理常规控制方法和故障处理方法难以解决的不确定对象的控制和故障解除问题。 专家系统将各种监测方式获取的生产实时动态信息、工艺状态信息和各类设备运行信息经相应的信息分析方法处理后以数据结构的形式存储在数据库中，专家库中的模型自动调入需要分析的数据，根据模型的特征进行处理提取，并将提取的特征值存储在专家库中，对平台工艺、设备系统进行多状态多维度监测评定，通过特征信号的属性判断出当前的运行状态是否异常，出现特征值异常或警戒峰值时需分析判断生产工艺流程、设备是否出现问题，调用平台设计文件、案例库，结合模拟软件，自动选择出合适的处理流程，还可以模拟流程处理的过程，预见处理结果，进一步优化流程方法，找出最优的处理方案。 每次处理的结果也存入案例库中，案例库是专家进行决策的数理参考和理论支撑，平台成功处理案例存储在专家系统内部一个专门的案例库中，提供给专家系统进行决策。 针对平台数学模型复杂、多变、非线性及滞后等特点，可以采用最相邻算法、归纳引导策略、神经网络算法、模糊逻辑算法及遗传算法等检索匹配算法进行检索［3，4］。参照相似案例选择解决该异常问题的处理方法。 在分析、筛选的基础上， 专家系统还可以建立预测模型进行预测分析，通过数据之间的相互关系、模型和先进算法，预测判断出设备、流程的变化，将分析的过程和结果可视化。 每一次问题的处理都形成一个闭环知识库， 对同类问题处理相关特征值进行比较，得到趋势图，再综合工艺流程、设备运行数据及维护检修记录等状态变化信息，反向修正运行模型，通过数据累积，不断优化模型［5］。 通过日积月累的数据不断自我学习对模型进行修正完善，升级调整优化，达到及时准确评判平台生产运行状态、设备运行状态和运行趋势的目的。 随着模型处理存储越来越丰富， 处理方法越来越成熟，专家系统对工艺设备、流程故障判断和处理会越来越准确，时间会越来越短。

5 结束语

建立智能化海洋石油平台是一个长期的系统工程，以物联网、移动互联网、云计算及大数据等信息网络技术的发展为支柱。 海洋石油平台智能化也是一项需要四海平台参与，陆地终端支持，逐步推进， 由一系列目标高度一致又相互独立执行的任务组成的系统工程， 是既需要依靠专业知识又需要各类专家经验指导的综合性系统， 既需要严谨的理论支撑， 又需要参与人员的创造性和发散性思维。 海洋石油平台在智能化过程中不仅要考虑系统的功能性、完整性，同时还要考虑系统的通用性、扩展性和兼容性。 在不远的将来，海洋石油四海区域还可以借助广接入、 大宽带、 低时延5G 网络覆盖操作控制与管理的全过程，实现办公室与现场装置语音、 图像及视频等远程终端互联互通，实现海洋石油平台的智能操作与控制。