自升式鉆井平臺(tái)設(shè)計(jì)專家系統(tǒng)的研究與應(yīng)用

初新杰

（1.中國海洋大學(xué)，山東 青島 266003；2.勝利石油管理局鉆井工藝研究院，山東 東營 257017）

自升式鉆井平臺(tái)是一個(gè)復(fù)雜的綜合性的海洋工程，它工程復(fù)雜、投資大、周期長、風(fēng)險(xiǎn)高。在自升式鉆井平臺(tái)的總體設(shè)計(jì)過程中，要對(duì)大量的信息進(jìn)行處理，需要運(yùn)用多方面的專業(yè)知識(shí)和豐富的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，并需要通過多次反復(fù)的綜合分析計(jì)算，能得到一個(gè)好的設(shè)計(jì)方案。

平臺(tái)的設(shè)計(jì)，要處理復(fù)雜多樣又具有不確定性的數(shù)據(jù)信息，同時(shí)還需要有專家知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)的支持。隨著生產(chǎn)技術(shù)的不斷提高，人工智能技術(shù)的不斷發(fā)展，特別是基于知識(shí)的專家系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的產(chǎn)生和發(fā)展，工程設(shè)計(jì)型專家系統(tǒng)的也得到了廣泛的開發(fā)和應(yīng)用[1]，這使得使用計(jì)算機(jī)代替專家實(shí)現(xiàn)平臺(tái)智能化設(shè)計(jì)成為可能。

1 平臺(tái)數(shù)據(jù)庫建立

1.1 平臺(tái)數(shù)據(jù)庫的特點(diǎn)

自升式鉆井平臺(tái)設(shè)計(jì)專家系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)與常規(guī)的數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)有所不同。常規(guī)的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，多都是工程數(shù)據(jù)庫，用來組織和管理工程設(shè)計(jì)方面大量的非圖形數(shù)據(jù)[2]，本系統(tǒng)是工程設(shè)計(jì)與專家系統(tǒng)的有機(jī)結(jié)合，因此系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫具有自己鮮明的特點(diǎn)。

系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫，括知識(shí)庫和綜合數(shù)據(jù)庫。在系統(tǒng)的運(yùn)行推理過程中，知識(shí)庫為系統(tǒng)提供必需的知識(shí)，幫助系統(tǒng)完成問題的整個(gè)求解過程，數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)本身不發(fā)生改變；綜合數(shù)據(jù)庫主要存取系統(tǒng)運(yùn)行過程中出現(xiàn)的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，包括初始輸入，中間結(jié)果和答案輸出等隨著系統(tǒng)的推理而產(chǎn)生的數(shù)據(jù)。

1.2 數(shù)據(jù)庫體系的組成

數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)用于組織和存取大量數(shù)據(jù)的管理，主要由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)庫描述、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫應(yīng)用程序和用戶組成[3～4]。

（1）計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。包括計(jì)算機(jī)硬件資源和基本軟件資源。硬件資源包括中央處理器、大容量的內(nèi)存和外部存儲(chǔ)設(shè)備。軟件資源包括操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)及應(yīng)用程序等。

（2）數(shù)據(jù)庫。是一個(gè)提供數(shù)據(jù)的基地，能夠保存數(shù)據(jù)并以最佳方式、最少的數(shù)據(jù)重復(fù)，所有允許的應(yīng)用系統(tǒng)所共享。數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，一定的組織形式存儲(chǔ)在一起，構(gòu)成相互有關(guān)的數(shù)據(jù)整體。這種數(shù)據(jù)是一種相對(duì)穩(wěn)定的中間數(shù)據(jù)，其既不同于輸入數(shù)據(jù)，也不同于輸出數(shù)據(jù)。盡管輸出數(shù)據(jù)是從數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)推導(dǎo)產(chǎn)生出來的數(shù)據(jù)，但是它們本身并不是數(shù)據(jù)庫的一部分。

數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫時(shí)，有一定的數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)和文件組織方式。在數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)的定義與應(yīng)用程序分開，數(shù)據(jù)庫的描述是獨(dú)立的。因此數(shù)據(jù)庫可以為多種應(yīng)用程序所使用，達(dá)到數(shù)據(jù)共享的目的。

（3）數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)。包括數(shù)據(jù)庫定義、數(shù)據(jù)的輸入、數(shù)據(jù)庫的操作、數(shù)據(jù)庫的維護(hù)及數(shù)據(jù)庫控制等。本系統(tǒng)采用MSAccess數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)。

（4）應(yīng)用程序。應(yīng)用程序采用Visual Basic程序設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行編寫，程序設(shè)計(jì)語言有相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫接口，并通過數(shù)據(jù)庫接口與數(shù)據(jù)庫相連，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索、插入、刪除或更新等操作。

1.3 數(shù)據(jù)庫的建立

本系統(tǒng)采用數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)MicrosoftOffice Access 2007軟件來創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫，供專家系統(tǒng)調(diào)用、連接和管理，編譯工具是Visual Basic數(shù)據(jù)庫應(yīng)用程序開發(fā)軟件包。系統(tǒng)采用了ADO Data控件和ADO Data對(duì)象來實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)庫的連接和操作

2 自升式鉆井平臺(tái)設(shè)計(jì)推理系統(tǒng)

2.1 自升式鉆井平臺(tái)設(shè)計(jì)專家系統(tǒng)的構(gòu)成

自升式鉆井平臺(tái)設(shè)計(jì)專家系統(tǒng)，據(jù)自身特點(diǎn)的需要，主要包括知識(shí)庫、推理機(jī)、綜合數(shù)據(jù)庫和用戶界面4個(gè)大組成部分。

知識(shí)庫劃分為規(guī)則庫和實(shí)例庫。規(guī)則庫，用以存放該領(lǐng)域的專門知識(shí)；實(shí)例庫，用以存放以往自升式平臺(tái)的數(shù)據(jù)資料。知識(shí)獲取程序，負(fù)責(zé)對(duì)知識(shí)庫的知識(shí)進(jìn)行管理，實(shí)現(xiàn)對(duì)知識(shí)的添加、修改、刪除等功能。知識(shí)庫和知識(shí)獲取程序構(gòu)成了知識(shí)庫系統(tǒng)。

推理機(jī)是執(zhí)行系統(tǒng)的各種任務(wù)，進(jìn)行各種推理或?qū)崿F(xiàn)搜索等功能的程序模塊。比如控制執(zhí)行平臺(tái)主尺度估算、平臺(tái)總質(zhì)量計(jì)算和平臺(tái)性能校核等模塊。

綜合數(shù)據(jù)庫用于存取系統(tǒng)運(yùn)行過程中輸入和產(chǎn)生的所有信息，包括初始輸入條件、中間結(jié)果和解釋過程的預(yù)制文本等信息。數(shù)據(jù)庫的組織、管理和數(shù)據(jù)間的連接都是需要在設(shè)計(jì)時(shí)考慮的重要問題。數(shù)據(jù)的表示和組織與知識(shí)的表示和組織要相容，這是數(shù)據(jù)庫構(gòu)建與知識(shí)庫構(gòu)建需要考慮的問題。

用戶界面是系統(tǒng)與用戶基于文字、圖像的接口，一般包括輸入和輸出兩大部分。解釋過程的預(yù)制文本，也通過用戶界面顯示給用戶。

系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)思想是：在分析整理自升式鉆井平臺(tái)數(shù)據(jù)信息和專門知識(shí)的基礎(chǔ)上，建立規(guī)則庫和實(shí)例庫，依據(jù)自升式鉆井平臺(tái)的設(shè)計(jì)流程，并運(yùn)用知識(shí)庫中的知識(shí)進(jìn)行推理，最后輸出推理結(jié)果，并采用可視化技術(shù)進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，保證人-機(jī)對(duì)話的友好性。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖

2.2 平臺(tái)實(shí)例庫構(gòu)建

實(shí)例庫存放的是事實(shí)性的知識(shí)，是對(duì)以往平臺(tái)數(shù)據(jù)信息的描述。每一條數(shù)據(jù)就是一個(gè)自升式鉆井平臺(tái)的信息。一個(gè)自升式平臺(tái)包含了33個(gè)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)信息包含了平臺(tái)背景、平臺(tái)型式、平臺(tái)船體尺寸、鉆井能力和其他平臺(tái)設(shè)備等。

平臺(tái)數(shù)據(jù)信息利用Microsoft Excel軟件進(jìn)行處理，經(jīng)過分析整理后，形成實(shí)例庫的雛形，最后運(yùn)用Microsoft Office Access數(shù)據(jù)庫軟件導(dǎo)入Excel表中的平臺(tái)信息，形成平臺(tái)母型實(shí)例庫。

2.3 平臺(tái)規(guī)則庫的構(gòu)建

規(guī)則庫的規(guī)則，按照推理過程劃分為5個(gè)主要部分：平臺(tái)選型、主尺度確定、平臺(tái)總質(zhì)量估算、平臺(tái)性能校核和輔助功能。

平臺(tái)選型規(guī)則庫，主要依據(jù)初始設(shè)計(jì)條件和業(yè)主要求，確定平臺(tái)主船體和樁腿的型式；

主尺度確定規(guī)則庫，主要確定主船體和樁腿的尺寸，主要是參考母型船的資料以及相關(guān)的規(guī)范、經(jīng)驗(yàn)公式；

平臺(tái)總質(zhì)量估算規(guī)則庫，主要確定平臺(tái)結(jié)構(gòu)總質(zhì)量、平臺(tái)設(shè)備總質(zhì)量和可變載荷，平臺(tái)結(jié)構(gòu)總質(zhì)量又包括船體總質(zhì)量、樁腿總質(zhì)量和上層建筑總質(zhì)量，平臺(tái)設(shè)備總質(zhì)量和可變載荷由設(shè)計(jì)要求以及經(jīng)驗(yàn)公式給出；

平臺(tái)性能校核規(guī)則庫，主要是校核平臺(tái)的浮性和穩(wěn)性，規(guī)則大多都是計(jì)算公式；

輔助功能規(guī)則庫，主要完成一些平臺(tái)的輔助設(shè)計(jì)工作，例如樁靴的尺寸估算。

將規(guī)則庫按推理過程，分為一個(gè)條件集和多個(gè)規(guī)則集，規(guī)則集中的規(guī)則，主要包括條件和結(jié)論兩部分。

在推理過程中，首先選擇不同的規(guī)則集，并搜索規(guī)則集中規(guī)則的條件部分所引用的來自條件集中的條件，然后再將選定的條件與綜合數(shù)據(jù)庫中的設(shè)計(jì)條件，或者中間數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配，如果條件滿足，則執(zhí)行規(guī)則集中的規(guī)則結(jié)論部分。

2.4 推理機(jī)

自升式鉆井平臺(tái)設(shè)計(jì)專家系統(tǒng)的推理思想為：依據(jù)用戶輸入的已知的初始設(shè)計(jì)條件，主要是設(shè)計(jì)水深等環(huán)境條件和鉆井深度等使用條件，從實(shí)例庫中搜索匹配的母型，確定平臺(tái)型式，獲取主尺度的最初設(shè)計(jì)方案，然后從規(guī)則庫中對(duì)應(yīng)的規(guī)則集中，搜索匹配的規(guī)則，估算平臺(tái)總質(zhì)量；依據(jù)環(huán)境條件數(shù)據(jù)，校核平臺(tái)性能，并分析最初方案的合理性和可行性，通過設(shè)計(jì)者的判斷，可以做出相應(yīng)的修改，把修改后的方案重新進(jìn)行推理，循環(huán)直到求出最優(yōu)解。

推理機(jī)可以分成主尺度確定模塊、平臺(tái)總質(zhì)量估算模塊和平臺(tái)性能校核模塊等3個(gè)大模塊，推理過程按照正向推理的原理，調(diào)用知識(shí)庫中的知識(shí)進(jìn)行問題求解，綜合數(shù)據(jù)庫用來存取推理過程中的初始條件、中間過程和最終結(jié)果等數(shù)據(jù)。

推理過程為：首先輸入設(shè)計(jì)的初始數(shù)據(jù)，并存儲(chǔ)在綜合數(shù)據(jù)庫中，這時(shí)候功能模塊的推理機(jī)開始運(yùn)行，對(duì)規(guī)則的條件部分進(jìn)行匹配，如果匹配失敗，找不到可以執(zhí)行的規(guī)則，則推理結(jié)束；如果匹配成功，則沖突消除并運(yùn)行規(guī)則的結(jié)論部分，并將結(jié)果存儲(chǔ)到綜合數(shù)據(jù)庫中，以便后來規(guī)則的調(diào)用，這時(shí)繼續(xù)下一條規(guī)則的匹配過程，直至遍歷整個(gè)規(guī)則庫。

2.5 綜合數(shù)據(jù)庫的構(gòu)建

綜合數(shù)據(jù)庫主要用來存儲(chǔ)各個(gè)參數(shù)的結(jié)果，沒有推理規(guī)則。各個(gè)模塊的數(shù)據(jù)在Microsoft Office Access軟件中，是以數(shù)據(jù)表的形式來存儲(chǔ)。表是數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的最基本對(duì)象，是一個(gè)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的基礎(chǔ)，在建立了表的基礎(chǔ)上才能建立查詢、窗體和報(bào)表等其他項(xiàng)目，并逐步完善數(shù)據(jù)庫。

3 自升式鉆井平臺(tái)設(shè)計(jì)專家系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

經(jīng)過對(duì)自升式鉆井平臺(tái)設(shè)計(jì)和系統(tǒng)推理機(jī)制的分析，確定了平臺(tái)設(shè)計(jì)推理的結(jié)構(gòu)模塊。圖2是系統(tǒng)的模塊結(jié)構(gòu)圖。

圖2 自升式鉆井平臺(tái)設(shè)計(jì)專家系統(tǒng)總模塊結(jié)構(gòu)圖

采用Visual Basic 6.0程序設(shè)計(jì)語言，實(shí)現(xiàn)了對(duì)后臺(tái)知識(shí)庫和綜合數(shù)據(jù)庫的操控。根據(jù)自升式鉆井平臺(tái)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，程序設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的幾個(gè)求解模塊，并建立友好美觀的用戶界面，把人機(jī)界面、知識(shí)庫和綜合數(shù)據(jù)庫有機(jī)地結(jié)合在一起。

圖3為本系統(tǒng)的MDI窗口，即系統(tǒng)的主界面?？梢钥闯鲋鹘缑婀灿?0個(gè)菜單項(xiàng)，分別為：新建、平臺(tái)主體、平臺(tái)重量、平臺(tái)性能、輔助功能、結(jié)果輸出、查看和維護(hù)數(shù)據(jù)庫、設(shè)置、幫助和關(guān)于。菜單的順序按照平臺(tái)的設(shè)計(jì)過程排列，體現(xiàn)了各個(gè)模塊之間的設(shè)計(jì)繼承性。

圖3 系統(tǒng)主窗口界面

本系統(tǒng)使用API函數(shù)主要實(shí)現(xiàn)推理機(jī)暫停等待、文件或文件夾瀏覽、獲取進(jìn)程句柄等功能。

4 自升式鉆井平臺(tái)設(shè)計(jì)專家系統(tǒng)的應(yīng)用

應(yīng)用自升式鉆井平臺(tái)設(shè)計(jì)專家系統(tǒng)完成了3座平臺(tái)的方案設(shè)計(jì)，流程如下：

4.1 輸入平臺(tái)初始設(shè)計(jì)條件

點(diǎn)擊新建平臺(tái)設(shè)計(jì)方案模塊：將平臺(tái)的初試設(shè)計(jì)條件，輸入到系統(tǒng)的的數(shù)據(jù)庫中，作為推理機(jī)進(jìn)行推理計(jì)算的初始數(shù)據(jù)。

4.2 平臺(tái)主體設(shè)計(jì)

點(diǎn)擊平臺(tái)主體的選型和主尺度設(shè)計(jì)模塊：首先選擇平臺(tái)名稱，系統(tǒng)自動(dòng)從綜合數(shù)據(jù)庫中調(diào)出該平臺(tái)的設(shè)計(jì)參數(shù)作為設(shè)計(jì)的已知條件；然后點(diǎn)擊“查詢”按鈕，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)從實(shí)例庫中搜索匹配設(shè)計(jì)參數(shù)相近的平臺(tái)，設(shè)計(jì)者依據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和實(shí)際情況，選擇一個(gè)合適的平臺(tái)作為母型平臺(tái)；然后是提取母型平臺(tái)的相關(guān)參數(shù)，并且可以手動(dòng)修改這些參數(shù)；檢查完數(shù)據(jù)的合理性以后，將推理出的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)保存到綜合數(shù)據(jù)庫中。

點(diǎn)擊平臺(tái)主體的樁靴和樁腿設(shè)計(jì)模塊：系統(tǒng)推理機(jī)能夠根據(jù)平臺(tái)作業(yè)的地質(zhì)條件和樁腿型式，自動(dòng)推理出合適的樁端型式。點(diǎn)擊“估算”按鈕，系統(tǒng)推理機(jī)進(jìn)入規(guī)則庫的樁腿設(shè)計(jì)規(guī)則子庫，進(jìn)行規(guī)則匹配，并獲取計(jì)算結(jié)果，確定后將所得推理結(jié)果存儲(chǔ)到綜合數(shù)據(jù)庫中。

4.3 平臺(tái)總質(zhì)量估算

點(diǎn)擊平臺(tái)總質(zhì)量的結(jié)構(gòu)質(zhì)量模塊，推理機(jī)根據(jù)平臺(tái)的主尺度數(shù)據(jù)搜索匹配相應(yīng)的規(guī)則，然后計(jì)算出平臺(tái)各部分結(jié)構(gòu)質(zhì)量結(jié)果。設(shè)計(jì)者可以根據(jù)實(shí)際情況修改估算結(jié)果，點(diǎn)擊“確定”可以將結(jié)果保存到綜合數(shù)據(jù)庫中。

點(diǎn)擊平臺(tái)總質(zhì)量的設(shè)備質(zhì)量模塊，計(jì)算平臺(tái)的設(shè)備總質(zhì)量。平臺(tái)設(shè)備種類繁多，很難準(zhǔn)確估算。本系統(tǒng)提供兩種估算方法：

一是輸入詳細(xì)設(shè)備質(zhì)量數(shù)據(jù)，然后分項(xiàng)求和；

二是根據(jù)母型平臺(tái)數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)公式直接估算設(shè)備總質(zhì)量。

其中第二種方法快速簡便，但第一種方法比第二種方法要精確和完整。

點(diǎn)擊平臺(tái)總質(zhì)量的可變載荷模塊，推理機(jī)依據(jù)平臺(tái)匹配規(guī)則估算可變載荷。

4.4 平臺(tái)性能校核

平臺(tái)性能校核模塊首先計(jì)算平臺(tái)的環(huán)境載荷，然后再校核平臺(tái)坐底穩(wěn)性和漂浮穩(wěn)性。如果平臺(tái)性能不滿足條件，則需要修改設(shè)計(jì)方案并重新進(jìn)行設(shè)計(jì)。

4.5 輔助功能設(shè)計(jì)

有了平臺(tái)的主尺度數(shù)據(jù)、總質(zhì)量數(shù)據(jù)和性能數(shù)據(jù)以后，輔助功能模塊以樁靴對(duì)地壓力為控制參數(shù)進(jìn)行樁靴尺寸估算。該模塊可以調(diào)用ANSYS程序精確計(jì)算波流載荷大小，作為環(huán)境載荷計(jì)算模塊估算結(jié)果的參考。

4.6 結(jié)果輸出

在完成平臺(tái)方案設(shè)計(jì)以后，通過該模塊輸出設(shè)計(jì)結(jié)果報(bào)告。

5 結(jié)束語

通過自升式鉆井平臺(tái)設(shè)計(jì)專家系統(tǒng)的研究，建立了一個(gè)完善的、功能強(qiáng)大的知識(shí)庫，在運(yùn)行中調(diào)用數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)信息，同時(shí)識(shí)別和選取知識(shí)庫中有用的知識(shí)，用推理機(jī)進(jìn)行推理，實(shí)現(xiàn)自升式鉆井平臺(tái)總體方案設(shè)計(jì)。

研究成果提供的平臺(tái)實(shí)例庫、規(guī)則庫、綜合數(shù)據(jù)庫以及推理分析程序，為自升式平臺(tái)的方案設(shè)計(jì)和人員培訓(xùn)提供了技術(shù)支持，提高了平臺(tái)設(shè)計(jì)效率，縮短了設(shè)計(jì)周期，增強(qiáng)了競爭力，具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益和工程實(shí)用價(jià)值。

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