深海半潛式平臺上部模塊布局關(guān)鍵技術(shù)綜述

楊 強(qiáng)，李金棟，王維旭，肖文生

(1.工業(yè)和信息化部 產(chǎn)業(yè)發(fā)展促進(jìn)中心，北京 100846；2.中國石油大學(xué)(華東) 機(jī)電工程學(xué)院， 山東 青島 266580；3.寶雞石油機(jī)械有限公司，陜西 寶雞 712002)

我國陸上石油資源日漸枯竭，向海洋進(jìn)軍已成必然趨勢，深海油氣資源的勘探開發(fā)對國家能源戰(zhàn)略具有重要意義[1]。海洋平臺作為海洋油氣開采的關(guān)鍵設(shè)備，其設(shè)計(jì)和建造技術(shù)代表著國家海洋石油裝備的最高水平。按照功能劃分，海洋平臺主要分為鉆井平臺和生產(chǎn)平臺。鉆井平臺上裝有鉆井、動力、通訊、導(dǎo)航等設(shè)備，以及安全救生和人員生活設(shè)施。生產(chǎn)平臺主要用于海洋油氣的開采、處理和外輸?shù)?。相比鉆井平臺，生產(chǎn)平臺裝有各種油氣處理設(shè)備。按照海洋平臺的運(yùn)動形式劃分，平臺可分為固定式和浮動式。浮動式平臺因其適用海域更為廣闊，越來越多地被用于深海和偏遠(yuǎn)油氣田的開發(fā)，而浮動式平臺以半潛式平臺最為常見。作為海洋油氣開發(fā)的重要依托[2]，深海半潛式平臺具有較強(qiáng)的抗風(fēng)浪能力、巨大的甲板面積和超大裝載量，適應(yīng)海域廣闊，且具有穩(wěn)定性好、運(yùn)動性能佳等諸多優(yōu)點(diǎn)[3-4]。因此，深海半潛式鉆井平臺和深海半潛式生產(chǎn)平臺是目前深海油氣開發(fā)的關(guān)鍵裝備。

深海半潛式平臺的處理量大、功能齊全、設(shè)備繁多，如何獲得合理的設(shè)備和管路布置方案是深海半潛式平臺設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容。平臺布局問題通常涉及平臺作業(yè)工藝，平臺穩(wěn)性、安全逃生、操作維護(hù)等工程約束，并做到設(shè)備有序排列，管道短、無干涉，節(jié)約甲板空間，如何設(shè)計(jì)出符合工程約束且安全經(jīng)濟(jì)的平臺布局方案也是目前平臺設(shè)計(jì)的難點(diǎn)之一。以前，海洋平臺布局方案的確定多依賴設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)，其設(shè)計(jì)周期長、效率低、工作量大且很難得到最優(yōu)的布局方案。因此，針對深海半潛式平臺上部模塊開展布局優(yōu)化方法研究是目前海洋工程界中重點(diǎn)關(guān)注的研究方向，對提高海洋平臺的設(shè)計(jì)效率、節(jié)約設(shè)計(jì)成本、提高平臺穩(wěn)性以及合理空間利用率等方面具有重要意義。

1 海洋平臺設(shè)備布局優(yōu)化概述

海洋平臺的設(shè)備布局屬于復(fù)雜系統(tǒng)布局問題。海洋平臺布局問題[5]是一種在給定的分層布局空間中合理地布置若干待布物，同時滿足油氣處理工藝流程、平臺穩(wěn)性、安全逃生路徑、有序排列、管道短且無干涉，操作維護(hù)等工程約束，甲板空間占用少等的約束，屬于某些評價指標(biāo)達(dá)到最優(yōu)或較優(yōu)狀態(tài)的多約束、多目標(biāo)優(yōu)化空間布局或三維布局問題。復(fù)雜三維布局涉及到機(jī)械、計(jì)算機(jī)和數(shù)學(xué)等多種學(xué)科交叉，理論描述復(fù)雜，建模和求解困難，難以達(dá)到工程實(shí)用，具有計(jì)算復(fù)雜性、工程復(fù)雜性和工程實(shí)用化三重難度。因此，對這些復(fù)雜工程系統(tǒng)的布局優(yōu)化方法及其工程實(shí)用化途徑和技術(shù)的研究已經(jīng)成為亟待解決的問題。

目前，帶性能約束的布局問題的求解方法主要有啟發(fā)式算法[6]，演化算法[7]，人工智能方法(例如專家系統(tǒng)，基于事例推理Agent)[8]、圖論法[9]、協(xié)同設(shè)計(jì)和多層優(yōu)化[10]、虛擬設(shè)計(jì)等[11]、多學(xué)科方法以及成組技術(shù)[12]等。

國外在帶性能約束三維布局方面進(jìn)行廣泛系統(tǒng)研究，并進(jìn)行部分工程實(shí)用化。美國Carnergie Mellon大學(xué)Cagan[13]教授研究了帶性能約束的發(fā)動機(jī)艙、熱力泵的布局設(shè)計(jì)問題，其采用懲罰函數(shù)法和數(shù)值優(yōu)化算法，直接處理此類布局問題。Braun等[14]采用多層協(xié)同優(yōu)化方法處理單級軌道運(yùn)載火箭的布局設(shè)計(jì)問題。美國Clemson大學(xué)Fadel[15]教授研究了一類衛(wèi)星艙布局設(shè)計(jì)相類似的帶性能約束的配置設(shè)計(jì)問題。

國內(nèi)在帶性能約束三維布局問題方面研究較早的是黃文奇、詹叔浩的擬物法[16]，晏敏等提出的專家系統(tǒng)、方圖法[17]。對三維布局研究較多是大連理工大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)和國防科技大學(xué)等，其中大連理工大學(xué)自1995年到2017年有多篇博士論文研究衛(wèi)星、飛船等飛行器布局[18]，設(shè)計(jì)方法主要有多種改進(jìn)遺傳算法、人機(jī)交互算法、協(xié)同算法等多種方法。

在海洋平臺布局設(shè)計(jì)領(lǐng)域，國內(nèi)的研究處于初期階段，中國石油大學(xué)(華東)在該領(lǐng)域進(jìn)行了一定研究。岳吉祥[19]針對深水鉆機(jī)系統(tǒng)的設(shè)備布局，提出基于生產(chǎn)流程層次分解布局法。楊軼普[20]提出空間向心法，基于鉆井工藝流程，以鉆井中心為核心將平臺劃分為4大層次，不同層次進(jìn)行總體布局規(guī)劃。魯桂榮[21]建立了半潛式鉆井平臺上甲板鉆井設(shè)備布局的數(shù)學(xué)模型，并用遺傳算法完成了布局優(yōu)化。魏可可[22]在魯桂榮的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步完善了半潛式鉆井平臺上甲板鉆井設(shè)備布置的數(shù)學(xué)模型，應(yīng)用遺傳-模擬退火算法對鉆井平臺布局問題進(jìn)行求解。田雪等[23]將遺傳算法與模擬退火算法結(jié)合，求解深水鉆井平臺上甲板布局問題，如圖1所示。王逢德等[24]針對海洋鉆機(jī)系統(tǒng)布局優(yōu)化問題，提出一種雜交動態(tài)慣性權(quán)重粒子群算法，并將約束條件作為目標(biāo)函數(shù)，獲得的布局方案完全符合鉆井作業(yè)要求，并且該方案主輔井口布置合理，占用空間小。吳磊等[25]通過在基本遺傳算法中融合父子三分排位和直接選擇機(jī)制，設(shè)計(jì)了一種自適應(yīng)遺傳算法，并將其應(yīng)用于半潛式鉆井平臺鉆井設(shè)備布局優(yōu)化問題，通過仿真結(jié)果可知，該方法所獲得布局方案的橫向偏移量滿足設(shè)計(jì)要求。此外，針對帶有中心塊的二維矩形塊最小化問題，吳磊等[26-27]分別提出2種不同的改進(jìn)啟發(fā)式中心塊布局算法，并利用該算法求解了半潛式生產(chǎn)平臺油氣水處理系統(tǒng)設(shè)備布局優(yōu)化問題(如圖2)，驗(yàn)證了所提算法的實(shí)用性和高效性。

圖1 深水半潛式鉆井平臺設(shè)備布局方案

目前，海洋平臺的設(shè)備布局方案在實(shí)際設(shè)計(jì)時主要依賴設(shè)計(jì)師經(jīng)驗(yàn)而定，理論依據(jù)和指導(dǎo)相對較為缺乏。以半潛式生產(chǎn)平臺為例，此平臺是集聚大量設(shè)備、管路的復(fù)雜大系統(tǒng)，甲板層數(shù)多，甲板布局涉及采油、外輸、油氣處理、動力、安全和公用設(shè)施等諸多系統(tǒng)設(shè)備，并尤以油氣處理系統(tǒng)的布局最為復(fù)雜和重要?？傮w布局既要滿足油氣生產(chǎn)的需要，又要滿足平臺總體性能的需要。

圖2 深水半潛式生產(chǎn)平臺油氣水處理系統(tǒng)設(shè)備布局方案

2 管路布局優(yōu)化概述

管路布局設(shè)計(jì)是指在滿足各種約束的前提下，規(guī)劃出一條連接起點(diǎn)與終點(diǎn)路徑的過程。設(shè)計(jì)過程中，管路與艙壁、設(shè)備、過道、已鋪設(shè)管路等不發(fā)生干涉，并且滿足物理約束、經(jīng)濟(jì)約束、安全約束、維修約束、操作約束等各項(xiàng)性能約束條件。由于布局空間及約束的復(fù)雜性，管路布局設(shè)計(jì)在技術(shù)上一直是一個難點(diǎn)。

管路布局設(shè)計(jì)問題的研究經(jīng)歷了由二維布管發(fā)展到三維布管，簡單約束發(fā)展到多目標(biāo)、多約束，單管路發(fā)展到分支管路、多管路的過程。CY Lee[28]提出了一種求解平面上兩點(diǎn)間最短路徑的方法——迷宮算法(Maze Algorithm)，Lee算法或網(wǎng)格擴(kuò)散法，本質(zhì)是基于波擴(kuò)散原理的逐點(diǎn)搜索法。Chang PY等[29]提出一種迷宮路由算法，應(yīng)用于芯片布線設(shè)計(jì)，以滿足納米布線規(guī)則；陳鷹等[30]應(yīng)用該方法求解液壓管路的布局問題；樊江等[31]對迷宮法進(jìn)行改進(jìn)，并結(jié)合最小斯坦納樹生成法求解航空發(fā)動機(jī)外部管路布局問題。為克服迷宮法的缺陷，Hightower提出逃逸算法；Schmidt-Traub[32]將此方法應(yīng)用于廠房管路布局；Burdorf也應(yīng)用該方法成功求得廠房中最優(yōu)管路[33]。Zhu算法又稱動態(tài)規(guī)劃法，最早將其應(yīng)用于管路布局設(shè)計(jì)的是David Zhu和Jean-Claude Latombe，其思想是基于機(jī)器人的路徑尋優(yōu)，管路路徑為機(jī)器人走過的路徑。

智能優(yōu)化算法作為一種新興的優(yōu)化技術(shù)，近年來受到了越來越廣泛的重視。智能優(yōu)化算法在處理復(fù)雜的多約束非線性優(yōu)化問題時具有很好的魯棒性，目前已被成功應(yīng)用于很多優(yōu)化問題中。因此，應(yīng)用智能優(yōu)化算法解決管路布局問題也逐漸成為近年來管路布局領(lǐng)域的一個熱點(diǎn)研究方向[34]。密歇根大學(xué)的John H. Holland科研組，受生物界自然選擇和進(jìn)化的啟發(fā)，提出了遺傳算法。經(jīng)過多年發(fā)展，遺傳算法因其魯棒性、并行性和隨機(jī)性，已被廣泛應(yīng)用于求解管路布局優(yōu)化問題，結(jié)果顯示了遺傳算法的有效性和高效性。最典型的是日本的Teruaki Ito[35]，其應(yīng)用于二維管路布局設(shè)計(jì)，并取得良好進(jìn)展。國內(nèi)最早將遺傳算法應(yīng)用于管路布局的是樊江教授，他將其應(yīng)用于航空發(fā)電機(jī)管路布局設(shè)計(jì)[36]；伊鵬等將遺傳算法應(yīng)用于海上平臺泥漿管匯布局設(shè)計(jì)[37]；沈龍澤[38]在其基礎(chǔ)上對遺傳算法進(jìn)行改進(jìn)，提出基于可控干預(yù)的模擬退火遺傳管路布局算法，完成泥漿管匯布局設(shè)計(jì)；高躍峰[39]基于遺傳算法，對船舶機(jī)艙管路的自動布置方法進(jìn)行研究；王運(yùn)龍等[40]基于人機(jī)合作理論，通過改進(jìn)遺傳算法，將人工解與算法解結(jié)合起來，對船舶管路三維布置問題進(jìn)行優(yōu)化。

M.Dorigo等人首先提出蟻群算法[41]，其思想來源于自然蟻群覓食行為。范小寧[42]首先將蟻群算法應(yīng)用于船舶管路布局優(yōu)化設(shè)計(jì)中，將布局空間柵格化處理，建立蟻群管路布局系統(tǒng)，提出信息素更新方式、局部搜索方法，并與協(xié)同進(jìn)化算法結(jié)合，構(gòu)建了解決多管路布局的多蟻群協(xié)作式協(xié)同進(jìn)化算法；鄔君[43]將蟻群算法與協(xié)同進(jìn)化算法結(jié)合，應(yīng)用于分支管路布局優(yōu)化設(shè)計(jì)；曲艷峰等[44]提出一種動態(tài)蟻群算法，應(yīng)用于三維管路布局，提高了收斂速度、增強(qiáng)了全局尋優(yōu)能力；田雪[45]基于蟻群算法設(shè)計(jì)了滿足多個約束條件的三維管路布局優(yōu)化方法，并將其成功應(yīng)用于半潛式生產(chǎn)平臺，如圖3所示。此外，付宜利等[46]分別應(yīng)用粒子群算法與混濁算法對機(jī)電產(chǎn)品的管線布局問題進(jìn)行了研究，并通過仿真試驗(yàn)驗(yàn)證了算法的有效性。柳強(qiáng)等[47]應(yīng)用粒子群算法對航空發(fā)動機(jī)的管路布局問題進(jìn)行了探索。華盛頓大學(xué)的Park和Storch[48]設(shè)計(jì)了一種滿足幾何約束的單元生成法，其在改進(jìn)中獨(dú)特地引入了方向?qū)б母拍?。在對待分支管路的問題上，其將分支管路劃分為End-forked和Middle-forked 兩種類型進(jìn)行處理，并依據(jù)管路布局過程中的物理約束、生產(chǎn)及安裝約束及經(jīng)濟(jì)約束等建立管路評價目標(biāo)函數(shù)，最終構(gòu)建了船舶管路路徑規(guī)劃體系。

管匯布局設(shè)計(jì)是管匯系統(tǒng)設(shè)計(jì)步驟中的首要部分，占具時間較長，在海洋平臺上，由于平臺空間有限，管路數(shù)量眾多、緊湊，約束條件復(fù)雜等原因，在實(shí)際管匯布局設(shè)計(jì)中主要依靠設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)，反復(fù)思考，進(jìn)行手工設(shè)計(jì)，造成設(shè)計(jì)周期長，精度低，工作量繁重，滯后于其它先進(jìn)的設(shè)計(jì)技術(shù)，影響了管匯系統(tǒng)的設(shè)計(jì)效率和性能，制約了我國海洋平臺的發(fā)展進(jìn)程。

圖3 半潛式生產(chǎn)平臺油氣水處理系統(tǒng)管路布局方案

3 布局方案評價體系概述

海洋平臺布局的合理性關(guān)乎到平臺的作業(yè)效率、安全性和可靠性，必須給予重視。在進(jìn)行平臺布局時，設(shè)計(jì)者需要綜合考慮各方案的鉆井效率、質(zhì)量分布、安全性、經(jīng)濟(jì)性和自動化程度等因素，建立布局方案的評價體系，從多種備選方案中優(yōu)選出最佳方案。

國外相關(guān)研究開展較早，且已形成產(chǎn)品投入實(shí)際應(yīng)用。英國格拉斯哥斯特拉思克萊德大學(xué)A.I.Olcer等人[49]針對滾裝船的艙室劃分設(shè)計(jì)問題，提出了一種新的多目標(biāo)決策方法，采用模糊多屬性群決策方法對解集中的方案進(jìn)行評價與排序。波蘭格但斯克工業(yè)大學(xué)Zbigniew Kowalski等人[50]將案例推理方法應(yīng)用于船舶機(jī)艙布局設(shè)計(jì)專家系統(tǒng)，通過計(jì)算相似度選用母型方案。

哈爾濱工程大學(xué)的馬中亞[51]、張廣磊[52]等運(yùn)用層次分析法和模糊綜合評價法對民船和艦船總布置進(jìn)行賦權(quán)分析和綜合評價。中國艦船研究設(shè)計(jì)中心的王健、陳立等[53]基于改進(jìn)的蟻群算法，提出針對艦船總布置的綜合評估算法。李俊華等在文獻(xiàn)[54]中提出基于重心排序的模糊綜合評價方法，應(yīng)用于艙室布置方案的綜合評價。李康等人[55]在猶豫模糊語言和直覺模糊語言的基礎(chǔ)上，提出了雙猶豫模糊語言決策方法，給出了權(quán)重未知情況下的鉆井平臺布局多屬性決策方案。

關(guān)于建立布局方案評價指標(biāo)體系中指標(biāo)的確定，目前也是一個尚在探討的問題，指標(biāo)考慮太多，評價體系會變得相當(dāng)復(fù)雜，其中指標(biāo)的量綱不同，有的指標(biāo)也難以定量，指標(biāo)太少又影響評價結(jié)果的客觀性和可信度[56]，因此建立一個既可信又有可操作性的海洋平臺布局方案評價指標(biāo)體系仍然有較大的難度。

4 關(guān)鍵技術(shù)與發(fā)展趨勢

通過對海洋平臺設(shè)備布局優(yōu)化、管路布局優(yōu)化和布局方案評價體系進(jìn)行概述，結(jié)合海洋平臺布局的總體發(fā)展趨勢，可以預(yù)見深海半潛式平臺上部模塊布局還要在以下兩個方面進(jìn)行改進(jìn)。

1) 復(fù)雜的三維布局問題求解困難在于存在組合爆炸，如何將現(xiàn)有三維布局優(yōu)化方法和其他優(yōu)化算法成功地應(yīng)用于求解多約束多目標(biāo)海洋平臺的三維布局優(yōu)化問題仍有待解決。

2) 設(shè)備布局設(shè)計(jì)與管路布局設(shè)計(jì)之間相互作用，相互影響，將其分成兩個獨(dú)立的設(shè)計(jì)模塊，通過組合方式所獲取的設(shè)計(jì)方案可能不是全局最優(yōu)方案，設(shè)備布局與管路布局的協(xié)同優(yōu)化方法有待研究。

5 結(jié)語

本文概述了國內(nèi)外海洋平臺布局的研究現(xiàn)狀，對目前存在的問題進(jìn)行了分析，并提出了深海半潛式平臺上部模塊布局中有待解決的兩個關(guān)鍵技術(shù)?？傮w來說，深海半潛式平臺已經(jīng)得到了越來越多的應(yīng)用，通過開展深海半潛式平臺上部模塊布局研究工作，獲得更為高效合理的深海半潛式平臺上部模塊布局方法，將是未來海洋石油裝備領(lǐng)域的關(guān)鍵問題之一。