深水油氣平臺(tái)儀表自控系統(tǒng)智能化升級(jí)與優(yōu)化應(yīng)用研究

[摘 要]文章介紹了海洋工程自控系統(tǒng)的挑戰(zhàn)與智能化需求，探究了高級(jí)傳感技術(shù)的集成與數(shù)據(jù)融合，分析了深度學(xué)習(xí)算法在自控系統(tǒng)中的應(yīng)用，闡述了智能化自控系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果，以期為相關(guān)人員提供參考。

[關(guān)鍵詞]智能化監(jiān)測(cè)；自控系統(tǒng)；深水油氣；數(shù)據(jù)融合；深度學(xué)習(xí)

[中圖分類號(hào)]TP273 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號(hào)]2095–6487（2024）12–0001–03

Research on Intelligent Upgrade and Optimization Application of Instrumentation Automation System for Deepwater Oil and Gas Platforms

ZENG Anjin

[Abstract]The article introduces the challenges and intelligent requirements of ocean engineering self-control systems， explores the integration and data fusion of advanced sensing technologies， analyzes the application of deep learning algorithms in self-control systems， and elaborates on the on-site application effects of intelligent self-control systems， in order to provide reference for relevant personnel.

[Keywords]intelligent monitoring； automatic control system； deepwater oil and gas； data fusion； deep learning

1 海洋工程自控系統(tǒng)的挑戰(zhàn)與智能化需求

1.1 極端環(huán)境下的操作挑戰(zhàn)

深水油氣平臺(tái)的自控系統(tǒng)須在極端的氣象與地質(zhì)條件下持續(xù)運(yùn)行，而這些因素對(duì)設(shè)備的穩(wěn)定性與操作效率造成了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。自控系統(tǒng)的硬件及軟件部件須能夠抵御這些惡劣環(huán)境的侵襲，且不能發(fā)生任何功能故障。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面，需采用高強(qiáng)度的材料及高防護(hù)等級(jí)的封裝技術(shù)，控制算法必須擁有高度的魯棒性，如此方能確保在數(shù)據(jù)傳輸或處理的過(guò)程中，信號(hào)不會(huì)由于外部干擾而出現(xiàn)失真的情況。

1.2 自控系統(tǒng)的適應(yīng)性需求

自控系統(tǒng)于深水油氣開(kāi)采中所具有的核心功能可維持平臺(tái)的穩(wěn)定性及操作的精確性，特別是在鉆探與生產(chǎn)過(guò)程中的動(dòng)態(tài)調(diào)整方面，該系統(tǒng)需要對(duì)作業(yè)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，以此來(lái)適應(yīng)海底地質(zhì)的變化及鉆探過(guò)程中所遭遇的不同壓力和溫度條件。這要求自控系統(tǒng)具備高度的自適應(yīng)性及智能決策能力，采用機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)能夠依據(jù)歷史數(shù)據(jù)及即時(shí)反饋對(duì)控制策略進(jìn)行優(yōu)化，自動(dòng)調(diào)整操作模式，從而最大限度地減少人為干預(yù)，提升作業(yè)效率與安全性。

1.3 智能化技術(shù)的集成

伴隨信息技術(shù)的不斷發(fā)展，集成先進(jìn)的智能化技術(shù)已成為提升自控系統(tǒng)性能的重要途徑，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)和處理技術(shù)作為智能化的關(guān)鍵組成部分，其允許系統(tǒng)實(shí)時(shí)收集并分析來(lái)自傳感器的數(shù)據(jù)，進(jìn)而能夠快速識(shí)別潛在問(wèn)題并進(jìn)行預(yù)警。遠(yuǎn)程監(jiān)控和控制技術(shù)使得操作團(tuán)隊(duì)能夠在安全的環(huán)境中進(jìn)行決策與操作，大幅降低了作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。智能化系統(tǒng)還應(yīng)包括自我診斷和自我修復(fù)功能。

2 高級(jí)傳感技術(shù)的集成與數(shù)據(jù)融合

2.1 多傳感器集成技術(shù)

在海洋工程儀表自控系統(tǒng)領(lǐng)域，多傳感器集成技術(shù)發(fā)揮著重要作用，此技術(shù)將諸如溫度、壓力、濕度、振動(dòng)、聲波、光學(xué)等不同類型的傳感器進(jìn)行整合，使其協(xié)同工作，進(jìn)而得以實(shí)現(xiàn)對(duì)多維環(huán)境參數(shù)的精準(zhǔn)測(cè)量。多傳感器系統(tǒng)具備在同一時(shí)間從多種角度采集數(shù)據(jù)的能力，這一能力顯著提升了系統(tǒng)的感知精度與響應(yīng)速度。尤其在深水油氣平臺(tái)的應(yīng)用中，多傳感器集成能夠?qū)υO(shè)備狀態(tài)、海底地質(zhì)變化及環(huán)境條件進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，從而為系統(tǒng)提供全面的數(shù)據(jù)支撐。在集成過(guò)程中，應(yīng)采用分布式架構(gòu)設(shè)計(jì)，此舉能夠減少單點(diǎn)故障發(fā)生的可能性，通過(guò)高精度數(shù)據(jù)校準(zhǔn)算法對(duì)不同傳感器輸出的數(shù)據(jù)進(jìn)行一致性校正，確保在復(fù)雜環(huán)境下數(shù)據(jù)具備高度的可靠性與準(zhǔn)確性。借助這種高集成度的傳感技術(shù)，系統(tǒng)在面對(duì)突發(fā)環(huán)境變化時(shí)能夠迅速調(diào)整策略，減少外部干擾對(duì)操作產(chǎn)生的影響。

2.2 數(shù)據(jù)融合技術(shù)的應(yīng)用

數(shù)據(jù)融合技術(shù)通過(guò)對(duì)多傳感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，利用深度學(xué)習(xí)與機(jī)器學(xué)習(xí)算法，將多源異構(gòu)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為具有更高可信度與可操作性的決策信息。在海洋工程環(huán)境中，單一傳感器的數(shù)據(jù)常受到外界因素的干擾，而數(shù)據(jù)融合技術(shù)能夠憑借特征提取和數(shù)據(jù)挖掘，從多維數(shù)據(jù)中提取出穩(wěn)定的信號(hào)特征，進(jìn)而排除噪聲干擾。采用貝葉斯估計(jì)、卡爾曼濾波及人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等算法，能夠顯著提高系統(tǒng)在復(fù)雜環(huán)境下的感知能力與數(shù)據(jù)分析精度。這種技術(shù)在深水作業(yè)時(shí)顯得尤為重要，其可以對(duì)海底地質(zhì)的變化、潮汐及溫度變化等動(dòng)態(tài)信息進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，從而為平臺(tái)在高風(fēng)險(xiǎn)環(huán)境中的自動(dòng)化操作與精確控制提供支持。

2.3 增強(qiáng)決策支持系統(tǒng)的建設(shè)

在海洋工程儀表自控系統(tǒng)的智能化升級(jí)過(guò)程中，核心在于構(gòu)建增強(qiáng)型決策支持系統(tǒng)，通過(guò)深度學(xué)習(xí)算法對(duì)海量歷史數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行建模與預(yù)測(cè)分析，提高系統(tǒng)的自主決策能力。此類系統(tǒng)通過(guò)對(duì)各類操作數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，生成風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警和操作優(yōu)化方案，為決策層在海洋平臺(tái)運(yùn)維中的關(guān)鍵決策制訂提供支持?；诙鄠鞲衅鲾?shù)據(jù)融合的分析結(jié)果，系統(tǒng)能夠?qū)赡艹霈F(xiàn)的設(shè)備故障或安全隱患進(jìn)行預(yù)測(cè)，進(jìn)而提前采取預(yù)防性維護(hù)措施。利用自適應(yīng)算法，決策支持系統(tǒng)可以依據(jù)不同作業(yè)環(huán)境與工況條件，自動(dòng)調(diào)整控制策略，確保設(shè)備運(yùn)行處于最優(yōu)狀態(tài)。這種智能化的決策支持系統(tǒng)不僅極大地減少了人工干預(yù)的需求，還能在突發(fā)情況下通過(guò)自動(dòng)化控制策略迅速響應(yīng)，保障深水油氣平臺(tái)的安全與高效運(yùn)行。

3 深度學(xué)習(xí)算法在自控系統(tǒng)中的應(yīng)用

3.1 智能控制策略

深度學(xué)習(xí)算法在海洋工程儀表自控系統(tǒng)中的應(yīng)用，體現(xiàn)在智能控制策略的開(kāi)發(fā)與實(shí)施中。深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)（DRL）是一種特別適合于自適應(yīng)控制系統(tǒng)的技術(shù)，因?yàn)槠淠軌蛟谂c環(huán)境的交互中學(xué)習(xí)最優(yōu)控制策略。例如，AUV被指派在雜亂的珊瑚礁區(qū)域進(jìn)行生物樣本的采集。任務(wù)開(kāi)始時(shí)，AUV設(shè)置在水面下15 m的起始深度。通過(guò)DRL算法，AUV能夠?qū)崟r(shí)分析來(lái)自深度傳感器和加速度計(jì)的數(shù)據(jù)，并調(diào)整其推進(jìn)器的輸出，以避免珊瑚礁的障礙并保持所需的采樣深度。在一次特定的下潛過(guò)程中，AUV記錄了以下數(shù)據(jù)：初始深度為15 m，目標(biāo)深度設(shè)定為30 m，但遇到突然的水流變化和部分機(jī)械故障。盡管如此，DRL算法成功地通過(guò)自我調(diào)整策略，在5 min內(nèi)穩(wěn)定地達(dá)到了30 m的深度，并維持了20 min，成功完成采樣任務(wù)。期間，水流速度從初速0.2 m/s增加到0.5 m/s，AUV的速度調(diào)整從0.3 m/s增加到0.6 m/ s，以保持預(yù)設(shè)航線和深度。AUV深度控制任務(wù)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

從表1可看出，DRL算法顯示了在復(fù)雜環(huán)境中的自適應(yīng)能力和高效性，顯著提高了AUV在不確定條件下的操作安全和效率。

3.2 故障預(yù)測(cè)與維護(hù)規(guī)劃

在故障預(yù)測(cè)與維護(hù)規(guī)劃方面，深度學(xué)習(xí)算法通過(guò)分析歷史數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，能夠預(yù)測(cè)海洋工程儀表自控系統(tǒng)中潛在的故障和性能退化。例如，利用深度學(xué)習(xí)對(duì)電機(jī)的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行分析，可以識(shí)別出故障發(fā)生的前兆，從而提前進(jìn)行維護(hù)和修復(fù)。這種方法不僅能夠減少意外停機(jī)的風(fēng)險(xiǎn)，還能夠優(yōu)化維護(hù)資源的分配，降低維護(hù)成本。此外，深度學(xué)習(xí)可以通過(guò)模式識(shí)別來(lái)分析儀表的讀數(shù)模式，預(yù)測(cè)儀表的使用壽命和更換時(shí)間，為維護(hù)規(guī)劃提供數(shù)據(jù)支持。

4 智能化自控系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果

4.1 減少人為干預(yù)與提高操作安全性

海上的油氣開(kāi)采平臺(tái)中，自動(dòng)化鉆井設(shè)備可按照地質(zhì)數(shù)據(jù)與實(shí)時(shí)鉆探數(shù)據(jù)自動(dòng)調(diào)整鉆探速度及鉆柱的壓力，避免鉆井過(guò)程中可能發(fā)生的卡鉆事故及井噴事件。該裝置融合了眾多傳感元件和即刻運(yùn)算機(jī)制，使操控更精準(zhǔn)且穩(wěn)固，保障了工作的高效性與安全性，而應(yīng)用即刻運(yùn)算機(jī)制可立刻辨認(rèn)潛在危險(xiǎn)，并自行觸發(fā)應(yīng)急預(yù)案，降低意外事件的可能性和可能損失。我國(guó)在油氣井工程的數(shù)字化與智能化領(lǐng)域成功研制出智能鉆完井系統(tǒng)、鉆完井一體化設(shè)計(jì)平臺(tái)及鉆完井業(yè)務(wù)管理系統(tǒng)。以鉆井參數(shù)大數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)為例，此系統(tǒng)借助時(shí)間、深度及井號(hào)等關(guān)聯(lián)參數(shù)將數(shù)據(jù)緊密相聯(lián)，并運(yùn)用AI算法達(dá)成鉆井參數(shù)的優(yōu)化推薦，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)使機(jī)械鉆速提升15%。

4.2 提高生產(chǎn)效率與降低運(yùn)營(yíng)成本

自動(dòng)化控制系統(tǒng)（精簡(jiǎn)型智能系統(tǒng)）全面布署不但提升了生產(chǎn)效能，而且有利于減少運(yùn)營(yíng)開(kāi)支。智能監(jiān)控系統(tǒng)和資源配置優(yōu)化降低了對(duì)人力資源的依賴性，可縮短機(jī)械運(yùn)行時(shí)間及維護(hù)間隔，進(jìn)而降低了故障停機(jī)時(shí)長(zhǎng)和多種成本。使用先進(jìn)傳感器和預(yù)防性保養(yǎng)體系后，若干海上工程設(shè)施中機(jī)器故障案例發(fā)生頻率及維修費(fèi)用大幅減少。借助改善供應(yīng)鏈管控和配送流程，智能系統(tǒng)同樣能夠動(dòng)態(tài)調(diào)整原料供給和庫(kù)存管理，不斷減少損耗比例和降低成本支出。

4.3 增強(qiáng)系統(tǒng)的適應(yīng)性與可靠性

在深水油氣平臺(tái)的自控系統(tǒng)中，增強(qiáng)適應(yīng)性與可靠性是確保系統(tǒng)安全高效運(yùn)行的關(guān)鍵。系統(tǒng)智能化升級(jí)利用機(jī)器學(xué)習(xí)和高級(jí)數(shù)據(jù)融合技術(shù)，能夠?qū)崟r(shí)響應(yīng)環(huán)境變化，優(yōu)化操作決策。例如，通過(guò)深度學(xué)習(xí)模型分析壓力和溫度傳感器數(shù)據(jù)，系統(tǒng)可預(yù)測(cè)并調(diào)整油井壓力，以防止意外的壓力波動(dòng)導(dǎo)致的設(shè)備損壞或生產(chǎn)中斷。通過(guò)實(shí)施多傳感器集成和數(shù)據(jù)融合技術(shù)，一套深水鉆井平臺(tái)的自控系統(tǒng)成功地適應(yīng)了北海復(fù)雜的海底地質(zhì)和不穩(wěn)定的氣象條件。系統(tǒng)通過(guò)分析從壓力和溫度傳感器收集的數(shù)據(jù)，使用一個(gè)預(yù)訓(xùn)練的深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，實(shí)時(shí)調(diào)整鉆井參數(shù)以適應(yīng)即時(shí)的地質(zhì)變化。在一次具體操作中，模型預(yù)測(cè)到由于即將到來(lái)的風(fēng)暴，海底壓力將出現(xiàn)短時(shí)間的劇烈波動(dòng)，自控系統(tǒng)據(jù)此自動(dòng)調(diào)整了鉆井速度和壓力，避免了潛在的鉆井事故。該自控系統(tǒng)響應(yīng)海底壓力波動(dòng)的操作數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

5 結(jié)束語(yǔ)

智能化既可提高數(shù)據(jù)處理效率與準(zhǔn)確性，又具備預(yù)防性維護(hù)及故障診斷能力，還可增強(qiáng)系統(tǒng)適應(yīng)性與可靠性。經(jīng)持續(xù)技術(shù)創(chuàng)新與應(yīng)用實(shí)踐，智能化自控系統(tǒng)將為海洋工程安全高效運(yùn)營(yíng)提供強(qiáng)力支撐。

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