自升式鉆井平臺設計專家系統的研究與應用

初新杰

（1.中國海洋大學，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）

自升式鉆井平臺是一個復雜的綜合性的海洋工程，它工程復雜、投資大、周期長、風險高。在自升式鉆井平臺的總體設計過程中，要對大量的信息進行處理，需要運用多方面的專業知識和豐富的設計經驗，并需要通過多次反復的綜合分析計算，能得到一個好的設計方案。

平臺的設計，要處理復雜多樣又具有不確定性的數據信息，同時還需要有專家知識和經驗的支持。隨著生產技術的不斷提高，人工智能技術的不斷發展，特別是基于知識的專家系統設計方法的產生和發展，工程設計型專家系統的也得到了廣泛的開發和應用[1]，這使得使用計算機代替專家實現平臺智能化設計成為可能。

1 平臺數據庫建立

1.1 平臺數據庫的特點

自升式鉆井平臺設計專家系統的數據庫設計與常規的數據庫設計有所不同。常規的數據庫系統，多都是工程數據庫，用來組織和管理工程設計方面大量的非圖形數據[2]，本系統是工程設計與專家系統的有機結合，因此系統的數據庫具有自己鮮明的特點。

系統的數據庫，括知識庫和綜合數據庫。在系統的運行推理過程中，知識庫為系統提供必需的知識，幫助系統完成問題的整個求解過程，數據庫數據本身不發生改變；綜合數據庫主要存取系統運行過程中出現的動態數據，包括初始輸入，中間結果和答案輸出等隨著系統的推理而產生的數據。

1.2 數據庫體系的組成

數據庫系統用于組織和存取大量數據的管理，主要由計算機系統、數據庫、數據庫描述、數據庫管理系統、數據庫應用程序和用戶組成[3～4]。

（1）計算機系統。包括計算機硬件資源和基本軟件資源。硬件資源包括中央處理器、大容量的內存和外部存儲設備。軟件資源包括操作系統、數據庫管理系統及應用程序等。

（2）數據庫。是一個提供數據的基地，能夠保存數據并以最佳方式、最少的數據重復，所有允許的應用系統所共享。數據庫中的數據，一定的組織形式存儲在一起，構成相互有關的數據整體。這種數據是一種相對穩定的中間數據，其既不同于輸入數據，也不同于輸出數據。盡管輸出數據是從數據庫中的數據推導產生出來的數據，但是它們本身并不是數據庫的一部分。

數據存入數據庫時，有一定的數據庫結構和文件組織方式。在數據庫系統中，數據的定義與應用程序分開，數據庫的描述是獨立的。因此數據庫可以為多種應用程序所使用，達到數據共享的目的。

（3）數據庫管理系統。包括數據庫定義、數據的輸入、數據庫的操作、數據庫的維護及數據庫控制等。本系統采用MSAccess數據庫管理系統。

（4）應用程序。應用程序采用Visual Basic程序設計軟件進行編寫，程序設計語言有相應的數據庫接口，并通過數據庫接口與數據庫相連，實現對數據庫進行檢索、插入、刪除或更新等操作。

1.3 數據庫的建立

本系統采用數據庫管理系統MicrosoftOffice Access 2007軟件來創建數據庫，供專家系統調用、連接和管理，編譯工具是Visual Basic數據庫應用程序開發軟件包。系統采用了ADO Data控件和ADO Data對象來實現對數據庫的連接和操作

2 自升式鉆井平臺設計推理系統

2.1 自升式鉆井平臺設計專家系統的構成

自升式鉆井平臺設計專家系統，據自身特點的需要，主要包括知識庫、推理機、綜合數據庫和用戶界面4個大組成部分。

知識庫劃分為規則庫和實例庫。規則庫，用以存放該領域的專門知識；實例庫，用以存放以往自升式平臺的數據資料。知識獲取程序，負責對知識庫的知識進行管理，實現對知識的添加、修改、刪除等功能。知識庫和知識獲取程序構成了知識庫系統。

推理機是執行系統的各種任務，進行各種推理或實現搜索等功能的程序模塊。比如控制執行平臺主尺度估算、平臺總質量計算和平臺性能校核等模塊。

綜合數據庫用于存取系統運行過程中輸入和產生的所有信息，包括初始輸入條件、中間結果和解釋過程的預制文本等信息。數據庫的組織、管理和數據間的連接都是需要在設計時考慮的重要問題。數據的表示和組織與知識的表示和組織要相容，這是數據庫構建與知識庫構建需要考慮的問題。

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

系統的總體設計思想是：在分析整理自升式鉆井平臺數據信息和專門知識的基礎上，建立規則庫和實例庫，依據自升式鉆井平臺的設計流程，并運用知識庫中的知識進行推理，最后輸出推理結果，并采用可視化技術進行程序設計，保證人-機對話的友好性。系統結構如圖1所示。

圖1 系統的結構圖

2.2 平臺實例庫構建

實例庫存放的是事實性的知識，是對以往平臺數據信息的描述。每一條數據就是一個自升式鉆井平臺的信息。一個自升式平臺包含了33個數據，數據信息包含了平臺背景、平臺型式、平臺船體尺寸、鉆井能力和其他平臺設備等。

平臺數據信息利用Microsoft Excel軟件進行處理，經過分析整理后，形成實例庫的雛形，最后運用Microsoft Office Access數據庫軟件導入Excel表中的平臺信息，形成平臺母型實例庫。

2.3 平臺規則庫的構建

規則庫的規則，按照推理過程劃分為5個主要部分：平臺選型、主尺度確定、平臺總質量估算、平臺性能校核和輔助功能。

平臺選型規則庫，主要依據初始設計條件和業主要求，確定平臺主船體和樁腿的型式；

主尺度確定規則庫，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的規范、經驗公式；

平臺總質量估算規則庫，主要確定平臺結構總質量、平臺設備總質量和可變載荷，平臺結構總質量又包括船體總質量、樁腿總質量和上層建筑總質量，平臺設備總質量和可變載荷由設計要求以及經驗公式給出；

平臺性能校核規則庫，主要是校核平臺的浮性和穩性，規則大多都是計算公式；

輔助功能規則庫，主要完成一些平臺的輔助設計工作，例如樁靴的尺寸估算。

將規則庫按推理過程，分為一個條件集和多個規則集，規則集中的規則，主要包括條件和結論兩部分。

在推理過程中，首先選擇不同的規則集，并搜索規則集中規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據庫中的設計條件，或者中間數據進行匹配，如果條件滿足，則執行規則集中的規則結論部分。

2.4 推理機

自升式鉆井平臺設計專家系統的推理思想為：依據用戶輸入的已知的初始設計條件，主要是設計水深等環境條件和鉆井深度等使用條件，從實例庫中搜索匹配的母型，確定平臺型式，獲取主尺度的最初設計方案，然后從規則庫中對應的規則集中，搜索匹配的規則，估算平臺總質量；依據環境條件數據，校核平臺性能，并分析最初方案的合理性和可行性，通過設計者的判斷，可以做出相應的修改，把修改后的方案重新進行推理，循環直到求出最優解。

推理機可以分成主尺度確定模塊、平臺總質量估算模塊和平臺性能校核模塊等3個大模塊，推理過程按照正向推理的原理，調用知識庫中的知識進行問題求解，綜合數據庫用來存取推理過程中的初始條件、中間過程和最終結果等數據。

推理過程為：首先輸入設計的初始數據，并存儲在綜合數據庫中，這時候功能模塊的推理機開始運行，對規則的條件部分進行匹配，如果匹配失敗，找不到可以執行的規則，則推理結束；如果匹配成功，則沖突消除并運行規則的結論部分，并將結果存儲到綜合數據庫中，以便后來規則的調用，這時繼續下一條規則的匹配過程，直至遍歷整個規則庫。

2.5 綜合數據庫的構建

綜合數據庫主要用來存儲各個參數的結果，沒有推理規則。各個模塊的數據在Microsoft Office Access軟件中，是以數據表的形式來存儲。表是數據庫存儲數據的最基本對象，是一個數據庫系統的基礎，在建立了表的基礎上才能建立查詢、窗體和報表等其他項目，并逐步完善數據庫。

3 自升式鉆井平臺設計專家系統程序設計

經過對自升式鉆井平臺設計和系統推理機制的分析，確定了平臺設計推理的結構模塊。圖2是系統的模塊結構圖。

圖2 自升式鉆井平臺設計專家系統總模塊結構圖

采用Visual Basic 6.0程序設計語言，實現了對后臺知識庫和綜合數據庫的操控。根據自升式鉆井平臺的設計特點，程序設計實現系統的幾個求解模塊，并建立友好美觀的用戶界面，把人機界面、知識庫和綜合數據庫有機地結合在一起。

圖3為本系統的MDI窗口，即系統的主界面。可以看出主界面共有10個菜單項，分別為：新建、平臺主體、平臺重量、平臺性能、輔助功能、結果輸出、查看和維護數據庫、設置、幫助和關于。菜單的順序按照平臺的設計過程排列，體現了各個模塊之間的設計繼承性。

圖3 系統主窗口界面

本系統使用API函數主要實現推理機暫停等待、文件或文件夾瀏覽、獲取進程句柄等功能。

4 自升式鉆井平臺設計專家系統的應用

應用自升式鉆井平臺設計專家系統完成了3座平臺的方案設計，流程如下：

4.1 輸入平臺初始設計條件

點擊新建平臺設計方案模塊：將平臺的初試設計條件，輸入到系統的的數據庫中，作為推理機進行推理計算的初始數據。

4.2 平臺主體設計

點擊平臺主體的選型和主尺度設計模塊：首先選擇平臺名稱，系統自動從綜合數據庫中調出該平臺的設計參數作為設計的已知條件；然后點擊“查詢”按鈕，系統會自動從實例庫中搜索匹配設計參數相近的平臺，設計者依據設計經驗和實際情況，選擇一個合適的平臺作為母型平臺；然后是提取母型平臺的相關參數，并且可以手動修改這些參數；檢查完數據的合理性以后，將推理出的設計數據保存到綜合數據庫中。

點擊平臺主體的樁靴和樁腿設計模塊：系統推理機能夠根據平臺作業的地質條件和樁腿型式，自動推理出合適的樁端型式。點擊“估算”按鈕，系統推理機進入規則庫的樁腿設計規則子庫，進行規則匹配，并獲取計算結果，確定后將所得推理結果存儲到綜合數據庫中。

4.3 平臺總質量估算

點擊平臺總質量的結構質量模塊，推理機根據平臺的主尺度數據搜索匹配相應的規則，然后計算出平臺各部分結構質量結果。設計者可以根據實際情況修改估算結果，點擊“確定”可以將結果保存到綜合數據庫中。

點擊平臺總質量的設備質量模塊，計算平臺的設備總質量。平臺設備種類繁多，很難準確估算。本系統提供兩種估算方法：

一是輸入詳細設備質量數據，然后分項求和；

二是根據母型平臺數據和經驗公式直接估算設備總質量。

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。

點擊平臺總質量的可變載荷模塊，推理機依據平臺匹配規則估算可變載荷。

4.4 平臺性能校核

平臺性能校核模塊首先計算平臺的環境載荷，然后再校核平臺坐底穩性和漂浮穩性。如果平臺性能不滿足條件，則需要修改設計方案并重新進行設計。

4.5 輔助功能設計

有了平臺的主尺度數據、總質量數據和性能數據以后，輔助功能模塊以樁靴對地壓力為控制參數進行樁靴尺寸估算。該模塊可以調用ANSYS程序精確計算波流載荷大小，作為環境載荷計算模塊估算結果的參考。

4.6 結果輸出

在完成平臺方案設計以后，通過該模塊輸出設計結果報告。

5 結束語

通過自升式鉆井平臺設計專家系統的研究，建立了一個完善的、功能強大的知識庫，在運行中調用數據庫中的數據信息，同時識別和選取知識庫中有用的知識，用推理機進行推理，實現自升式鉆井平臺總體方案設計。

研究成果提供的平臺實例庫、規則庫、綜合數據庫以及推理分析程序，為自升式平臺的方案設計和人員培訓提供了技術支持，提高了平臺設計效率，縮短了設計周期，增強了競爭力，具有明顯的經濟效益和工程實用價值。

[1]任貴永.海洋移動式平臺[M].天津：天津大學出版社，1989.

[2]虞維明.海洋平臺的建造與維修[M].北京：海洋出版社，1992.

[3]趙 陽.海上鉆井平臺分布式管理信息系統分析與研究[D].天津：天津大學，2005.

[4]陳 躍.海洋平臺三維建模CAD系統的開發研究[D].天津：天津大學，2003.