一种海洋油气压裂作业辅助决策系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种海洋油气压裂作业辅助决策系统，涉及海洋油气压裂作业领域。该系统中的压裂作业状态监测模块对海洋油气压裂作业船的压裂作业系统和船舶平台系统的状态进行实时监视，获取其状态参数和故障报警信息；状态数据库对压裂作业状态监测模块采集的状态参数、故障报警信息进行存储；特征提取模块对经过属性简约模块处理过的数据进行特征提取，海洋压裂辅助决策知识库包含了各种工况下压裂系统的操作方案，以及船舶系统的配合操作方案；决策推理模块将处理后的系统状态实时数据与存储在辅助决策知识库中的决策规则进行匹配，将推理模块获得的决策规则输出到辅助决策输出模块中。本发明能够有效应对海洋压裂作业在复杂干扰因素下的决策问题。
【专利说明】
一种海洋油气压裂作业辅助决策系统
技术领域
[0001]本发明涉及海洋油气压裂作业领域，具体涉及一种海洋油气压裂作业辅助决策系统。
【背景技术】
[0002]全球海洋油气资源丰富，近十年发现的大型油气田，海洋领域约占60%，世界新增储量的70%来自海洋，随着陆地油气资源的逐渐枯竭，海洋油气勘探开发技术向深海技术发展是必然趋势。发达国家的深海油气勘探开发技术日渐成熟，而我国的海洋油气勘探与开发技术却相对比较落后，尤其是深海油气勘探开发技术还处于起步阶段。油井压裂作业系统是提高油气产量的一种有效方法，目前陆用压裂作业系统在国内外均已成熟应用，但国内海洋船载压裂技术起步较晚，且遭到西方发达国家的技术封锁与设备禁运，仍处于研制攻关阶段。
[0003]海洋油气井压裂作业工序复杂、操作困难，并伴随着一系列未知的风险，一旦发生意外会产生非常严重的后果，还会给环境带来严重的污染。海洋油气井压裂作业是通过船载压裂设备完成，所有的压裂操作都是在船上进行的，压裂作业过程中不仅受到压裂设备本身的影响，还会受到来至于船舶的姿态、稳性等方面的影响，因此在海洋压裂作业存在的难度和风险。
【发明内容】
[0004]有鉴于此，本发明提供了一种海洋油气压裂作业辅助决策系统，能够有效应对海洋压裂作业在复杂干扰因素下的决策问题，从而确保在复杂海洋环境中压裂作业的安全。
[0005]—种海洋油气压裂作业辅助决策系统，该系统包括压裂作业状态监测模块、状态数据库、属性简约模块、特征提取模块、海洋压裂辅助决策知识库、决策推理模块和辅助决策输出模块；
[0006]压裂作业状态监测模块对海洋油气压裂作业船的压裂作业系统和船舶平台系统的状态进行实时监视，获取其状态参数和故障报警信息；
[0007]状态数据库将压裂作业状态监测模块采集的状态参数、故障报警信息等存储下来，通过数据库的方式进行增删改查，便于辅助决策推理模块的查询访问；
[0008]属性简约模块用于简化系统状态数据的属性;压裂作业系统和船舶平台系统中的系统状态数据由多个属性组成，系统状态数据具有较高的维度，高维数据不能直接被海洋压裂作业辅助决策知识库使用，也不能输入到推理模块中进行辅助决策方案的搜索和选择;通过实行约简模块对采集的数据进行属性简约处理，为后续的辅助决策分析做准备；
[0009]特征提取模块对经过属性简约模块处理过的数据进行特征提取，使数据具有简洁的数据格式，以便输入到压裂辅助决策知识库中进行决策规则的选择，同时还便于被推理模块所使用；
[0010]海洋压裂辅助决策知识库是一个专家知识库，由海洋油井压裂作业领域的经验知识所组成，是整个海洋压裂作业辅助决策系统的核心，包含了各种工况下压裂系统的操作方案，以及船舶系统的配合操作方案；
[0011]决策推理模块相当于海洋压裂作业专家的大脑，它决定采取什么样的压裂作业决策方案去操纵压裂设备和船舶平台；决策推理模块将处理后的系统状态实时数据与存储在辅助决策知识库中的决策规则进行匹配，将推理模块获得的决策规则输出到辅助决策输出模块中；
[0012]辅助决策输出模块是辅助决策系统与海洋油气压裂作业综合控制中心操作人员的交互接口，通过辅助决策输出模块将辅助决策方案输出到显示界面中，操作人员参考输出的决策方案进行综合分析，并结合实际经验做出最终的决策。
[0013]进一步地，所述压裂作业状态监测模块主要包括信号采集单元、数据通信单元、数据存储器和状态显示器四个部分；
[0014]信息采集单元通过安置在系统设备上的传感器周期性地获取压裂作业系统和船舶平台系统各个子系统及设备的状态信息及故障报警信息;压裂作业系统信息主要有混砂系统、酸液系统、压裂栗、冷却系统等系统的状态信息及故障报警信息;船舶平台系统信息主要有经玮度、横摇角、横摇周期、横倾角、重心高度等船舶姿态信息，风、浪、流等外部环境信息，及动力系统、船舶操纵系统等子系统状态信息。由于海洋压裂系统设备众多，所采集的设备状态数据格式类型各异，需要对采集的数据格式进行标准化处理，在状态信息采集系统的设备端将采集的数据进行标准化处理，处理后的数据包括标志位、设备标识位、数据位、校验位，并将标准化处理后的状态数据传输到数据通信系统进行预存储及处理。
[0015]数据通信单元的功能是将信息采集系统采集的设备状态数据传输到数据存储系统中，同时传送给属性简约模块和状态数据库系统中。数据通信单元首先将信息采集系统标准化处理后的数据按照统一的通信协议进行数据集成封装处理，在数据包的每一个数据段存储一种设备状态参数或报警参数，一个数据包包含了所有设备在某一个时钟节拍所采集的数据信息，并将其传送给海洋压裂作业综合控制中心的状态显示系统，供操作人员进行远程的集中监视;数据通信单元包括硬件资源和软件资源两部分。网络硬件资源是数据实时通信的基础条件，主要由网络交换机和工控计算机构成;软件资源主要包含数据标准化处理软件、实时数据分发软件等。
[0016]数据存储器与数据通信单元相连，实时接收数据通信系统传输的压裂作业系统和船舶平台系统的状态参数、故障报警信息，为状态显示器、状态数据库、属性简约模块提供实时数据;数据存储系统是一个临时存储区域，只会存储同一时钟节拍下的数据，随后便清空缓存继续接收下一时钟节拍的数据。
[0017]状态显示器是压裂作业状态监测系统的重要组成部分，状态显示器将存储在数据存储器中的数据进行实时显示，是压裂作业与操作人员的交互接口；通过海洋压裂作业综合控制中心的集中远程监视，使得操作人员能够实时掌握所有压裂设备及船舶系统的工作状态，提升压裂作业效率。
[0018]有益效果:
[0019]I)本发明突破海洋油气压裂作业中压裂系统与船舶系统的动态关联问题，对不同系统的操纵进行有效融合和集中操作；
[0020]2)通过本发明辅助决策系统方案的执行，能够有效应对海洋压裂作业在复杂干扰因素下的决策问题，快速输出最优决策方案，大大提高了海洋压裂作业效率，同时确保了在复杂海洋环境中压裂作业的安全；
[0021]3)本发明避免了不同专业操作人员无效沟通问题，直接将全面的压裂作业指令和船舶操纵指令呈现给操作人员，能够提升海洋压裂作业的安全性和压裂作业效率。
【附图说明】
[0022]图1为本发明海洋油气压裂作业辅助决策系统的组成结构图。
[0023]图2为本发明中压裂作业状态监测模块的组成结构图。
【具体实施方式】
[0024]下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
[0025]如附图1所示，本发明提供了一种海洋油气压裂作业辅助决策系统，该系统包括压裂作业状态监测模块、状态数据库、属性简约模块、特征提取模块、海洋压裂辅助决策知识库、决策推理模块和辅助决策输出模块；
[0026]压裂作业状态监测模块对海洋油气压裂作业船的压裂作业系统和船舶平台系统的状态进行实时监视，获取其状态参数和故障报警信息；
[0027]状态数据库由SQL数据库软件和数据库服务器组成，用于存储来源于数据存储系统的压裂系统和船舶系统的状态参数、故障报警等数据信息。状态数据库系统采用增量式存储方式，根据数据包的时钟标识位，将所有的数据进行无冗余存储。采用数据库对所有数据进行存储和管理，便于数据的查询、调用和分析，同时便于决策推理模块的查询和访问。
[0028]属性简约模块用于简化系统状态数据的属性;外部压裂作业系统和船舶平台系统中的系统状态数据由多个属性组成，系统状态数据具有较高的维度。高维数据不能直接被海洋压裂作业辅助决策知识库使用，也不能输入到推理模块中进行辅助决策方案的搜索和选择。系统状态数据属性虽然多，但多数的属性都是从属属性，在系统状态表征过程中不起关键作用，只由少数的关键属性所决定。采用粗糙集理论对状态数据的冗余属性进行约简，有效降低系统状态数据的维度，为状态数据做进一步的特征提取做准备。
[0029]特征提取模块对经过属性简约模块处理过的数据进行特征提取，使数据具有简洁的数据格式，以便输入到压裂辅助决策知识库中进行决策规则的选择，同时还便于被推理模块所使用；属性约简模块对原始状态数据进行属性的约简，降低了海洋压裂作业系统状态数据的维度。然而经过属性约简的状态数据的属性仍然比较多，一个系统的状态特性通常是由一个或者几个关键的属性所表征，因此需要对处理后的状态数据进行特征提取处理。采用主成分分析方法对状态数据进行特征提取处理，处理后的状态数据具有简洁的数据格式，便于状态特征与决策方案之间的映射分析。处理后的状态特征输入到压裂作业辅助决策知识库中进行匹配决策规则的选择，同时还输入到决策推理模块中进行决策方案的推理和选择。
[0030]海洋压裂作业辅助决策知识库是一个专家知识库，由海洋油井压裂作业领域的经验知识所组成，是整个海洋压裂作业辅助决策系统的核心。包含了各种工况下压裂系统的操作方案，以及船舶系统的配合操作方案。在进行海洋压裂作业的过程中，将压裂系统和船舶系统的实时状态数据输入到辅助决策知识库中，通过推理模块则能搜索到合适的决策方案，并能指导操作人员进行海洋压裂作业。海洋压裂作业辅助决策知识库的核心则是海洋压裂作业专家知识，压裂作业辅助决策知识库中的专家知识具有全面性和有效性。在海洋压裂辅助决策知识库的构建过程中，最关键的步骤是领域专家知识的获取，需要人工查阅海洋压裂作业相关领域资料、与海洋压裂作业领域的专家交流、或者通过机器学习、计算机仿真建模等方式获得。知识的获取过程是一个很复杂的过程，并非是一个简单的知识单项堆砌。知识库的建立不但要把具有丰富操纵经理的海洋压裂作业专家的经验、知识进行知识化和系统化，同时还需要相关的仿真以及实物或者半实物仿真试验。然后通过数学模型的仿真，以及程序设计语言的方式编写到知识库中，根据测试结果对知识库进行修改，从而实现知识库知识的逐渐增加。
[0031]海洋压裂作业辅助决策知识库采用产生式规则进行构建，具有较高的实时性和准确性，提升了海洋压裂作业效率。
[0032]决策推理模块相当于海洋压裂作业专家的大脑，它决定采取什么样的压裂作业决策方案去操纵压裂设备和船舶平台；决策推理模块将处理后的系统状态实时数据与存储在辅助决策知识库中的决策规则进行匹配，将推理模块获得的决策规则输出到辅助决策输出模块中；海洋压裂作业辅助决策知识库中存储的是大量的压裂作业决策知识，而决策推理模块就相当于海洋压裂作业专家的大脑，它决定采取什么样的压裂作业决策方案去操纵压裂设备和船舶平台。决策推理模块将决策推理方法输入到海洋压裂作业辅助决策知识库中，引导知识库根据特征提取后的状态信息进行辅助决策方案的匹配选择。根据海洋压裂作业的实时状态数据，可以从海洋压裂辅助决策知识库中搜索出多条可以与之匹配的决策方案，然而多种决策方案存在着可行的甚至还存在不可行的情况，而且在实际的作业过程中还需要从多个可行方案中选择出最有利的决策进行执行。
[0033]决策推理模块采用Rete推理算法在海洋压裂辅助决策知识库中进行最优决策方案的选择，能够从规模巨大的辅助决策知识库中输出决策方案，有效应对海洋压裂作业的动态变化情况，安全、高效地提升压裂作业操作。
[0034]辅助决策输出模块是辅助决策系统与海洋油气压裂作业综合控制中心操作人员的交互接口，通过辅助决策输出模块将辅助决策方案输出到显示界面中，操作人员参考输出的决策方案进行综合分析，并结合实际经验做出最终的决策。
[0035]如附图2所示，压裂作业状态监测模块主要包括信号采集单元、数据通信单元、数据存储器和状态显示器四个部分；
[0036]信息采集单元通过安置在系统设备上的传感器周期性地获取压裂作业系统和船舶平台系统各个子系统及设备的状态信息及故障报警信息;压裂作业系统信息主要有混砂系统、酸液系统、压裂栗、冷却系统等系统的状态信息及故障报警信息;船舶平台系统信息主要有经玮度、横摇角、横摇周期、横倾角、重心高度等船舶姿态信息，风、浪、流等外部环境信息，及动力系统、船舶操纵系统等子系统状态信息。由于海洋压裂系统设备众多，所采集的设备状态数据格式类型各异，需要对采集的数据格式进行标准化处理，在状态信息采集系统的设备端将采集的数据进行标准化处理，处理后的数据包括标志位、设备标识位、数据位、校验位，并将标准化处理后的状态数据传输到数据通信系统进行预存储及处理。
[0037]数据通信单元的功能是将信息采集系统采集的设备状态数据传输到数据存储系统中，同时传送给属性简约模块和状态数据库系统中。数据通信单元首先将信息采集系统标准化处理后的数据按照统一的通信协议进行数据集成封装处理，在数据包的每一个数据段存储一种设备状态参数或报警参数，一个数据包包含了所有设备在某一个时钟节拍所采集的数据信息，并将其传送给海洋压裂作业综合控制中心的状态显示系统，供操作人员进行远程的集中监视;数据通信单元包括硬件资源和软件资源两部分。网络硬件资源是数据实时通信的基础条件，主要由网络交换机和工控计算机构成;软件资源主要包含数据标准化处理软件、实时数据分发软件等。
[0038]数据存储器与数据通信单元相连，实时接收数据通信系统传输的压裂作业系统和船舶平台系统的状态参数、故障报警信息，为状态显示器、状态数据库、属性简约模块提供实时数据;数据存储系统是一个临时存储区域，只会存储同一时钟节拍下的数据，随后便清空缓存继续接收下一时钟节拍的数据。
[0039]状态显示器是压裂作业状态监测系统的重要组成部分，状态显示器将存储在数据存储器中的数据进行实时显示，是压裂作业与操作人员的交互接口；通过海洋压裂作业综合控制中心的集中远程监视，使得操作人员能够实时掌握所有压裂设备及船舶系统的工作状态，提升压裂作业效率。
[0040]综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1.一种海洋油气压裂作业辅助决策系统，其特征在于，该系统包括压裂作业状态监测模块、状态数据库、属性简约模块、特征提取模块、海洋压裂辅助决策知识库、决策推理模块和辅助决策输出模块； 压裂作业状态监测模块对海洋油气压裂作业船的压裂作业系统和船舶平台系统的状态进行实时监视，获取其状态参数和故障报警信息； 状态数据库将压裂作业状态监测模块采集的状态参数、故障报警信息进行存储，通过数据库的方式进行增删改查，供辅助决策推理模块的查询访问； 属性简约模块用于简化系统状态数据的属性； 特征提取模块对经过属性简约模块处理过的数据进行特征提取，使数据具有简洁的数据格式； 海洋压裂辅助决策知识库包含了各种工况下压裂系统的操作方案，以及船舶系统的配合操作方案； 决策推理模块将处理后的系统状态实时数据与存储在辅助决策知识库中的决策规则进行匹配，将推理模块获得的决策规则输出到辅助决策输出模块中； 辅助决策输出模块是辅助决策系统与海洋油气压裂作业综合控制中心操作人员的交互接口，通过辅助决策输出模块将辅助决策方案输出到显示界面中。2.如权利要求1所述的海洋油气压裂作业辅助决策系统，其特征在于，所述压裂作业状态监测模块主要包括信号采集单元、数据通信单元、数据存储器和状态显示器四个部分； 信息采集单元通过安置在系统设备上的传感器周期性地获取压裂作业系统和船舶平台系统各个子系统及设备的状态信息及故障报警信息;压裂作业系统信息包含混砂系统、酸液系统、压裂栗和冷却系统的状态信息及故障报警信息;船舶平台系统信息包括经玮度、横摇角、横摇周期、横倾角和重心高度信息，风、浪和流的环境信息，及动力系统和船舶操纵系统的系统状态信息； 数据通信单元的功能是将信息采集系统采集的设备状态数据传输到数据存储系统中，同时传送给属性简约模块和状态数据库系统中； 数据存储器与数据通信单元相连，实时接收数据通信系统传输的压裂作业系统和船舶平台系统的状态参数、故障报警信息，为状态显示器、状态数据库、属性简约模块提供实时数据;数据存储系统是一个临时存储区域，只会存储同一时钟节拍下的数据，随后便清空缓存继续接收下一时钟节拍的数据； 状态显示器将存储在数据存储器中的数据进行实时显示，是压裂作业与操作人员的交互接口。
【文档编号】G06Q50/02GK106056462SQ201610393035
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年6月6日
【发明人】刘德丽, 唐平鹏, 王楠, 阎毓杰
【申请人】中国船舶重工集团公司第七〇九研究所, 中国船舶重工集团公司第七一九研究所