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(yè)知識和豐富的設計經(jīng)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(shù)據(jù)信息，同時還需要有專家知識和經(jīng)驗的支持。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，特別是基于知識的專家系統(tǒng)設計方法的產(chǎn)生和發(fā)展，工程設計型專家系統(tǒng)的也得到了廣泛的開發(fā)和應用[1]，這使得使用計算機代替專家實現(xiàn)平臺智能化設計成為可能。

1 平臺數(shù)據(jù)庫建立

1.1 平臺數(shù)據(jù)庫的特點

自升式鉆井平臺設計專家系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫設計與常規(guī)的數(shù)據(jù)庫設計有所不同。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計方面大量的非圖形數(shù)據(jù)[2]，本系統(tǒng)是工程設計與專家系統(tǒng)的有機結(jié)合，因此系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫具有自己鮮明的特點。

系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫，括知識庫和綜合數(shù)據(jù)庫。在系統(tǒng)的運行推理過程中，知識庫為系統(tǒng)提供必需的知識，幫助系統(tǒng)完成問題的整個求解過程，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)運行過程中出現(xiàn)的動態(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，主要由計算機系統(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)庫應用程序和用戶組成[3～4]。

（1）計算機系統(tǒng)。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(nèi)存和外部存儲設備。軟件資源包括操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)及應用程序等。

（2）數(shù)據(jù)庫。是一個提供數(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，所有允許的應用系統(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，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)的定義與應用程序分開，數(shù)據(jù)庫的描述是獨立的。因此數(shù)據(jù)庫可以為多種應用程序所使用，達到數(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(shù)據(jù)庫接口，并通過數(shù)據(jù)庫接口與數(shù)據(jù)庫相連，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)庫進行檢索、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)庫應用程序開發(fā)軟件包。系統(tǒng)采用了ADO Data控件和ADO Data對象來實現(xiàn)對數(shù)據(jù)庫的連接和操作

2 自升式鉆井平臺設計推理系統(tǒng)

2.1 自升式鉆井平臺設計專家系統(tǒng)的構(gòu)成

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

知識庫劃分為規(guī)則庫和實例庫。規(guī)則庫，用以存放該領(lǐng)域的專門知識；實例庫，用以存放以往自升式平臺的數(shù)據(jù)資料。知識獲取程序，負責對知識庫的知識進行管理，實現(xiàn)對知識的添加、修改、刪除等功能。知識庫和知識獲取程序構(gòu)成了知識庫系統(tǒng)。

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

綜合數(shù)據(jù)庫用于存取系統(tǒng)運行過程中輸入和產(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計時考慮的重要問題。數(shù)據(jù)的表示和組織與知識的表示和組織要相容，這是數(shù)據(jù)庫構(gòu)建與知識庫構(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。解釋過程的預制文本，也通過用戶界面顯示給用戶。

系統(tǒng)的總體設計思想是：在分析整理自升式鉆井平臺數(shù)據(jù)信息和專門知識的基礎(chǔ)上，建立規(guī)則庫和實例庫，依據(jù)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(jié)果，并采用可視化技術(shù)進行程序設計，保證人-機對話的友好性。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 平臺實例庫構(gòu)建

實例庫存放的是事實性的知識，是對以往平臺數(shù)據(jù)信息的描述。每一條數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)信息利用Microsoft Excel軟件進行處理，經(jīng)過分析整理后，形成實例庫的雛形，最后運用Microsoft Office Access數(shù)據(jù)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(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個主要部分：平臺選型、主尺度確定、平臺總質(zhì)量估算、平臺性能校核和輔助功能。

平臺選型規(guī)則庫，主要依據(jù)初始設計條件和業(yè)主要求，確定平臺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)驗公式；

平臺總質(zhì)量估算規(guī)則庫，主要確定平臺結(jié)構(gòu)總質(zhì)量、平臺設備總質(zhì)量和可變載荷，平臺結(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，平臺設備總質(zhì)量和可變載荷由設計要求以及經(jīng)驗公式給出；

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

輔助功能規(guī)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(guī)則庫按推理過程，分為一個條件集和多個規(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)庫中的設計條件，或者中間數(shù)據(jù)進行匹配，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

自升式鉆井平臺設計專家系統(tǒng)的推理思想為：依據(jù)用戶輸入的已知的初始設計條件，主要是設計水深等環(huán)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(guī)則庫中對應的規(guī)則集中，搜索匹配的規(guī)則，估算平臺總質(zhì)量；依據(jù)環(huán)境條件數(shù)據(jù)，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(huán)直到求出最優(yōu)解。

推理機可以分成主尺度確定模塊、平臺總質(zhì)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(diào)用知識庫中的知識進行問題求解，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：首先輸入設計的初始數(shù)據(jù)，并存儲在綜合數(shù)據(jù)庫中，這時候功能模塊的推理機開始運行，對規(guī)則的條件部分進行匹配，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，則沖突消除并運行規(guī)則的結(jié)論部分，并將結(jié)果存儲到綜合數(shù)據(jù)庫中，以便后來規(guī)則的調(diào)用，這時繼續(xù)下一條規(guī)則的匹配過程，直至遍歷整個規(guī)則庫。

2.5 綜合數(shù)據(jù)庫的構(gòu)建

綜合數(shù)據(jù)庫主要用來存儲各個參數(shù)的結(jié)果，沒有推理規(guī)則。各個模塊的數(shù)據(jù)在Microsoft Office Access軟件中，是以數(shù)據(jù)表的形式來存儲。表是數(shù)據(jù)庫存儲數(shù)據(jù)的最基本對象，是一個數(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、窗體和報表等其他項目，并逐步完善數(shù)據(jù)庫。

3 自升式鉆井平臺設計專家系統(tǒng)程序設計

經(jīng)過對自升式鉆井平臺設計和系統(tǒng)推理機制的分析，確定了平臺設計推理的結(jié)構(gòu)模塊。圖2是系統(tǒng)的模塊結(jié)構(gòu)圖。

圖2 自升式鉆井平臺設計專家系統(tǒng)總模塊結(jié)構(gòu)圖

采用Visual Basic 6.0程序設計語言，實現(xiàn)了對后臺知識庫和綜合數(shù)據(jù)庫的操控。根據(jù)自升式鉆井平臺的設計特點，程序設計實現(xiàn)系統(tǒng)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(shù)據(jù)庫有機地結(jié)合在一起。

圖3為本系統(tǒng)的MDI窗口，即系統(tǒng)的主界面。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(jié)果輸出、查看和維護數(shù)據(jù)庫、設置、幫助和關(guān)于。菜單的順序按照平臺的設計過程排列，體現(xiàn)了各個模塊之間的設計繼承性。

圖3 系統(tǒng)主窗口界面

本系統(tǒng)使用API函數(shù)主要實現(xiàn)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(tǒng)的應用

應用自升式鉆井平臺設計專家系統(tǒng)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(tǒng)的的數(shù)據(jù)庫中，作為推理機進行推理計算的初始數(shù)據(jù)。

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(tǒng)自動從綜合數(shù)據(jù)庫中調(diào)出該平臺的設計參數(shù)作為設計的已知條件；然后點擊“查詢”按鈕，系統(tǒng)會自動從實例庫中搜索匹配設計參數(shù)相近的平臺，設計者依據(jù)設計經(jīng)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(guān)參數(shù)，并且可以手動修改這些參數(shù)；檢查完數(shù)據(jù)的合理性以后，將推理出的設計數(shù)據(jù)保存到綜合數(shù)據(jù)庫中。

點擊平臺主體的樁靴和樁腿設計模塊：系統(tǒng)推理機能夠根據(jù)平臺作業(yè)的地質(zhì)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(tǒng)推理機進入規(guī)則庫的樁腿設計規(guī)則子庫，進行規(guī)則匹配，并獲取計算結(jié)果，確定后將所得推理結(jié)果存儲到綜合數(shù)據(jù)庫中。

4.3 平臺總質(zhì)量估算

點擊平臺總質(zhì)量的結(jié)構(gòu)質(zhì)量模塊，推理機根據(jù)平臺的主尺度數(shù)據(jù)搜索匹配相應的規(guī)則，然后計算出平臺各部分結(jié)構(gòu)質(zhì)量結(jié)果。設計者可以根據(jù)實際情況修改估算結(jié)果，點擊“確定”可以將結(jié)果保存到綜合數(shù)據(jù)庫中。

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

一是輸入詳細設備質(zhì)量數(shù)據(jù)，然后分項求和；

二是根據(jù)母型平臺數(shù)據(jù)和經(jīng)驗公式直接估算設備總質(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。

點擊平臺總質(zhì)量的可變載荷模塊，推理機依據(jù)平臺匹配規(guī)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(huán)境載荷，然后再校核平臺坐底穩(wěn)性和漂浮穩(wěn)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(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地壓力為控制參數(shù)進行樁靴尺寸估算。該模塊可以調(diào)用ANSYS程序精確計算波流載荷大小，作為環(huán)境載荷計算模塊估算結(jié)果的參考。

4.6 結(jié)果輸出

在完成平臺方案設計以后，通過該模塊輸出設計結(jié)果報告。

5 結(jié)束語

通過自升式鉆井平臺設計專家系統(tǒng)的研究，建立了一個完善的、功能強大的知識庫，在運行中調(diào)用數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)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(xiàn)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(guī)則庫、綜合數(shù)據(jù)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(shù)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(jīng)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(tǒng)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(tǒng)的開發(fā)研究[D].天津：天津大學，2003.