秦小剛,于邦廷,賈津耀,王文祥,徐正海
(中海油研究總院有限責(zé)任公司,北京 100010)
隨著工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展,海洋石油的智能油田建設(shè)推進(jìn)設(shè)備完整性管理及數(shù)字化服務(wù)能力的提升,對(duì)動(dòng)設(shè)備開展智能化狀態(tài)監(jiān)測(cè)是其重要的組成部分。通過對(duì)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè),實(shí)現(xiàn)從事后維修變?yōu)闋顟B(tài)維修和預(yù)知性維修轉(zhuǎn)變,是減少海洋石油設(shè)備故障和降低設(shè)備維修費(fèi)用的重要途徑[1]。目前的海洋石油平臺(tái)擁有眾多關(guān)鍵機(jī)泵,如注水泵、外輸泵等。這都是油氣生產(chǎn)過程中的關(guān)鍵機(jī)組,其安全可靠運(yùn)行對(duì)于海上油氣正常生產(chǎn)有著重要影響。因此,本文針對(duì)海洋石油關(guān)鍵機(jī)泵建立在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng),并開展基于數(shù)學(xué)模型的智能預(yù)警技術(shù)研究。
海洋石油關(guān)鍵機(jī)泵多為電機(jī)-多級(jí)離心泵機(jī)組,某海洋石油平臺(tái)注水泵技術(shù)參數(shù)如表1所示?;谡駝?dòng)頻譜分析法的旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備故障診斷技術(shù)是旋轉(zhuǎn)設(shè)備進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷最常用、最有效的方法,已成為目前狀態(tài)監(jiān)測(cè)與診斷最為常用的一項(xiàng)專業(yè)技術(shù)手段[2-4]。由于動(dòng)設(shè)備的絕大多數(shù)機(jī)械故障,都與關(guān)鍵支撐部件有著直接或間接的關(guān)系,因此將振動(dòng)加速度傳感器布置在海洋油田關(guān)鍵機(jī)泵的軸承座位置上。
表1 某平臺(tái)注水泵機(jī)組簡(jiǎn)要技術(shù)參數(shù)表
為了更好地收集設(shè)備狀態(tài)信息,除了用振動(dòng)加速度傳感器原始信號(hào)進(jìn)行采集外,還將機(jī)組現(xiàn)場(chǎng)控制盤的參數(shù)通過modulbus協(xié)議接入至在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng),豐富狀態(tài)信息。平臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)中控室或配電間安裝現(xiàn)場(chǎng)級(jí)的級(jí)服務(wù)器和數(shù)采器,對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、存儲(chǔ)、處理、壓縮、通信,并通過海油內(nèi)網(wǎng)辦公網(wǎng)絡(luò)傳輸至陸地遠(yuǎn)程診斷中心。海洋石油機(jī)泵在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)概貌圖如圖1所示。
圖1 機(jī)泵在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)
目前,在設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)智能化水平的提升上,基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的智能化診斷技術(shù)在故障診斷領(lǐng)域中的應(yīng)用已取得較為可觀的成果[5-6]?;谌斯ど窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備故障識(shí)別和知識(shí)規(guī)則模型的主體思路一致,知識(shí)規(guī)則模型是模仿診斷專家,而神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)則是模仿人類大腦信息傳遞的方式。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中心思想就是利用神經(jīng)單元實(shí)現(xiàn)線性函數(shù)的求解,層與層之間利用激勵(lì)函數(shù)對(duì)線性解進(jìn)行非線性化處理,并依據(jù)非線性化解模仿人類細(xì)胞的興奮和抑制行為,實(shí)現(xiàn)信息的傳遞,并根據(jù)最終的信息輸出得到結(jié)果。圖2為四層人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。
圖2 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)示意圖
式(1)、式(2)是層中計(jì)算的線性方式,而神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)細(xì)胞的興奮和抑制是非線性的,類似于細(xì)胞動(dòng)作,神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)每一節(jié)點(diǎn)的輸出,可以利用激勵(lì)函數(shù)進(jìn)行非線性化處理,非線性化后隱含層的輸出可由式(3)計(jì)算。
(1)
(2)
(3)
其中f( )為激勵(lì)函數(shù)。
網(wǎng)絡(luò)第三層為輸出層,輸出層中和隱含層運(yùn)算唯一不同的是,不進(jìn)行非線性化處理,最終結(jié)果直接代數(shù)相加,得出預(yù)測(cè)結(jié)果,其輸入量為隱含層的輸出量,見式(4)。
(4)
BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸入數(shù)據(jù)的正向傳遞過程,權(quán)重系數(shù)信息反向傳遞更新網(wǎng)絡(luò)權(quán)重系數(shù),直至達(dá)到網(wǎng)絡(luò)設(shè)定的預(yù)測(cè)精度。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)是最小化實(shí)際值與預(yù)測(cè)值之間的誤差,如式(5)所示。運(yùn)用梯度下降算法調(diào)整權(quán)重系數(shù),實(shí)現(xiàn)誤差信息的反向傳輸。權(quán)重系數(shù)的更新可由式(6)計(jì)算得到。通過偏差對(duì)權(quán)重系數(shù)的導(dǎo)數(shù),更新各層權(quán)重系數(shù),權(quán)重系數(shù)傳遞如式(7)所示。
(5)
w′i=wi-η·Δwi=wi-η·η·δi·xi
(6)
(7)
根據(jù)網(wǎng)絡(luò)輸出和理論標(biāo)簽,計(jì)算輸出層的誤差項(xiàng)。隱含層模仿人類思考方式,層數(shù)越多意味著考慮問題越全面。隱含層權(quán)重系數(shù)的更新,可以理解為思維的倒推,誤差項(xiàng)是由下一層的誤差項(xiàng)反向計(jì)算出來的,誤差項(xiàng)的更新見式(8)。
δi=wi+1·δi+1·fi′ (·)
(8)
式中:δi代表神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的第i層誤差項(xiàng);fi′ (·)為第i層激勵(lì)函數(shù)的導(dǎo)數(shù);wi+1、δi分別代表第i層與第i+1層的連接權(quán)重系數(shù)和第i+1層誤差項(xiàng)。因此求解隱含層權(quán)重時(shí),式(8)變?yōu)槭?9)。不同的激勵(lì)函數(shù)求導(dǎo)結(jié)果不同,輸出層激勵(lì)函數(shù)為線性函數(shù),其求導(dǎo)結(jié)果如式(10)所示,輸出層的權(quán)系數(shù)更新如式(11)所示。雙曲正切激勵(lì)函數(shù)能夠形象地描述細(xì)胞間的興奮和抑制動(dòng)作,其求導(dǎo)結(jié)果如式(12)所示,隱含層的權(quán)系數(shù)更新如式(13)所示。通過上述循環(huán),實(shí)現(xiàn)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型權(quán)重系數(shù)的更新,從而使預(yù)測(cè)值達(dá)到規(guī)定的誤差限。式(12)、式(13)為輸入層輸出,即隱含層的輸入。
Δwi=δi·xi=wi+1·δi+1·fi′ (·)·xi
(9)
(10)
w′3=w3-η·Δw3=w3-η·δ3·a′2=w3+
η·(t3-f(w3a′2))·a′2
(11)
(12)
(13)
神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可通過線性計(jì)算,使非線性的激勵(lì)函數(shù)非線性化處理轉(zhuǎn)換為線性輸出。根據(jù)實(shí)際輸出和理想輸出之間的誤差,修改權(quán)重系數(shù),從而達(dá)到分類和回歸預(yù)測(cè)。因此可利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)設(shè)備運(yùn)行工況,實(shí)現(xiàn)工況識(shí)別,利用學(xué)習(xí)好的模型確定設(shè)備實(shí)時(shí)運(yùn)行工況。
通過設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn),采集雙轉(zhuǎn)子實(shí)驗(yàn)臺(tái)轉(zhuǎn)速,驗(yàn)證工況識(shí)別方法。實(shí)驗(yàn)臺(tái)為雙轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu),轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)由接近開關(guān)測(cè)取,試驗(yàn)臺(tái)如圖3所示。采集1#軸和2#軸轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù),按照不同運(yùn)行轉(zhuǎn)速工況建立標(biāo)簽庫,根據(jù)標(biāo)簽庫自動(dòng)為訓(xùn)練數(shù)據(jù)添加標(biāo)簽。表2所示為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速,由于變頻器控制誤差,實(shí)測(cè)轉(zhuǎn)速與給定轉(zhuǎn)速存在一定偏差。
圖3 試驗(yàn)臺(tái)
表2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速 單位:r/min
BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)設(shè)置為一層輸出層和兩層隱含層。其中設(shè)置隱含層激勵(lì)函數(shù)為tansig,輸出激勵(lì)為線性,迭代步數(shù)為500步。訓(xùn)練在160步時(shí)達(dá)到了設(shè)定的誤差限,且誤差保持平穩(wěn),梯度下降很慢。由圖4可以看出,訓(xùn)練樣本、交叉驗(yàn)證樣本、測(cè)試樣本以及整個(gè)樣本的分類性能均達(dá)到最優(yōu)。
圖4 訓(xùn)練結(jié)果
選擇任意實(shí)驗(yàn)工況,測(cè)試訓(xùn)練工況識(shí)別模型,表3所示為測(cè)試數(shù)據(jù)。圖5(a)所示為測(cè)試數(shù)據(jù)變化趨勢(shì),對(duì)應(yīng)的理論標(biāo)簽如表3所示,圖5(b)所示為網(wǎng)絡(luò)識(shí)別輸出標(biāo)簽。由表3中各實(shí)驗(yàn)工況下最大識(shí)別誤差,可以說明網(wǎng)絡(luò)能夠正確匹配實(shí)驗(yàn)工況。
表3 測(cè)試工況轉(zhuǎn)速表
圖5 網(wǎng)絡(luò)測(cè)試輸出標(biāo)簽
根據(jù)以上設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)測(cè)試,采用程序語言并將基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的智能預(yù)警診斷算法植入海洋石油機(jī)泵在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng),開發(fā)出基于數(shù)學(xué)模型的海洋石油機(jī)泵智能診斷系統(tǒng)。通過實(shí)際應(yīng)用測(cè)試,海洋石油機(jī)泵智能診斷系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)關(guān)鍵機(jī)泵的在線監(jiān)測(cè)和及時(shí)智能預(yù)警診斷,達(dá)到設(shè)計(jì)要求。
針對(duì)海洋石油機(jī)泵結(jié)構(gòu)特點(diǎn),應(yīng)用監(jiān)測(cè)技術(shù),搭建出關(guān)鍵機(jī)泵在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng),采用相對(duì)成熟的基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的智能化預(yù)警診斷技術(shù),設(shè)計(jì)智能預(yù)警診斷核心算法,與海洋石油設(shè)備在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行融合,搭建基于在線監(jiān)測(cè)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的海洋石油關(guān)鍵機(jī)泵智能診斷系統(tǒng)。現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明,海洋石油關(guān)鍵機(jī)泵的智能診斷系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)有效的智能預(yù)警診斷。