《装备制造技术））２ｏｌ１年第８期 自升式钻井平台设计专家系统的研究与应用 初新杰１ １（１．中国海洋大学，山东青岛２６６００３；２．胜利石油管理局钻井工艺研究院，山东东营２５７０１７） 摘要：研究了自升式钻井平台设计知识库构建技术和专家系统推理分析技术，建立了自升式钻井平台实例库、规则 库和综合数据库，编制了自动知识库获取程序，并将研发的设计专家系统应用于自升式平台的方案设计，提供的平台 实例库、规则库、综合数据库以及推理分析程序为自升式钻井平台的方案设计提供了技术支持，可显著提高平台的设 计效率，具有工程实用价值。 关键词：自升式钻井平台；设计专家系统；数据库；程序设计；应用 中图分类号：ＴＥ５２ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７２—５４５Ｘ（２０１１）０８一Ｏ１０９—０４ 自升式钻井平台是一个复杂的综合性的海洋工 １＿２数据库体系的组成 程，它工程复杂、投资大、周期长、风险高。在自升式 数据库系统用于组织和存取大量数据的管理， 钻井平台的总体设计过程中，要对大量的信息进行 主要由计算机系统、数据库、数据库描述、数据库管 处理，需要运用多方面的专业知识和丰富的设计经 理系统、数据库应用程序和用户组成 ］。 验，并需要通过多次反复的综合分析计算，能得到一 （１）计算机系统。包括计算机硬件资源和基本软 个好的设计方案。 件资源。硬件资源包括中央处理器、大容量的内存和 平台的设计，要处理复杂多样又具有不确定性 外部存储设备。软件资源包括操作系统、数据库管理 的数据信息，同时还需要有专家知识和经验的支持。 系统及应用程序等。 随着生产技术的不断提高，人工智能技术的不断发 （２）数据库。是一个提供数据的基地，能够保存 展，特别是基于知识的专家系统设计方法的产生和 数据并以最佳方式、最少的数据重复，所有允许的应 发展，工程设计型专家系统的也得到了广泛的开发 用系统所共享。数据库中的数据，一定的组织形式存 和应用【１】，这使得使用计算机代替专家实现平台智能 储在一起，构成相互有关的数据整体。这种数据是一 化设计成为可能。 种相对稳定的中间数据，其既不同于输入数据，也不 同于输出数据。尽管输出数据是从数据库中的数据 １ 平台数据库建立 推导产生出来的数据，但是它们本身并不是数据库 的一部分。 １．１ 平台数据库的特点 数据存人数据库时，有一定的数据库结构和文 自升式钻井平台设计专家系统的数据库设计与 件组织方式。在数据库系统中，数据的定义与应用程 常规的数据库设计有所不同。常规的数据库系统，多 序分开，数据库的描述是独立的。因此数据库可以为 都是工程数据库，用来组织和管理工程设计方面大 多种应用程序所使用，达到数据共享的目的。 量的非图形数据［２］，本系统是工程设计与专家系统的 （３）数据库管理系统。包括数据库定义、数据的 有机结合，因此系统的数据库具有自己鲜明的特点。 输入、数据库的操作、数据库的维护及数据库控制 系统的数据库，括知识库和综合数据库。在系统 等。本系统采用ＭＳ Ａｃｃｅｓｓ数据库管理系统。 的运行推理过程中，知识库为系统提供必需的知识， （４）应用程序。应用程序采用Ｖｉｓｕａｌ Ｂａｓｉｃ程序 帮助系统完成问题的整个求解过程，数据库数据本 设计软件进行编写，程序设计语言有相应的数据库 身不发生改变；综合数据库主要存取系统运行过程 接口，并通过数据库接口与数据库相连，实现对数据 中出现的动态数据，包括初始输入，中间结果和答案 库进行检索、插入、删除或更新等操作。 输出等随着系统的推理而产生的数据。 收稿日期：２０１１－０５—０６ 基金项目：胜利油田科技攻关项目“自升式钻井平台设计专家系统研究”资助（ＧＫＨｏ９０３） 作者简介：初新杰（１９６８一），男，山东东营人，高级工程师，在读博士，主要从事海洋工程设计和试验研究。 １０９ Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ Ｍａｎｕｆａｃｔｒｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｎｏ．８，２０１ １ １．３数据库的建立 ２．２平台实例库构建 本系统采用数据库管理系统Ｍｉｃｒｏｓｏｆｔ Ｏｆｉｆｃｅ Ａｃ— ｃｅｓｓ ２００７软件来创建数据库，供专家系统调用、连接 实例库存放的是事实性的知识，是对以往平台 数据信息的描述。每一条数据就是一个自升式钻井 和管理，编译工具是Ｖｉｓｕａｌ Ｂａｓｉｃ数据库应用程序开 平台的信息。一个自升式平台包含了３３个数据，数 发软件包。系统采用了ＡＤＯ Ｄａｔａ控件和ＡＤＯ Ｄａｔａ 据信息包含了平台背景、平台型式、平台船体尺寸、 对象来实现对数据库的连接和操作 钻井能力和其他平台设备等。 平台数据信息利用Ｍｉｃｒｏｓｏｆｔ Ｅｘｃｅｌ软件进行处 ２ 自升式钻井平台设计推理系统 理，经过分析整理后，形成实例库的雏形，最后运用 Ｍｉｃｒｏｓｏｆｔ Ｏｆｉｆｃｅ Ａｃｃｅｓｓ数据库软件导人Ｅｘｃｅｌ表中的 平台信息，形成平台母型实例库。 ２．１ 自升式钻井平台设计专家系统的构成 自升式钻井平台设计专家系统，据自身特点的 需要，主要包括知识库、推理机、综合数据库和用户 界面４个大组成部分。 知识库划分为规则库和实例库。规则库，用以存 放该领域的专门知识；实例库，用以存放以往自升式 平台的数据资料。知识获取程序，负责对知识库的知 识进行管理，实现对知识的添加、修改、删除等功能。 知识库和知识获取程序构成了知识库系统。 推理机是执行系统的各种任务，进行各种推理或 实现搜索等功能的程序模块。比如控制执行平台主尺 度估算、平台总质量计算和平台性能校核等模块。 综合数据库用于存取系统运行过程中输入和产 生的所有信息，包括初始输入条件、中间结果和解释 过程的预制文本等信息。数据库的组织、管理和数据 间的连接都是需要在设计时考虑的重要问题。数据 的表示和组织与知识的表示和组织要相容，这是数 据库构建与知识库构建需要考虑的问题。 用户界面是系统与用户基于文字、图像的接口， 一般包括输人和输出两大部分。解释过程的预制文 本，也通过用户界面显示给用户。 系统的总体设计思想是：在分析整理自升式钻 井平台数据信息和专门知识的基础上，建立规则库 和实例库，依据自升式钻井平台的设计流程，并运用 知识库中的知识进行推理，最后输出推理结果，并采 用可视化技术进行程序设计，保证人一机对话的友 好性。系统结构如图ｌ所示。 图１ 系统的结构图 １１Ｏ ２．３平台规则库的构建 规则库的规则，按照推理过程划分为５个主要 部分：平台选型、主尺度确定、平台总质量估算、平台 性能校核和辅助功能。 平台选型规则库，主要依据初始设计条件和业 主要求，确定平台主船体和桩腿的型式； 主尺度确定规则库，主要确定主船体和桩腿的 尺寸，主要是参考母型船的资料以及相关的规范、经 验公式； 平台总质量估算规则库，主要确定平台结构总 质量、平台设备总质量和可变载荷，平台结构总质量 又包括船体总质量、桩腿总质量和上层建筑总质量， 平台设备总质量和可变载荷由设计要求以及经验公 式给出； 平台性能校核规则库，主要是校核平台的浮性 和稳性，规则大多都是计算公式； 辅助功能规则库，主要完成一些平台的辅助设 计工作，例如桩靴的尺寸估算。 将规则库按推理过程，分为一个条件集和多个规 则集，规则集中的规则，主要包括条件和结论两部分。 在推理过程中，首先选择不同的规则集，并搜索 规则集中规则的条件部分所引用的来自条件集中的 条件，然后再将选定的条件与综合数据库中的设计 条件，或者中间数据进行匹配，如果条件满足，则执 行规则集中的规则结论部分。 ２．４推理机 自升式钻井平台设计专家系统的推理思想为： 依据用户输入的已知的初始设计条件，主要是设计 水深等环境条件和钻井深度等使用条件，从实例库 中搜索匹配的母型，确定平台型式，获取主尺度的最 初设计方案，然后从规则库中对应的规则集中，搜索 匹配的规则，估算平台总质量；依据环境条件数据， 校核平台性能，并分析最初方案的合理性和可行性， 通过设计者的判断，可以做出相应的修改，把修改后 的方案重新进行推理，循环直到求出最优解。 《装备制造技术））２０１１年第８期 推理机可以分成主尺度确定模块、平台总质量 估算模块和平台性能校核模块等３个大模块，推理 过程按照正向推理的原理，调用知识库中的知识进 行问题求解，综合数据库用来存取推理过程中的初 始条件、中间过程和最终结果等数据。 图３系统主窗口界面 本系统使用ＡＰＩ函数主要实现推理机暂停等 文件或文件夹浏览、获取进程句柄等功能。 推理过程为：首先输入设计的初始数据，并存储 待、在综合数据库中，这时候功能模块的推理机开始运 行，对规则的条件部分进行匹配，如果匹配失败，找 ４ 自升式钻井平台设计专家系统的应用 不到可以执行的规则，则推理结束；如果匹配成功， 则冲突消除并运行规则的结论部分，并将结果存储 应用自升式钻井平台设计专家系统完成了３座 到综合数据库中，以便后来规则的调用，这时继续下 一条规则的匹配过程，直至遍历整个规则库。 ２．５ 综合数据库的构建 综合数据库主要用来存储各个参数的结果，没 有推理规则。各个模块的数据在Ｍｉｃｒｏｓｏｆｔ Ｏｆｆｉｃｅ Ａｃ— ｃｅｓｓ软件中，是以数据表的形式来存储。表是数据库 存储数据的最基本对象，是一个数据库系统的基础， 在建立了表的基础上才能建立查询、窗体和报表等 其他项目，并逐步完善数据库。 ３ 自升式钻井平台设计专家系统程序设计 经过对自升式钻井平台设计和系统推理机制的 分析，确定了平台设计推理的结构模块。图２是系统 的模块结构图。 自升式平台设计专家系统 曩 蓁 图２ 自升式钻井平台设计专家系统总模块结构图 采用Ｖｉｓｕａｌ Ｂａｓｉｃ ６．０程序设计语言，实现了对后 台知识库和综合数据库的操控。根据自升式钻井平 台的设计特点，程序设计实现系统的几个求解模块， 并建立友好美观的用户界面，把人机界面、知识库和 综合数据库有机地结合在一起。 图３为本系统的ＭＤＩ窗口，即系统的主界面。可 以看出主界面共有１Ｏ个菜单项，分别为：新建、平台 主体、平台重量、平台性能、辅助功能、结果输出、查 看和维护数据库、设置、帮助和关于。菜单的顺序按 照平台的设计过程排列，体现了各个模块之间的设 计继承性。 平台的方案设计，流程如下： ４．１ 输入平台初始设计条件 点击新建平台设计方案模块：将平台的初试设 计条件，输入到系统的的数据库中，作为推理机进行 推理计算的初始数据。 ４．２平台主体设计 点击平台主体的选型和主尺度设计模块：首先 选择平台名称，系统自动从综合数据库中调出该平 台的设计参数作为设计的已知条件；然后点击“查 询”按钮，系统会自动从实例库中搜索匹配设计参数 相近的平台，设计者依据设计经验和实际情况，选择 一个合适的平台作为母型平台；然后是提取母型平 台的相关参数，并且可以手动修改这些参数；检查完 数据的合理性以后，将推理出的设计数据保存到综 合数据库中。 点击平台主体的桩靴和桩腿设计模块：系统推 理机能够根据平台作业的地质条件和桩腿型式，自 动推理出合适的桩端型式。点击“估算”按钮，系统推 理机进入规则库的桩腿设计规则子库，进行规则匹 配，并获取计算结果，确定后将所得推理结果存储到 综合数据库中。 ４．３平台总质量估算 点击平台总质量的结构质量模块，推理机根据 平台的主尺度数据搜索匹配相应的规则，然后计算 出平台各部分结构质量结果。设计者可以根据实际 情况修改估算结果，点击“确定”可以将结果保存到 综合数据库中。 点击平台总质量的设备质量模块，计算平台的 设备总质量。平台设备种类繁多，很难准确估算。本 系统提供两种估算方法： 一是输入详细设备质量数据，然后分项求和； 二是根据母型平台数据和经验公式直接估算设 备总质量。 其中第二种方法快速简便，但第一种方法比第 二种方法要精确和完整。 １１１ Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ Ｍａｎｕｆａｃｔｒｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｎｏ．８，２０１ １ 点击平台总质量的可变载荷模块，推理机依据 立了一个完善的、功能强大的知识库，在运行中 用 平台匹配规则估算可变载荷。 数据库中的数据信息，同时识别和选取知识库中有 ４．４平台性能校核 用的知识，用推理机进行推理，实现自升式钻井平台 平台性能校核模块首先计算平台的环境载荷，然 总体方案设计。 后再校核平台坐底稳性和漂浮稳性。如果平台性能不 研究成果提供的平台实例库、规则库、综合数据 满足条件，则需要修改设计方案并重新进行设计。 库以及推理分析程序，为自升式平台的方案设计和 ４．５辅助功能设计 有了平台的主尺度数据、总质量数据和性能数 人员培训提供了技术支持，提高了平台设计效率，缩 据以后，辅助功能模块以桩靴对地压力为控制参数 短了设计周期，增强了竞争力，具有明显的经济效益 进行桩靴尺寸估算。该模块可以调用ＡＮＳＹＳ程序精 和工程实用价值。 确计算波流载荷大小，作为环境载荷计算模块估算 结果的参考。 参考文献： ４．６ 结果输出 ［１任贵永．海洋移动式平台［１］Ｍ】．天津：天津大学出版社，１９８９． 在完成平台方案设计以后，通过该模块输出设 ［２］虞维明．海洋平台的建造与维修【Ｍ］．北京：海洋出版社， 计结果报告。 １９９２． 【３］赵阳．海上钻井平台分布式管理信息系统分析与研究【Ｄ】 ５ 结束语 天津：天津大学，２００５． ［４陈跃．海洋平台三维建模ＣＡＤ系统的开发研究【４］Ｄ］．天津： 天津大学，２００３． 通过自升式钻井平台设计专家系统的研究，建 Ｓｔｕｄｙ ａｎｄ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ａｂｏｕｔ ｔｈｅ Ｄｅｓｉｇｎ Ｅｘｐｅｒｔ Ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ Ｏｃｅａｎ Ｊａｃｋ－ｕｐ Ｄｒｉｌｌｉｎｇ Ｐｌａｔｆｏｒｍｓ ＣＨＵ Ｘｉｎ－ｊｉｅ 工 （１．Ｏｃｅａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｃｈｉｎａ，Ｑｉｎｇｄａｏ Ｓｈａｎｄｏｎｇ ２６６００３，Ｃｈｉｎａ；２．Ｄｒｉｌｌｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ， ＳｈｅｎＳｉ Ｐｅｔｒｏｌｅｕｍ Ａｄｍｉｎｉｓｔｒａｔｉｖｅ Ｂｕｒｅａｕ，Ｄｏｎｇｙｉｎｇ Ｓｈａｎｄｏｎｇ ２５７０１７，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ ｔｈｅ ｋｎｏｗｌｅｄｇｅ ｄａｔａｂａｓｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｉｎｆｅｒｅｎｃｅ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ ｅｘｐｅｒｔ ｄｅｓｉｇｎ ｓｙｓｔｅｍｓ ａｂｏｕｔ ｊａｃｋ－ｕｐ ｄｒｉｌｌｉｎｇ ｐｌａｔｆｏｒｍｓ ａｒｅ ｓｔｕｄｉｅｄ．Ａ ｃａｓｅ ｄａｔａｂａｓｅ，ａ ｒｕｌｅ ｄａｔａｂａｓｅ ａｎｄ ａｎ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｄａｔａｂａｓｅ ｏｆ ｊａｃｋ－ｕｐ ｐｌａｔｆｏｒｍｓ ａｒｅ ｅｓｔｂａｌｉｓｈｅｄ．Ａｎ ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｏｂｔａｉｎｉｎｇ ｐｒｏｇｒａｍ ｆｏｒ ｄｅｍａｎｄｅｄ ｄａｔａ ｉｆｎｏｒｍａｔｉｏｎ ｉｎ ｔｈｅ ｋｎｏｗｌｅｄｇｅ ｄａｔａｂａｓｅ ｉｓ ｃｒｅａｔｅｄ．Ｔｈｅ ｅｘｐｅ￣ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ ａｎｄ ｕｓｅｄ ｉｎ ｓｃｈｅｍｅ ｄｅｓｉｇｎｓ ｏｆ ｊａｃｋ－ｕｐ ｐｌａｔｆｏｒｍｓ．Ｔｈｅ ｄａｔｂａａｓｅｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｉｆｎｅｒｅｎｃｅ ｐｒｏｇｒａｍ ｃａｌｌ ｏｆｆｅｒ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｓｕｐｐｏ￣ｓ ｔｏ ｔｈｅ ｓｃｈｅｍｅ ｄｅｓｉｇｎｓ ｏｆ ｐｌａｔｆｏｒｍｓ ａｎｄ ｈａｖｅ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｐｒａｃｔｉｃａｌ ｖａｌｕｅｓ．Ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｃａｎ ｂｅ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙ ｉｎｃｒｅａｓｅｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｊａｃｋ－ｕｐ ｄｒｉｌｌｉｎｇ ｐｌａｔｆｏｒｍ；ｄｅｓｉｎｇ ｅｘｐｅｒｔ ｓｙｓｔｅｍ；ｄａｔａ ｂａｓｅ；ｐｒｏｇｒａｍ ｄｅｓｉｎｇ；ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ （上接第９８页） Ｏｐｔｉｍｉｚｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ ａｎｄ Ｍａｎａｇｅ Ｖｉａ ＰＬＣ Ａｂｏｒｔ ｔｈｅ Ａｉｒ Ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ ＱＣＣ ＷＡＮＧ Ｌｉ－ｐｉｎｇ，ＹＩＮ Ｚｈｅｎｇ－ｘｉｎｇ，ＱＩ Ｙｕｎ－ｈｕａ （Ｃｈａｎｇｊｉｎａｇ Ｓｕｒｖｅｙ Ｐｌａｎｎｉｎｇ Ｄｅｓｉｎｇ ａｎｄ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｗｕｈａｎ ４３００１０，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｍａｉｎｌｙ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ ｔｈｅ ｒｏｌｅ ｏｆ ａｉｒ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｉｎ ｔｈｅ ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ｒｏｏｍ ｏｆ ＱＣＣ．Ｆｏｒ Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ ｃｏｎｔａｉｎｅｒ ｗｈａｒｆ ｇａｎｔｒｙ ｃｒａｎｅｓ，ｔｈｅ ｗｏｒｋｉｎｇ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ａｎｄ ｅｘｉｓｔｉｎｇ ｄｅｆｅｃｔｓ ｏｆ ｈｔｅ ａｉｒ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ ＱＣＣ ｌｅａｄｓ ｔｏ ｈｔｅ ｈｔｉｎｋｉｎｇ ｏｆ ｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ＰＬＣ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌ，ａｌｓｏ ｍａｉｎｔｅｎａｎｃｅ ｎａｄ ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ ｏｆ ｉａｒ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ＱＣＣ；ａｉｒ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ；ＰＬＣ １１２