CN110135079B - 一种海洋石油井控装备的宏观弹性评价方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明属于海洋工程领域，具体地，涉及一种海洋石油井控装备的宏观弹性评价方法及系统。海洋石油井控装备的宏观弹性评价方法，包括六个步骤：确定外在冲击的类别和强度、计算组件的失效率、计算组件的恢复率、退化过程贝叶斯网络建模、维修过程贝叶斯网络建模、海洋石油井控装备弹性计算。海洋石油井控装备的宏观弹性评估系统，包括外在冲击评估模块、组件失效率计算子系统、可靠性退化过程模拟模块、故障识别模块、组件恢复率计算模块、可靠性恢复过程模拟模块、可靠性变化曲线导出单元、弹性计算单元。该弹性评估方法属于宏观意义上的，不受外在冲击种类的限制，解决了弹性评估过程中失效率取值存在的误差问题，提高了系统的弹性值。

Description

一种海洋石油井控装备的宏观弹性评价方法及系统
技术领域
本发明属于海洋工程领域，具体地，涉及一种海洋石油井控装备的宏观弹性评价方法及系统。
背景技术
海洋石油开发是当今世界的重要能源工业之一，由于工作环境恶劣，海洋石油的开采工作较陆上石油开采作业具有更多的风险。海洋石油井控设备作为保障海洋石油开采的重要工具，其弹性问题一直备受关注。在工程领域中，弹性是指工程系统在遭受到未被预料的干扰或事件之后做出反应并恢复原有状态的能力。在台风、地震、海啸恶劣天气的影响下，海洋石油井控装备的性能会下降甚至达到功能完全丧失；在采取维修措施之后，井控装备的性能会逐渐上升，最终维持在某一个稳定的状态。
现有的弹性评估方法大多适用于电网系统、通信系统、交通系统这些基础设施领域，很少适用于海洋工程领域。此外，现有的弹性的评估方法一般只针对某一种或者某几种特定的冲击，无法适用于所有类型的冲击，评估方法存在一定的局限性；在弹性评估过程中，组件失效率通常是由专家经验确定，与实际情况相比，存在很大的误差。
发明内容
为克服现有的弹性评价的缺陷，本发明提供一种海洋石油井控装备的宏观弹性评价方法及系统。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供一种海洋石油井控装备的弹性评价方法，包含六个大步骤：
S1：确定外在冲击的类别和强度。在相同的失效机理下，将井控装备组件在外在冲击作用下的可靠性退化过程等效为组件在加速试验中的可靠性退化过程，用加速模型来定量描述可靠性退化过程。确定冲击的种类，才能确定对井控装备组件的失效时间的影响因素；确定冲击的强度，才能确定加速模型中变量的取值范围。通过传感器采集外在冲击的有关数据，经过数据分析、数据处理，确定海洋石油井控装备组件受到何种因素的影响。
S2：计算海洋石油井控装备组件的失效率。将海洋石油井控装备组件的失效时间的影响因素分为温度、湿度、振动和电应力四种。在外在冲击的影响下，组件可能只受到一种因素的影响，即单应力作用，可能会受到多重因素的影响，即多重应力作用。确定组件的退化加速模型后，将该模型映射为贝叶斯网络，通过贝叶斯网络的运行结果，确定组件的失效率。
S3：计算海洋石油井控装备组件的恢复率。通过传感器采集冲击过后的井控装备的有关数据，确定井控装备的损伤程度，再由专家人员决策相应的维修策略，通过维修策略，得到井控装备的维修时间，从而计算出井控装备的恢复率。
S4：海洋石油井控装备的退化过程动态贝叶斯网络建模。首先建立模拟井控装备可靠性变化的静态贝叶斯网络，确定静态贝叶斯网络中随时间变化的节点，将海洋石油井控装备组件的失效率输入到静态贝叶斯网络中，将静态贝叶斯网络拓展成为退化过程动态贝叶斯网络。在参数建模方面，海洋石油井控装备的退化过程动态贝叶斯网络的先验概率由井控装备组件的状态决定，退化过程遵循指数退化规律。
S5：海洋石油井控装备的维修过程动态贝叶斯网络建模。首先建立模拟井控装备可靠性变化的静态贝叶斯网络，确定静态贝叶斯网络中随时间变化的节点，将海洋石油井控装备组件的恢复率输入到静态贝叶斯网络中，将静态贝叶斯网络拓展成为维修过程动态贝叶斯网络。在结构方面，海洋石油井控装备的退化过程动态贝叶斯网络和维修过程动态贝叶斯网络是相同的，是针对同一套海洋石油井控装备进行建模；在参数建模方面，海洋石油井控装备的维修过程动态贝叶斯网络的先验概率由井控装备组件的状态决定，恢复过程遵循马尔可夫规律。
S6：海洋石油井控装备弹性计算。通过退化过程动态贝叶斯网络和维修过程动态贝叶斯网络，分别得到海洋石油井控装备在遭受冲击以及采取维修措施后，可靠性随时间变化的关系。通过退化过程动态贝叶斯网络和维修过程动态贝叶斯网络的运行结果，画出可靠性退化以及恢复曲线，通过计算面积比，得到系统的具体弹性值。
按照本发明的另一个方面，一种海洋石油井控装备弹性评价系统，包括外在冲击评估模块、组件失效率计算子系统、可靠性退化过程模拟模块、故障识别模块、组件恢复率计算模块、可靠性恢复过程模拟模块、可靠性变化曲线导出单元以及弹性计算单元。
外在冲击评估模块，包括外在冲击数据采集单元、冲击数据处理单元、冲击数据输出单元；外在冲击数据采集单元与传感器相连；冲击数据处理单元通过线缆与外在冲击数据采集单元相连；冲击数据输出单元通过线缆与冲击数据处理单元相连。
组件失效率计算子系统，包括单应力影响下组件失效率计算模块和多重应力影响下组件失效率计算模块；单应力影响下组件失效率计算模块，包括单应力影响下影响因素及强度获取单元、单应力影响下退化模型选择单元、单应力影响下退化模型的贝叶斯映射单元、单应力影响下组件失效率计算单元、组件失效率输出单元；单应力影响下影响因素及强度获取单元通过线缆与冲击数据输出单元相连；单应力影响下退化模型选择单元通过线缆与单应力影响下影响因素及强度获取单元相连；单应力影响下退化模型的贝叶斯映射单元通过线缆与单应力影响下退化模型选择单元相连；单应力影响下组件失效率计算单元通过线缆与单应力影响下退化模型的贝叶斯映射单元相连；多重应力影响下组件失效率计算模块，包括：多重应力影响下影响因素及强度获取单元、多重应力影响下退化模型选择单元、多重应力影响下退化模型的贝叶斯映射单元、多重应力影响下组件失效率耦合单元、多重应力影响下组件失效率计算单元；多重应力影响下影响因素及强度获取单元通过线缆与冲击数据输出单元相连；多重应力影响下退化模型选择单元通过线缆与多重应力影响下影响因素及强度获取单元相连；多重应力影响下退化模型的贝叶斯映射单元通过线缆与多重应力影响下退化模型选择单元相连；多重应力影响下组件失效率耦合单元通过线缆与多重应力影响下退化模型的贝叶斯映射单元相连；多重应力影响下组件失效率计算单元通过线缆与多重应力影响下组件失效率耦合单元相连；组件失效率输出单元通过线缆分别与单应力影响下组件失效率计算单元和多重应力影响下组件失效率计算单元相连。
可靠性退化过程模拟模块，包括：性能退化过程静态贝叶斯网络导入单元、性能退化过程动态贝叶斯网络拓展单元、性能退化过程可靠度输出单元、性能退化过程可靠性曲线拟合单元；性能退化过程静态贝叶斯网络导入单元通过线缆与组件失效率输出单元相连；性能退化过程动态贝叶斯网络拓展单元通过线缆与性能退化过程静态贝叶斯网络导入单元相连；性能退化过程可靠度输出单元通过线缆与性能退化过程动态贝叶斯网络拓展单元相连；性能退化过程可靠性曲线拟合单元通过线缆与性能退化过程可靠度输出单元相连。
故障识别模块，包括：性能数据采集单元、性能数据处理单元、性能数据输出单元、故障等级输出单元；性能数据采集单元通过线缆与水下海洋石油井控装备相连；性能数据处理单元通过线缆与性能数据采集单元相连；性能数据输出单元通过线缆与性能数据处理单元相连；故障等级输出单元通过线缆与性能数据输出单元相连。
组件恢复率计算模块，包括维修决策单元、维修数据输出单元、组件恢复率计算单元；维修决策单元通过线缆与故障等级输出单元相连；维修数据输出单元通过线缆与维修决策单元相连；组件恢复率计算单元通过线缆与维修数据输出单元相连。
可靠性恢复过程模拟模块，包括性能恢复过程静态贝叶斯网络导入单元、性能恢复过程动态贝叶斯网络拓展单元、性能恢复过程可靠度输出单元、性能恢复过程可靠性曲线拟合单元；性能恢复过程静态贝叶斯网络导入单元通过线缆与组件恢复率计算单元相连；性能恢复过程动态贝叶斯网络拓展单元通过线缆与性能恢复过程静态贝叶斯网络导入单元相连；性能恢复过程可靠度输出单元通过线缆与性能恢复过程动态贝叶斯网络拓展单元相连；性能恢复过程可靠性曲线拟合单元通过线缆与性能恢复过程可靠度输出单元相连。
相对于现有技术，本发明的有益结果是：一种海洋石油井控装备的宏观弹性评估方法，仅涉及系统内部的属性参数，不受外在冲击种类的限制；将物理模型映射为贝叶斯网络得到海洋石油井控装备组件的失效时间分布及概率，解决了弹性评估过程中失效率取值存在的误差问题；在维修过程中，不考虑每一个具体的井控装备组件的退化与维修，而是在整体、系统的角度对海洋石油井控装备进行维修，增强系统抵御下一次冲击的能力和系统的恢复能力，从而提高系统的弹性值。
附图说明
图1是海洋石油井控装备在外力冲击作用下的可靠性变化曲线；
图2是海洋石油井控装备的宏观弹性评估流程图；
图3是温度影响下退化模型的贝叶斯网络；
图4是湿度影响下退化模型的贝叶斯网络；
图5是振动影响下退化模型的贝叶斯网络；
图6是电应力影响下退化模型的贝叶斯网络；
图7是海洋石油井控装备静态贝叶斯网络示意图；
图8是海洋石油井控装备动态贝叶斯网络示意图；
图9是海洋石油井控装备的宏观弹性评估系统示意图。
图中，1、外在冲击评估模块，2、组件失效率计算子系统，3、可靠性退化过程模拟模块，4、故障识别模块，5、组件恢复率计算模块，6、可靠性恢复过程模拟模块，7、单应力影响下组件失效率计算模块，8、多重应力影响下组件失效率计算模块，9、外在冲击数据采集单元，10、冲击数据处理单元，11、冲击数据输出单元，12、多重应力影响下影响因素及强度获取单元，13、单应力影响下影响因素及强度获取单元，14、多重应力影响下退化模型选择单元，15、单应力影响下退化模型选择单元，16、多重应力影响下退化模型的贝叶斯映射单元，17、单应力影响下退化模型的贝叶斯映射单元，18、多重应力影响下组件失效率耦合单元，19、多重应力影响下组件失效率计算单元，20、单应力影响下组件失效率计算单元，21、组件失效率输出单元，22、性能退化过程静态贝叶斯网络导入单元，23、性能退化过程动态贝叶斯网络拓展单元，24、性能退化过程可靠度输出单元，25、性能退化过程可靠性曲线拟合单元，26、性能数据采集单元，27、性能数据处理单元，28、性能数据输出单元，29、故障等级输出单元，30、维修决策单元，31、维修数据输出单元，32、组件恢复率计算单元，33、性能恢复过程静态贝叶斯网络导入单元，34、性能恢复过程动态贝叶斯网络拓展单元，35、性能恢复过程可靠度输出单元，36、性能恢复过程可靠性曲线拟合单元，37、可靠性变化曲线导出单元，38、弹性计算单元。
具体实施方案
如图1所示，海洋石油井控装备的弹性是指系统在遭受到未被预料的干扰或事件之后做出反应并恢复原有状态的能力。在t1时刻，海洋石油井控装备遭受台风、地震或者海啸冲击，在冲击载荷作用下，系统的可靠性水平逐渐下降；在冲击发生一段时间后，待维修策略决策、维修人员调动、维修设备准备措施准备完毕之后，即在t2时刻，对海洋石油井控装备采取维修措施，系统可靠性逐渐上升，最终在t3时刻趋于稳定。
如图2所示，一种海洋石油井控装备的宏观弹性评价方法的步骤是：
S1：确定外在冲击的类别和强度。在相同的失效机理下，将井控装备组件在外在冲击作用下的可靠性退化过程等效为组件在加速试验中的可靠性退化过程，用加速模型来定量描述可靠性退化过程。确定冲击的种类，才能确定对井控装备组件的失效时间的影响因素；确定冲击的强度，才能确定加速模型中变量的取值范围。通过传感器采集外在冲击的有关数据，经过数据分析、数据处理，确定海洋石油井控装备组件受到何种因素的影响。
S2：计算海洋石油井控装备组件的失效率。将海洋石油井控装备组件的失效时间的影响因素分为温度、湿度、振动和电应力四种。在外在冲击的影响下，组件可能只受到一种因素的影响，即单应力作用，可能会受到多重因素的影响，即多重应力作用。
当海洋石油井控装备组件受到单应力作用时：
S211：确定外在冲击影响下海洋石油井控装备组件的退化模型。
(1)当井控装备受到温度的影响时，组件的失效时间退化的加速模型如公式(1)所示：
Figure GDA0002451002890000081
其中，t是元件的失效前时间；A是指数前因子；Ea是激活能；K是玻尔兹曼常数；T是绝对温度，与冲击强度有关。
(2)当井控装备组件受到湿度的影响时，组件的失效时间退化的加速模型如公式(2)所示：
T＝(RH)n·exp(Ea/kt) (2)
其中，T是失效前时间；RH：相对湿度，与外在冲击的强度有关；Ea是激活能；k是玻尔兹曼常数，KJ/(mol·K)；t是绝对温度；n是指数，其值是一个常数。
(3)当井控装备组件受到振动影响时，组件的失效时间退化的加速模型如公式(3)所示：
Figure GDA0002451002890000082
其中：Δεp是应变范围，其值与外在冲击的强度有关；σ′f为疲劳强度系数；E为弹性模量；Nf是生命周期，即失效时间。
(4)当井控装备组件受到电应力的影响时，组件的失效时间退化的加速模型如公式(4)所示：
L＝L0V-n (4)
其中：L是失效时间；L0是一个常数；n是指数；V是电应力，取值与外在冲击的强度有关；
S212：将海洋石油井控装备组件的退化模型映射为贝叶斯网络。
(1)将公式(1)映射为如图3所示的贝叶斯网络，得到井控装备组件在温度影响下的失效时间分布及概率。贝叶斯网络分为两层，第一层为影响因子层，包含A、Ea、K、T四个节点；第二层为结果层，包含失效时间t一个节点，运行结果表明了在温度影响下的海洋石油井控装备组件的失效时间分布及概率。
(2)将公式(2)映射为如图4所示的贝叶斯网络，得到井控装备组件在湿度影响下的失效时间分布及概率。贝叶斯网络分为两层，第一层为影响因子层，包含Rh、Ea、K、T、n五个节点；第二层为结果层，包含失效时间t一个节点，运行结果表明了在湿度影响下的海洋石油井控装备组件的失效时间分布及概率。
(3)将公式(3)映射为如图5所示的贝叶斯网络，得到井控装备组件在振动影响下的失效时间分布及概率。贝叶斯网络分为两层，第一层为影响因子层，包含C、E、Δεp、σ′f、n五个节点；第二层为结果层，包含失效时间Nf一个节点，运行结果表明了在振动影响下的海洋石油井控装备组件的失效时间分布及概率。
(4)将公式(4)映射为如图6所示的贝叶斯网络，得到井控装备组件在电应力影响下的失效时间分布及概率。贝叶斯网络分为两层，第一层为影响因子层，包含L0、V、n三个节点；第二层为结果层，包含失效时间L一个节点，运行结果表明了在电应力影响下的海洋石油井控装备组件的失效时间分布及概率。
S213：计算海洋石油井控装备组件的单应力影响下的失效率。通过权重法，计算海洋石油井控装备组件的单应力影响下的失效率。
当海洋石油井控装备组件受到多重应力作用时：
S221：确定外在冲击影响下海洋石油井控装备组件的退化模型。退化模型公式与步骤S211中相同，不同之处在于：在多重应力影响下，组件退化模型的个数大于一个，需要分别确定海洋石油井控装备组件在不同影响因素下的退化模型。
S222：将海洋石油井控装备组件的退化模型映射为贝叶斯网络。与所述步骤S212相同，将不同的退化模型分别映射为贝叶斯网络，得到在不同影响因素下海洋石油井控装备组件的失效时间分布及概率。
S223：对不同影响因素下井控装备组件的失效时间进行耦合。当井控装备组件受到多重应力影响的时候，在分别确定了组件的单因素影响下的失效时间后，使用公式(5)对单因素影响下的失效时间进行耦合，将公式(5)映射为贝叶斯网络，得到井控装备组件的多因素影响下的失效时间及分布概率。公式(5)如下所示：
Figure GDA0002451002890000101
其中，ni为耦合修正系数；Ni为单因素影响下的组件的失效时间；k为影响因素的个数。
S3：计算海洋石油井控装备组件的恢复率。通过传感器采集冲击过后的井控装备的有关数据，确定井控装备的损伤程度，再有专家人员决策相应的维修策略，通过维修策略，得到井控装备的维修时间，从而计算出井控装备的恢复率。
S4：海洋石油井控装备的退化过程动态贝叶斯网络建模。首先建立模拟井控装备可靠性变化的静态贝叶斯网络，确定静态贝叶斯网络中随时间变化的节点，将静态贝叶斯网络拓展成为退化过程动态贝叶斯网络。在参数建模方面，海洋石油井控装备的退化过程动态贝叶斯网络的先验概率分别由井控装备组件的状态决定，退化过程遵循指数退化规律。
S5：海洋石油井控装备的维修过程动态贝叶斯网络建模。首先建立模拟井控装备可靠性变化的静态贝叶斯网络，确定静态贝叶斯网络中随时间变化的节点，将静态贝叶斯网络拓展成为维修过程动态贝叶斯网络。在结构方面，海洋石油井控装备的退化过程动态贝叶斯网络和维修过程动态贝叶斯网络是相同的，是针对同一套海洋石油井控装备进行建模；在参数建模方面，海洋石油井控装备的维修过程动态贝叶斯网络的先验概率由井控装备组件的状态决定，恢复过程遵循马尔可夫规律。
在图7中，第一层节点C1、C2、C3、C4、C5、C6、C7、C8、C9、C10、C11、C12、C13、C14为父节点，代表了井控装备基本组件，第二层节点M1、M2、M3、M4、M5、M6为中间节点，代表了井控装备组件的串并联关系，串并联关系由条件转移概率表确定，第三层节点S1、S2、S3表示海洋石油井控装备中的子系统，第四层节点R表示海洋石油井控装备的可靠度。
在图8中，对所述图7的静态贝叶斯网络进行时间上的拓展，第一层节点是井控装备基本组件C1、C2、C3、C4、C5、C6、C7、C8、C9、C10、C11、C12、C13、C14的时间克隆节点，表示海洋石油井控装备组件在时间上的变化关系，第二层节点C1、C2、C3、C4、C5、C6、C7、C8、C9、C10、C11、C12、C13、C14表示井控装备组件，第三层节点M1、M2、M3、M4、M5、M6为中间节点，代表了井控装备组件的串并联关系，串并联关系由条件转移概率表确定，第四层节点S1、S2、S3表示海洋石油井控装备中的子系统，第五层节点R表示海洋石油井控装备的可靠度。
S6：海洋石油井控装备弹性计算。通过退化过程动态贝叶斯网络和维修过程动态贝叶斯网络，分别得到海洋石油井控装备在遭受冲击以及采取维修措施后，可靠性随时间变化的关系。通过退化过程动态贝叶斯网络和维修过程动态贝叶斯网络的运行结果，画出可靠性退化以及恢复曲线，通过计算面积比，得到系统的具体弹性值。计算方法具体如下：在计算弹性值时，取维修措施完成的那一刻可靠性点分别向x轴、y轴做垂线，曲线与两条垂线围成的面积称为S1，曲线与x轴和y轴围成的面积称为S2，S1与S2的和为总面积。S2的面积与总面积的比值就是所求的弹性值。
如图9所示，一种海洋石油井控装备的宏观弹性评估系统，包括外在冲击评估模块1、组件失效率计算子系统2、可靠性退化过程模拟模块3、故障识别模块4、组件恢复率计算模块5、可靠性恢复过程模拟模块6、可靠性变化曲线导出单元37、弹性计算单元38。
外在冲击评估模块1，包括外在冲击数据采集单元9、冲击数据处理单元10、冲击数据输出单元11；外在冲击数据采集单元9通过与传感器相连，用于采集外在冲击的相关数据；冲击数据处理单元10通过线缆与外在冲击数据采集单元9相连，用于对采集到的外在冲击的相关数据进行处理；冲击数据输出单元11通过线缆与冲击数据处理单元10相连，用于将处理好的外在冲击的数据传输到下一个模块中。
组件失效率计算子系统2，包括单应力影响下组件失效率计算模块7和多重应力影响下组件失效率计算模块8；单应力影响下组件失效率计算模块7，包括单应力影响下影响因素及强度获取单元13、单应力影响下退化模型选择单元15、单应力影响下退化模型的贝叶斯映射单元17、单应力影响下组件失效率计算单元20、组件失效率输出单元21；单应力影响下影响因素及强度获取单元13通过线缆与冲击数据输出单元11相连，用于获取外在冲击对海洋石油井控装备组件产生的单个影响因素及其强度；单应力影响下退化模型选择单元15通过线缆与单应力影响下影响因素及强度获取单元13相连，用于选择相应的物理模型计算海洋石油井控装备组件在相应应力作用下的失效时间；单应力影响下退化模型的贝叶斯映射单元17通过线缆与单应力影响下退化模型选择单元15相连，用于将相应的物理模型转换为贝叶斯网络，并且得到井控装备组件在单应力作用下的失效时间的分布及概率；单应力影响下组件失效率计算单元20通过线缆与单应力影响下退化模型的贝叶斯映射单元17相连，对于得到的海洋石油井控装备组件在单应力影响下的失效时间及概率进行权重计算，得到组件的失效率；多重应力影响下组件失效率计算模块8，包括：多重应力影响下影响因素及强度获取单元12、多重应力影响下退化模型选择单元14、多重应力影响下退化模型的贝叶斯映射单元16、多重应力影响下组件失效率耦合单元18、多重应力影响下组件失效率计算单元19；多重应力影响下影响因素及强度获取单元12通过线缆与冲击数据输出单元11相连，用于获取外在冲击对海洋石油井控装备组件产生的多个影响因素及其强度；多重应力影响下退化模型选择单元14通过线缆与多重应力影响下影响因素及强度获取单元16相连，用于选择相应的物理模型计算海洋石油井控装备组件在不同应力作用下的失效时间；多重应力影响下退化模型的贝叶斯映射单元16通过线缆与多重应力影响下退化模型选择单元14相连，用于将相应的物理模型转换为贝叶斯网络，并且得到海洋石油井控装备组件在不同应力作用下的失效时间的分布及概率；多重应力影响下组件失效率耦合单元18通过线缆与多重应力影响下退化模型的贝叶斯映射单元16相连，用于对不同应力下得到的海洋石油井控装备组件的失效率进行耦合，计算出海洋石油井控装备组件在多重应力影响下的失效时间的分布及概率；多重应力影响下组件失效率计算单元19通过线缆与多重应力影响下组件失效率耦合单元18相连，对于得到的海洋石油井控装备组件在多重应力影响下的失效时间及概率进行权重计算，得到海洋石油井控装备组件的失效率；组件失效率输出单元21通过线缆分别与单应力影响下组件失效率计算单元20和多重应力影响下组件失效率计算单元19相连，用于输出海洋石油井控装备组件在外在冲击影响下的失效率。
可靠性退化过程模拟模块3，包括：性能退化过程静态贝叶斯网络导入单元22、性能退化过程动态贝叶斯网络拓展单元23、性能退化过程可靠度输出单元24、性能退化过程可靠性曲线拟合单元25；性能退化过程静态贝叶斯网络导入单元22通过线缆与组件失效率输出单元21相连，将海洋石油井控装备组件的失效率输入到导入的贝叶斯网络中；性能退化过程动态贝叶斯网络拓展单元23通过线缆与性能退化过程静态贝叶斯网络导入单元22相连，用于将静态贝叶斯网络拓展为动态贝叶斯网络；性能退化过程可靠度输出单元24通过线缆与性能退化过程动态贝叶斯网络拓展单元23相连，用于输出动态贝叶斯网络的运行结果，得到海洋石油井控装备在每一个时间点的可靠度；性能退化过程可靠性曲线拟合单元25通过线缆与性能退化过程可靠度输出单元24相连，拟合出海洋石油井控装备在一定的时间段内的可靠性变化曲线。
故障识别模块4，包括：性能数据采集单元26、性能数据处理单元27、性能数据输出单元28、故障等级输出单元29；性能数据采集单元26通过线缆与水下海洋石油井控装备相连，通过传感器采集海洋石油井控装备在冲击过后的性能相关数据；性能数据处理单元27通过线缆与性能数据采集单元26相连，用于对采集到的数据进行处理；性能数据输出单元28通过线缆与性能数据处理单元27相连，用于输出处理后的数据；故障等级输出单元29通过线缆与性能数据输出单元28相连，用于判断海洋石油井控装备的故障程度，海洋石油井控装备的故障程度划分为三个等级，分别是轻度故障、中度故障和重度故障。
组件恢复率计算模块5，包括维修决策单元30、维修数据输出单元31、组件恢复率计算单元32；维修决策单元30通过线缆与故障等级输出单元39相连，用于判断针对不同程度的故障该采取的维修措施；维修数据输出单元31通过线缆与维修决策单元30相连，用于确定以及输出海洋石油井控装备的维修时间数据；组件恢复率计算单元32通过线缆与维修数据输出单元31相连，用于计算海洋石油井控装备组件在相应维修措施下的组件的恢复率。
可靠性恢复过程模拟模块6，包括性能恢复过程静态贝叶斯网络导入单元33、性能恢复过程动态贝叶斯网络拓展单元34、性能恢复过程可靠度输出单元35、性能恢复过程可靠性曲线拟合单元36；性能恢复过程静态贝叶斯网络导入单元33通过线缆与组件恢复率计算单元32相连，将海洋石油井控装备组件的恢复率输入到导入的贝叶斯网络中；性能恢复过程动态贝叶斯网络拓展单元34通过线缆与性能恢复过程静态贝叶斯网络导入单元33相连，用于将静态贝叶斯网络拓展为动态贝叶斯网络；性能恢复过程可靠度输出单元35通过线缆与性能恢复过程动态贝叶斯网络拓展单元34相连，用于输出动态贝叶斯网络的运行结果，得到海洋石油井控装备在每一个时间点的可靠度；性能恢复过程可靠性曲线拟合单元36通过线缆与性能恢复过程可靠度输出单元35相连，拟合出海洋石油井控装备在一定的时间段内的可靠性变化曲线。
可靠性变化曲线导出单元37通过线缆分别与性能退化过程可靠性曲线拟合单元25和性能恢复过程可靠性曲线拟合单元36相连，用于拟合海洋石油井控装备在遭受冲击开始到维修结束这一段时间内的可靠性变化曲线；弹性计算单元38通过线缆与可靠性变化曲线导出单元37相连，对海洋石油井控装备的弹性进行计算和评估。
所述外在冲击评估模块主要完成确定外在冲击的类别和强度步骤；所述组件失效率计算子系统主要完成计算组件的失效率步骤；所述可靠性退化过程模拟模块主要完成退化过程贝叶斯网络建模步骤；所述故障识别模块和组件恢复率计算模块主要完成计算组件的恢复率步骤；所述可靠性恢复过程模拟模块主要完成维修过程贝叶斯网络建模步骤；所述可靠性变化曲线导出单元和弹性计算单元主要完成海洋石油井控装备弹性计算步骤。

Claims (3)

1.一种海洋石油井控装备的宏观弹性评价方法，其特征在于包括如下步骤：
S1：确定外在冲击的类别和强度；在相同的失效机理下，将井控装备组件在外在冲击作用下的可靠性退化过程等效为组件在加速试验中的可靠性退化过程，用加速模型来定量描述可靠性退化过程；确定冲击的种类，才能确定对井控装备组件的失效时间的影响因素；确定冲击的强度，才能确定加速模型中变量的取值范围；通过传感器采集外在冲击的有关数据，经过数据分析、数据处理，确定海洋石油井控装备组件受到何种因素的影响；
S2：计算海洋石油井控装备组件的失效率；将海洋石油井控装备组件的失效时间的影响因素分为温度、湿度、振动和电应力四种；在外在冲击的影响下，组件可能只受到一种因素的影响，即单应力作用，可能会受到多重因素的影响，即多重应力作用；确定组件的退化加速模型后，将该模型映射为贝叶斯网络，通过贝叶斯网络的运行结果，确定组件的失效率；
S3：计算海洋石油井控装备组件的恢复率；通过传感器采集冲击过后的井控装备的有关数据，确定井控装备的损伤程度，再由专家人员决策相应的维修策略，通过维修策略，得到井控装备的维修时间，从而计算出井控装备的恢复率；
S4：海洋石油井控装备的退化过程动态贝叶斯网络建模；首先建立模拟井控装备可靠性变化的静态贝叶斯网络，确定静态贝叶斯网络中随时间变化的节点，将海洋石油井控装备组件的失效率输入到静态贝叶斯网络中，将静态贝叶斯网络拓展成为退化过程动态贝叶斯网络；在参数建模方面，海洋石油井控装备的退化过程动态贝叶斯网络的先验概率分别由井控装备组件的状态决定，退化过程遵循指数退化规律；
S5：海洋石油井控装备的维修过程动态贝叶斯网络建模；首先建立模拟井控装备可靠性变化的静态贝叶斯网络，确定静态贝叶斯网络中随时间变化的节点，将海洋石油井控装备组件的恢复率输入到静态贝叶斯网络中，将静态贝叶斯网络拓展成为维修过程动态贝叶斯网络；在结构方面，海洋石油井控装备的退化过程动态贝叶斯网络和维修过程动态贝叶斯网络是相同的，是针对同一套海洋石油井控装备进行建模；在参数建模方面，海洋石油井控装备的维修过程动态贝叶斯网络的先验概率由井控装备组件的状态决定，恢复过程遵循马尔可夫规律；
静态贝叶斯网络第一层节点C1、C2、C3、C4、C5、C6、C7、C8、C9、C10、C11、C12、C13、C14为父节点，代表了井控装备基本组件，第二层节点M1、M2、M3、M4、M5、M6为中间节点，代表了井控装备组件的串并联关系，串并联关系由条件转移概率表确定，第三层节点S1、S2、S3表示海洋石油井控装备中的子系统，第四层节点R表示海洋石油井控装备的可靠度；
退化过程动态贝叶斯网络和维修过程动态贝叶斯网络是对静态贝叶斯网络在时间上的拓展，第一层节点是井控装备基本组件C1、C2、C3、C4、C5、C6、C7、C8、C9、C10、C11、C12、C13、C14的时间克隆节点，表示海洋石油井控装备组件在时间上的变化关系，第二层节点C1、C2、C3、C4、C5、C6、C7、C8、C9、C10、C11、C12、C13、C14表示井控装备组件，第三层节点M1、M2、M3、M4、M5、M6为中间节点，代表了井控装备组件的串并联关系，串并联关系由条件转移概率表确定，第四层节点S1、S2、S3表示海洋石油井控装备中的子系统，第五层节点R表示海洋石油井控装备的可靠度；
S6：海洋石油井控装备弹性计算；通过退化过程动态贝叶斯网络和维修过程动态贝叶斯网络，分别得到海洋石油井控装备在遭受冲击以及采取维修措施后，可靠性随时间变化的关系；通过退化过程动态贝叶斯网络和维修过程动态贝叶斯网络的运行结果，画出可靠性退化以及恢复曲线，通过计算面积比，得到系统的具体弹性值；计算方法具体如下：在计算弹性值时，取维修措施完成的那一刻可靠性点分别向x轴、y轴做垂线，曲线与两条垂线围成的面积称为S1，曲线与x轴和y轴围成的面积称为S2，S1与S2的和为总面积；S2的面积与总面积的比值就是所求的弹性值；
该方法应用于一种海洋石油井控装备弹性评价系统，该系统包括外在冲击评估模块、组件失效率计算子系统、可靠性退化过程模拟模块、故障识别模块、组件恢复率计算模块、可靠性恢复过程模拟模块、可靠性变化曲线导出单元以及弹性计算单元；
外在冲击评估模块，包括外在冲击数据采集单元、冲击数据处理单元、冲击数据输出单元；外在冲击数据采集单元与传感器相连；冲击数据处理单元通过线缆与冲击数据采集单元相连；冲击数据输出单元通过线缆与冲击数据处理单元相连；
组件失效率计算子系统，包括单应力影响下组件失效率计算模块和多重应力影响下组件失效率计算模块；单应力影响下组件失效率计算模块，包括单应力影响下影响因素及强度获取单元、单应力影响下退化模型选择单元、单应力影响下退化模型的贝叶斯映射单元、单应力影响下组件失效率计算单元、组件失效率输出单元；单应力影响下影响因素及强度获取单元通过线缆与冲击数据输出单元相连；单应力影响下退化模型选择单元通过线缆与单应力影响下影响因素及强度获取单元相连；单应力影响下退化模型的贝叶斯映射单元通过线缆与单应力影响下退化模型选择单元相连；单应力影响下组件失效率计算单元通过线缆与单应力影响下退化模型的贝叶斯映射单元相连；多重应力影响下组件失效率计算模块，包括：多重应力影响下影响因素及强度获取单元、多重应力影响下退化模型选择单元、多重应力影响下退化模型的贝叶斯映射单元、多重应力影响下组件失效率耦合单元、多重应力影响下组件失效率计算单元；多重应力影响下影响因素及强度获取单元通过线缆与冲击数据输出单元相连；多重应力影响下退化模型选择单元通过线缆与多重应力影响下影响因素及强度获取单元相连；多重应力影响下退化模型的贝叶斯映射单元通过线缆与多重应力影响下退化模型选择单元相连；多重应力影响下组件失效率耦合单元通过线缆与多重应力影响下退化模型的贝叶斯映射单元相连；多重应力影响下组件失效率计算单元通过线缆与多重应力影响下组件失效率耦合单元相连；组件失效率输出单元通过线缆分别与单应力影响下组件失效率计算单元和多重应力影响下组件失效率计算单元相连；
可靠性退化过程模拟模块，包括：性能退化过程静态贝叶斯网络导入单元、性能退化过程动态贝叶斯网络拓展单元、性能退化过程可靠度输出单元、性能退化过程可靠性曲线拟合单元；性能退化过程静态贝叶斯网络导入单元通过线缆与组件失效率输出单元相连；性能退化过程动态贝叶斯网络拓展单元通过线缆与性能退化过程静态贝叶斯网络导入单元相连；性能退化过程可靠度输出单元通过线缆与性能退化过程动态贝叶斯网络拓展单元相连；性能退化过程可靠性曲线拟合单元通过线缆与性能退化过程可靠度输出单元相连；
故障识别模块，包括：性能数据采集单元、性能数据处理单元、性能数据输出单元、故障等级输出单元；性能数据采集单元通过线缆与水下海洋石油井控装备相连；性能数据处理单元通过线缆与性能数据采集单元相连；性能数据输出单元通过线缆与性能数据处理单元相连；故障等级输出单元通过线缆与性能数据输出单元相连；
组件恢复率计算模块，包括维修决策单元、维修数据输出单元、组件恢复率计算单元；维修决策单元通过线缆与故障等级输出单元相连；维修数据输出单元通过线缆与维修决策单元相连；组件恢复率计算单元通过线缆与维修数据输出单元相连；
可靠性恢复过程模拟模块，包括性能恢复过程静态贝叶斯网络导入单元、性能恢复过程动态贝叶斯网络拓展单元、性能恢复过程可靠度输出单元、性能恢复过程可靠性曲线拟合单元；性能恢复过程静态贝叶斯网络导入单元通过线缆与组件恢复率计算单元相连；性能恢复过程动态贝叶斯网络拓展单元通过线缆与性能恢复过程静态贝叶斯网络导入单元相连；性能恢复过程可靠度输出单元通过线缆与性能恢复过程动态贝叶斯网络拓展单元相连；性能恢复过程可靠性曲线拟合单元通过线缆与性能恢复过程可靠度输出单元相连。
2.根据权利要求1所述的一种海洋石油井控装备的宏观弹性评价方法，其特征在于：
当海洋石油井控装备组件受到单应力作用时：
S211：确定外在冲击影响下海洋石油井控装备组件的退化模型；
(1)当井控装备受到温度的影响时，组件的失效时间为：
Figure FDA0002451002880000061
其中，t是元件的失效前时间；A是指数前因子；Ea是激活能；K是玻尔兹曼常数；T是绝对温度，与冲击强度有关；
(2)当井控装备组件受到湿度的影响时，组件的失效时间为：
T＝(RH)n·exp(Ea/kt) (2)
其中，T是失效前时间；RH：相对湿度，与外在冲击的强度有关；Ea是激活能；k是玻尔兹曼常数，KJ/(mol·K)；t是绝对温度；n是指数，其值是一个常数；
(3)当井控装备组件受到振动影响时，组件的失效时间为：
Figure FDA0002451002880000062
其中：Δεp是应变范围，其值与外在冲击的强度有关；σ′f为疲劳强度系数；E为弹性模量；Nf是生命周期，即失效时间；
(4)当井控装备组件受到电应力的影响时，组件的失效时间为：
L＝L0V-n (4)
其中：L是失效时间；L0是一个常数；n是指数；V是电应力，取值与外在冲击的强度有关；
S212：将海洋石油井控装备组件的退化模型映射为贝叶斯网络；
(1)将公式(1)映射为贝叶斯网络，得到井控装备组件在温度影响下的失效时间分布及概率；贝叶斯网络分为两层，第一层为影响因子层，包含A、Ea、K、T四个节点；第二层为结果层，包含失效时间t一个节点，运行结果表明了在温度影响下的海洋石油井控装备组件的失效时间分布及概率；
(2)将公式(2)映射为贝叶斯网络，得到井控装备组件在湿度影响下的失效时间分布及概率；贝叶斯网络分为两层，第一层为影响因子层，包含Rh、Ea、K、T、n五个节点；第二层为结果层，包含失效时间t一个节点，运行结果表明了在湿度影响下的海洋石油井控装备组件的失效时间分布及概率；
(3)将公式(3)映射为贝叶斯网络，得到井控装备组件在振动影响下的失效时间分布及概率；贝叶斯网络分为两层，第一层为影响因子层，包含C、E、Δεp、σ′f、n五个节点；第二层为结果层，包含失效时间Nf一个节点，运行结果表明了在振动影响下的海洋石油井控装备组件的失效时间分布及概率；
(4)将公式(4)映射为贝叶斯网络，得到井控装备组件在电应力影响下的失效时间分布及概率；贝叶斯网络分为两层，第一层为影响因子层，包含L0、V、n三个节点；第二层为结果层，包含失效时间L一个节点，运行结果表明了在电应力影响下的海洋石油井控装备组件的失效时间分布及概率；
S213：计算海洋石油井控装备组件的单应力影响下的失效率；通过权重法，计算海洋石油井控装备组件的单应力影响下的失效率；
当海洋石油井控装备组件受到多重应力作用时：
S221：确定外在冲击影响下海洋石油井控装备组件的退化模型；退化模型公式与步骤S211中相同，不同之处在于：在多重应力影响下，组件退化模型的个数大于一个，需要分别确定海洋石油井控装备组件在不同影响因素下的退化模型；
S222：将海洋石油井控装备组件的退化模型映射为贝叶斯网络；与所述步骤S212相同，将不同的退化模型分别映射为贝叶斯网络，得到在不同影响因素下海洋石油井控装备组件的失效时间分布及概率；
S223：对不同影响因素下井控装备组件的失效时间进行耦合；当井控装备组件受到多重应力影响的时候，在分别确定了组件的单因素影响下的失效时间后，使用公式(5)对单因素影响下的失效时间进行耦合，将公式(5)映射为贝叶斯网络，得到井控装备组件的多因素影响下的失效时间及分布概率；
Figure FDA0002451002880000081
其中，ni为耦合修正系数；Ni为单因素影响下的组件的失效时间；k为影响因素的个数。
3.根据权利要求1所述的一种海洋石油井控装备的宏观弹性评价方法，其特征在于所述外在冲击评估模块主要完成确定外在冲击的类别和强度步骤；所述组件失效率计算子系统主要完成计算组件的失效率步骤；所述可靠性退化过程模拟模块主要完成退化过程贝叶斯网络建模步骤；所述故障识别模块和组件恢复率计算模块主要完成计算组件的恢复率步骤；所述可靠性恢复过程模拟模块主要完成维修过程贝叶斯网络建模步骤；所述可靠性变化曲线导出单元和弹性计算单元主要完成海洋石油井控装备弹性计算步骤。
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