大庆油田采油智能管理系统的开发

D0I:10.13374/i.issn1001-053x.1992.02.023 北京科技大学学报 第14卷第2期 Vo1.14No.2 1992年3月 Journal of Univerity of Science and Technology Beijing March 1992 大庆油田采油智能管理系统的开发 李秀山·孙奎英·于义海· 摘要：应用智能管理系统的设计理论和方法，为大庆油田开发了采油智能管理系统 OIMS。本文介绍OIMS的系统结构与功能，设计方法与实现技术。 关键词：采油智能管理系统，广义知识表达，启发优化方法，多库协调系统，规划仿真 技术 Development of 40il-mine Intelligent Managemnt System"(OIMS)in Daging Li Xiushan'Sun Kuiying'Yu Yihai ABSTRACT:According to the theory and methodology of Intelligent Manage- ment System (IMS),the paper have developed the Oil-mine Intelligent Managenent System (OIMS)in Daging.,The system structure and function, the methods and technology of design and implementation of OIMS are discu- ssed. KEY WORD:Oil-mine Intelligent Management System,generalized knowledge representation,Heuristic Optimization Method,multi-bases cooperation system, planning simulation technique 采油智能管理系统是以采油生产管理为对象，在传统的办公信息系统(OIS一Dffice Information System)、管理信息系统(MIS一Management Information System)、决策支 持系统(DSS一Decision Support System)的基础上，引进人工智能技术，将OIS、MIS、 1991-10-24收稿 ·计算机科学与工程系(Dept,of Computer Science and卫ngineering) 263

第 1 4卷 第 2 期 1 99 2年 3月 浦匕 京 科 技 大 学 学 报 J o it r n a l o f U n i v e r i t y o f S e i e 红 e e a n d T e e h 公 o l o g y B e i j i n g V o l 。 1 4 N o 。 2 M a r e h 1 9 92 大庆油 田采油智能管理系统的开发 李秀 山 ` 孙奎英 ` 于 义海 , 摘 要 : 应 用智能管理 系统 的设计 理论和 方法 , 为大 庆油田 开发了 采油智能 管 理 系 统 O I M S 。 本文介绍 O I M S 的系统结构 与功能 , 设计方法与实 现技 术 。 关 键词: 采 油智能管理系统 , 广义知识表 达 , 启 发优化方法 , 多库 协调系统 , 规划仿真 技 术 D e v e l o P m e n t o f a o i l 一 m i n e I n t e l l i g e n t M a n a g e m n t S y s t e m , ( O I M S ) i n D a g i n g L i X i “ s h a ” . S u ” K “ i夕 f ” 夕 奋 Y u Y f h a i . AB S T R A C T : A e e o r d i n g t o t h e t h e o r y a n d m e t h o d o l o g y o f I n t e l l i g e n t M a n a g e - m e n t S y s t e m ( I M S ) , t h e p a p e r h a v e d e v e l o p e d t h e 0 1 1 一 m i n e I n t e l l i g e n t M a n a g e n e n t S y s t e m ( O I M S ) i n D a g i n g . , T il e s y s t e m s t r u e t u r e a n d f u n e t i o n , t h e m e t il o d s a o d t e e h n o l o g y o f d e s i g n a n d i m p l e m e n t a t i o n o f O I M S a r e d i s e u - s , e d . K E Y W O R D : 0 1 1 一 m i n e I n t e l l i g e n t M a n a g e m e n t S y s t e m , g e n e r a li z e d k n o w l e d g e r e p r e s e n t a t i o n , H e u r i s t i e o p t i m i z a t i o n M e t h o d , m : l l t i 一 b a s e s e o o p e r a t i o n s y s t e m , p l a n n i n g s i m u l a t i o n t e e五n i q u e 采油智能管理系统是以采 油生 产管理 为对 象 , 在传统 的 办 公 信 息 系 统 ( 01 5一 o f ic e I n f o r m a t i o n S y s t e 。 ) 、 管理信息 系统 ( M I S一M a n a g e m e n t I n f o r m a t i o n S 了、 t e m ) 、 决策支 持 系统 ( D S S 一D e e i s i o n S u p p o r t S y s t e m ) 的 基 础上 , 引进人 工智能 技术 , 将0 1 5 、 M I S 、 19 9 1 一 1 0 一 2 4 收稿 . 计算机科学与工程系 ( D . P t . Q f c o m P u t e r S c i e n ` e a 拜 d 琴 n g i n e e r i n g ) 2日3 DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 1992. 02. 023

DSS智能化后，进行有机集成，形成三维模式的全方位智能管理系统，见图1。 Multilevel IDSS 2p210T24 IMIS IOIS Multiaspect ITOM Multiphase iapun Buranpag 图1 全方位智能管理系统 Fig.1 All-direction function of MIS 1 系统特点与逻辑结构 就采油工程管理全过程而言，系统本身具有如下特点： (1)整个系统是由多方面、多层次、多阶段组成的一个大系统。 (2)系统要解决的问题各种各样，既有定量问题，也有定性问题；既有确定性问题，也 有非确定性问题，既有结构化问题，也有半结构化或非结构化问题。有的还相互交叉，更增 加了问题求解的复杂性。 (3)要建立一个大系统，解决各种类型的复杂问题，涉及的知识面很宽，需要多学科知 识的有机支持。 根据系统特点设计系统的逻辑结构如图2。整个系统由基础层、实体层、辅助层和界面 层构成。 1.1实体层 实体层由采油智能管理系统的各功能模块和输人、输出组成。各功能模块可以独立运 行，也可以组织串行和综合。 1.2助辅层 辅助层由6个部分组成，各部分可以独立运行，也可根据OIMS的需要，通过接口与转 264

D S 智能化后 , 进行有机集成 , 形成三维模式 的全方位智能管理系统 , 见图 1 图 1 全方位智能管理系统 F i g 。 1 A l l 一 d i r e e t i o n f u 江 c t i o n o f M I S 1 系统特点与逻辑结构 就采油工程 管理全过程 而言 , 系统 本 身具有 如下特点 : (1 ) 整个 系统是 由多方面 、 多层次 、 多阶段组 成的一个大系统 。 ( 2) 系统 要解决的向题各 种 各样 , 既有定量 问题 , 也有定性问题 ; 既有确定性问题 , 也 有非确定性1句题 ; 既有结构化问题 , 也有半结 构化或非结构化向题 。 有的还相互交叉 , 更增 加了间题求解的 复杂 性 。 ( 3) 要建 立 一个大 系统 , 解 决各种 类型 的复杂 问题 , 涉及的 知 识面很宽 , 需要多学 科知 识 的有机支持 。 根据系统特点 设计系统的逻辑结构如图 2 。 整个系统 由基础层 、 实体层 、 辅助层和界面 层构成 。 实休层 实体层 由采油智能管理系统的各功能模块和输 人 、 输 出组 成 。 各功能模块可 以 独 立 运 也可 以组 织串行和综合 。 助 辅层 辅助层 由 6 个部分组成 , 各部分 可以独 立 运行 , 也可根据 oJ M S的需要 , 通过修月 与 转 1 . ,`, 行.1. ; 6呼

Experiment Model Prediction Expert Auxiliary layer、 designing building Decision Emulation shell Interface and conversion Interface layer USER OIMS Output Entity layer Coordination management Interface layer DB ModeI B Method B KB1 K62 Basic layer 图2系统转构框架 Fig.2 Systemarchitecture flame (D-data,B-basc,K-knowledge) 表1方法索引 Table 1 Methods index 试验设计法 建模方法 预测方法 决策方法 拉丁方设计法 多元一次回归 模型顶测法 线性规划 正交拉丁方设计 逐步回归 调查预测法 整数规刘 单指标正交设计 自回归 Delphi法 排线性规划 多指标正交设计 投入产出分析 生命周期法 动态规划 有交互作用的正交设计 单纯形加速法 时间序列法 启发加过程法 回归正交设计 描述建模法 增长曲线法 灰色预测法 换驱动。 (1)实验设计是一个实验优化设计的工具。它的直接服务对象是建模和仿真，目的是以 最少的实验次数，获得充分的实验数据或结果，为模型建立提供样本信息，为仿真试验提供 方案和数据。 (2)建模工具以建立实际对象定量描述的数学模型和定性描述的逻辑过程模型为主，也 可用于建立问题的描述模型、输人模型、输出模型和系统模型。 (3)预测工具的直接服务对象是决策和仿真，用以产生具体的目标和约束。 (4)决策工具包括定量决策和定性决策两部分。定量决策是在运筹学的基础上加启发优 化，定性决策是在逻辑过程的基础上加启发选择。 (5)仿真工具由连续仿真器和离散仿真器组成，是为验证模型、优化预测方法和优选决 策方案服务的。 (6)专家壳是在本系统中5个实际专家系统原型的基础上经过抽象和封扩充形成的专家系 统外壳，用于建立新的专家系统和优化己有的专家系统。 1.3基础层 基础层由数据库、模型库、方法库、知识库1、知识库2组成。 ?65

〔 x e P r i m e 州 n t o e d l P e r i d e t i o n D e C I S i o n Em u l a 主 t o n E x P e r t e s i g i g u i i d n n b l d n g s h e l l : n t e r f a e 。 。 n c d o e n v r s i o n } O I MS C o o i r d a n i t o n & m a a n g e m e n t M D B o e 1 M d B e 卜 t O 认 K d B B l B Z 19 F . S y s 2 t e m a r e i e e h t t u r e 图 系统结构框 架 2 f l a m e ( D 一 d a t a , B 一 b a s e , K 一 k n o w l e d g e ) 表 1 方 法 索 引 T a b l e 1 M e t h o d s i n d e x 试 验 设 计 法 建 模 方 法 预 测 方 法 决 策 方 法 拉丁方设计法 正交拉丁方设计 单指 标正交设计 多指标正交设计 有交互作 用的正 交设计 回 归正交 设计 多元一 次回 归 逐步回归 自 回 归 投 人产出 分析 单纯形加速法 描述建模法 模 型预测法 调查预测法 D e 1 Ph i 法 生 命周期法 时间 序列法 增长曲线法 灰 色顶测法 线 性规划 整数规划 排 线性 规划 动态规划 启 发加 过程法 换驱 动 。 ( 1) 实验设计是一 个实验优化设计 的工具 。 它的 直接服 务对 象 是建模和 仿 真 , 目的 是以 最少的实验次数 , 获得充分的 实验数据或结果 , 为模 型建 立提供样 本信息 , 为 仿真试 验提供 方案和数据 。 ( 2) 建模工具以建立实际对象定量描述的数 学模型和定性描述 的逻辑过程 模型为主 , 也 可用于建立间题的描述模型 、 输入模型 、 输 出模 型和系统模型 。 ( 3) 预 侧工具的 直接服 务对象 是决策和仿真 , 用 以产生具体的 目标和约束 。 ( 4) 决策工具包括 定量决策和 定性决策两部分 。 定量决策 是在运筹 学的墓础上加 启发优 化 , 定性决策是在逻辑过程的基础 上加 启发 选择 。 ( 5) 仿真工具 由连续仿真器和 离散仿真器组 成 , 是为验证模型 、 优 化预测 方法和优选 决 策 方案服务的 。 ( 6) 专家壳是在本系统 中 5 个 实际专家 系统 原型的 基础上 经过抽 象和扩充 形成的 专 家 系 统 外壳 , 用 于建立新的 专家 系统和优化 己有的专家 系统 。 1 。 3 甚础 层 蒸础层 由教据库 、 模犁库 、 方法库 、 知 识库 再 、 知识库 2 攀成? 2 6 5

知识库1由OIMS各模块功能、行为的形成、控制、执行有关的已形式化了的成熟知识 构成。它对整个OIMS的运行起主导作用。知识库2是知识工程师或领域专家新生的有创造 和直觉性的知识。这种知识不一定很成熟，一旦被实践证明是成熟的，就将其整理转移到知 识库1中。 方法库分别由试验设计方法、建模方法、预测方法和决策规划方法组成。方法库的实际 内容和主要过程均包括含在各辅助工具之中，对OIMS而言只是各类方法的综合目录或索 引，现有索引方法库的主要内容见表1。 模型库有形式模型和真实模型两种。形式模型由形式公式、形式描述、形式填空等形式 组成。真实模型是针对具体问题将形式模型具体化了的模型，可直接用于预测和规划求 解。 数据库由主数据库和专用数据库组成。主数据库用于事务处理，大而全。专用数据库指 建模用的样本库和验证模型用的实验数据库和仿真数据库。 1.4界面层 界面层由接口转换和协调管理组成。 协调与管理。界于实体层和基础层之间，对各种库进行管理与维护，同时对OIMS中各 功能行为的形成、控制和执行进行协调。 接口与转换。界于实体层和辅助的层之间，接口指OIMS与各辅助工具的联结；转换指 将OIMS提供给辅助工具的信息按辅助工具要求的标谁进行转换。只有在接口联结好、信息 标准化的前提下，辅助工具才可以被正确驱动和应用。 2系统功能的模块划分 系统的模块结构，可按专业划分为3个层次，如表2所示。 表2系统模块划分 Table 2 System module partition 层次 项 目 1层 采油智能系统主控 2层 年度规划 生产技术 井下作业 节能降耗 采油设备 (1)宏观目标规划 (1)月、季生产计划 (1)油水井大悠 (1)机采体统(1)抽油机 (2)正交实验设计 (2)采油方式专家系统 专家系统 (2)注水体统(2)抽油杆 (3)措施规划 (3)单井諧力分析 (2)水片作业系统 (3)输油体统(3)抽油泵 (4)综合比较与灵 (4)猎施效果分析 (3)电系作业系统 (4)集输加热(4)油管 敏度分析 (⑤)汇总统计分析 ()抽油机井作业 (5)加热取暖(5)套管 3层5)措施的季度分配 (6)棕合数据分析 (6)节能指标(6)游油电泵 (7)故障并判断专家系统 (7)并下工具 (3)故障诊断专家系统 (8)扭矩平衡分析 (9)动态波动分析专家系统 266

知识库 1 由O I M S各 模块功能 、 行 为的形 成 、 控制 、 执行有关的已 形式 化了 的成熟知 识 构 成 。 它 对 整个O I M S 的运 行起主导作用 。 知识 库 是 知识工程师或领域专家新生的有 创造 2 和直觉性的知识 。 这 种知识不 一定很 成熟 , 一旦被实践 证 明是成 熟的 , 就将其整理转移到 知 识库 1 中 。 方 法库分 别 由试验设计方法 、 建模方法 、 预测方法和决策规划方法组 成 。 方法库的实 际 内 容和主 要过 程 均包括 含在各辅助工具之 中 , 对 O I M S而言只是各类方法 的综合 目 录 或 索 引 。 现有索 引方法库 的 主要内容见表 1 。 模型库 有形式模型和真实模 型 两种 。 形式模型 由形式公 式 、 形式描述 、 形式填空等形式 组成 。 真实 模型是针对具 体问题将形式模型具体化了的 模型 , 可直接 用 于 预 测 和 规 划 求 解 。 数 据库 由主数 据库和专用 数据库组成 。 主数据库用于事务 处理 , 大而全 。 专用数 据库指 建 模用 的样本 库和验 证模型用 的实验数据库和仿真数据库 。 。 4 界 面层 界面层 由接 口转换和协 调管理组 成 。 协调与 管理 。 界于 实体层 和基础层之 间 , 对各 种库进行管理与维护 , 同时对 ol M S中各 功能行为 的形 成 、 控 制和执 行进 行协 调 。 接 口与转换 。 界于 实体 层和 辅助的层 之 间 , 接 口指 O I M S 与 各辅助 工具的联结 ; 转换指 将 O I M S 提供给辅助工具的信息按 辅助工具要求的 标准进行转换 。 只有在接 口联 结好 、 信息 标准 化的 前 提下 , 辅助 工具才可 以被正 确驱动 和应 用 。 2 系统功能的模块划分 系统的模 块结 构 , 可按专业划分为 3 个层 次 , 如表 2 所示 。 表 2 系 统 模 块 划 分 T a b l e 2 S y s t e m m o d u l e p a r t i t i o n 层次 1 层 采 油 智 能 系 统 主 控 2 层 年 度规划 生产技术 井下作业 节能降耗 采油设 备 管管 l( ) 宏 观 目标规 划 (2 ) 正交 实验设计 (3 ) 措施 规划 (4 ) 综合比 较与灵 敬度分析 3 层 5) 措施 的季度分配 l( ) 月 、 季生 产计划 ( 1) 油水井 大修 (2 ) 采油方式专家系统 专家系统 (3 ) 单井潜力 分析 ( 2) 水井 作业系 统 (4 ) 措施效果分析 ( 3) 电泵作业系统 (的 汇 总统计分 析 ( 4 ) 抽油机井作业 (6 ) 综合数据分析 (7 ) 故障并判断专家系统 ( a ) 故障 诊 断专 家 系统 (9 ) 动态波动分析专家系统 ( l) 机采体统 l( ) 抽油机 注水体统 ( 2 ) 抽油杆 输油体统 ( 3) 抽油泵 集输加热 ( 4) 油 加热取暖 ( 5) 套 节能指标 ( 6) 潜油电泵 (7 ) 井下工具 (8 ) 扭矩平衡分析 (2)(3)4(5)6 2 6 6

模块之间的联系是错纵复杂的，既有同子系统下的同层模块联系，又有同层而不同子系 统模块之间的联系，还有不同层、不同子系统模块之间的联系。 了典型子系统的实现 年度规划子系统是一个智能决策支持系统，是在生产技术、井下作亚、节能降耗、采油 设备4个子系统提供信息和约束的基础上进行年度规划和决策支持。决策的结果再分散到各 子系统落实。 3.1摸块控制结构 年度规划子系统的模块控制结构，如图3。 Yearly planning subsystem Function selection Plan and decision Auxiliary rools Measure programming DB maitenance Orthogonal experiment Experiment design- design Macroobject programming Model-building system Comprehensive copmparison Predictions system and frers analysis Seasonal measure Emulation system assignment 图3控制结构模块 Fig.3 Module of control structure 本子系统与其它子系统发生直接联系的模块是数据谁备和任务分配。 数据准备一是从其它子系统抽取信息形成约束。其次是直接输人或文件调用指令性指 标和信息。 任务分配一一是将决策结果，按对口子系统形成保存文件，按对口职能部门形成任务分 配表。 知识库维护一对支持各阶段决策行为的知识库提供增、删、改、一改桂检查、冗余性 检查等功能。 辅助工具一基本与前面所述的辅助层相同，只是范围相应缩小。其中的数据库维护， 是对本子系统的数据提供维护。 规划决策一是本子系统的核心部分。 3.2决策过程 年度规划的决策过程分5个阶段完成，各阶段可以单独执行，也可以连续串行。规划流 267

模块之 间的联系是错纵复杂 的 , 既有同子 系统下的同层模块联系 , 又有同层而不同子茶 统模块之间的联 系 , 还有不 同层 、 不同子 系统 模块 之间的 联系 。 3 典型子 系统的实现 年度规划子 系统 是一个智能决策支持系统 , 是在生 产技术 、 井 下作 业 、 节能降耗 、 采 油 设备 4 个子系统提供信息 和约束的基础上 进行年度规划和 决策支持 。 决策的结果 再分散到各 子 系统落实 。 3 。 1 模块控制 结构 年 度规划子 系统 的模块控 制结构 , 如图 3 。 Y e a r l y P l a n n i n g s u b s y s t e m F u n e t i o n s e l e c t i o n P l a n a Me a s u r e n d d e e i s i o n 月u。j u ! p涅的。es l P r o g r a m m l n g A u x i l i a r y r o o l s D B m a i t e n a n e e 盆心妇叫艺口。u.eu o r t h o g o n a l e x P e r i 口le n t d e s i g n 梦 a C r o o b j e C t p r o g r a m m` n吸 Co m P r e h e n s i v e e o P m P q r i s o n s n d f r e r s S e a s o n a l a n a l y s i s m e 日 S U r e 〔 x P e r i m e n 七 d e s i g n · Mo d e l 一 b u i 毛d i n g s 丫s t ` P r b d i e t i o n S s y争t e m 〔 m u l a t i o n s y s t e m 叫c。4 口óedó山4o a s s i g n m e 们 t 图 3 控制结构模块 F 19 。 3 班 0 d u l e o f c o n r r o l s t r u e t u r e 本子系 统与 其它子 系统发生直接联系的 模块是数 据淮备和任 务分配 。 数据准备— 是从其它子 系 统抽取信息形成约 束 。 其 次是直接输入或 文件调用 指令性 指 标和 信息 。 任 务分配— 是将决策结 果 , 按对 口子 系统形成保存 文件 , 按对 口职能部门形成任 务分 配表 。 知 识库维护 — 对 支持各阶段 决策行为的知 识库 提供增 、 删 、 改 、 一改性 检查 、 冗 余性 检查 等功能 。 辅助工具 — 基本与前面所述的辅助层相 同 , 只 是范围相应缩小 。 其中的数据库维护 , 是对本子系统的数据提供维护 。 规划决策— 是本子系统的 核心部分 。 苏 . 2 决策过程 年度规划的 决策过程分 5 个阶段完成 , 各阶段可 以单独执行 , 也可以连续 串行 。 规划流 2 6 7