海洋石油平台自动化管路布局优化算法设计.pdf

- 3 4 ．- 石 油机械 C H I N A P E T R 0 L E U M M A C H I N E R Y 2 0 1 4年第4 2卷第 2期 ． ． 海洋石油装备 海洋石油平台 自动化管路布局优化算法设计 沈龙泽 刘衍聪 1 ．中国石油大学 华东机电工程学院2 ． 王文超 任红伟 中石化胜利石油工程有限公司钻井工艺研究院 摘要 目前管路布局 多依靠人工设计完成，工作量大 、设计周期长。为提高设计效率，设计 了一套 自动化管路布局遗传模拟退火算法。其针对遗传算法易早熟、收敛速度慢等问题，引入模 拟退火思想，对遗传算子进行 Me t r o p o l i s 规则改进 ，提高初期进化时种群多样性 ，增强算法全局搜 索能力；设置等温和退温 内、外2层循环，提高算法收敛速度和性能。利用遗传算法和遗传模 拟 退火算法进行管路布局仿真试验计算并进行对比，对 比结果表明，在相同初始条件和计算精度下 ， 后者全局搜 索能力强，不易陷入局部最优解 ，且收敛迅速、稳定 ，运算结果优于前者。 关键词 海洋石油平台；管路布局 ；遗传算法；模拟退火算法；Me t r o p o l i s规则 中图分类号 T E 9 5 1 文献标识码 A d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 4 5 7 8 ． 2 0 1 4 ． 0 2 ． 0 0 9 Al g o r i t h m Op t i mi z a t i o n f o r Au t o ma t e d S h e n Lo n g z e Li u Ya n c o n g 1 ． C o l l e g e o f Me c h a n i c a l a n d E l e c t r o n i c E n g i n e e r i n g ， C h i n a S h e n g l i O i e l d p e l i n e La y o u t o f Of f s ho r e Pl a t f o r m W a n g W e n c h a o Re n Ho n g we i U n i v e r s i t y ofP e t r o l e u m 2 ． R e s e a r c h I n s t i t u t e ofD r i l l i n g T e c h n o l o g y ， Ab s t r a c t At p r e s e n t t h e c o mp l e t i o n o f p i p e l i n e l a y o u t u s u a l l y d e p e n d s o n a r t i fi c i a l d e s i g n ． T h u s ，t h e w o r k l o a d i s h e a v y a n d t h e d e s i g n c y c l e i s l o n g ． To i mp r o v e t h e d e s i g n e ffic i e n c y，a s e t o f g e n e t i c s i mu l a t e d a n n e a l i n g a l g o r i t h m f o r a u t o ma t e d pi pe l i n e l a y o u t wa s d e s i g n e d ． To ha n d l e t h e e a r l y ma t u r i t y a n d s l o w r a t e o f c o n v e r g e n c e o f t h e g e n e t i c a l g o ri t h m，t h e a l g o r i t h m i n t r o d u c e d t h e s i mu l a t e d a n n e a l i n g c o n c e p t a n d i mp r o v e d t h e Me t r o p o l i s r u l e s o f g e n e t i c o p e r a t o r s，i mp r o v i ng t h e p o p u l a t i o n d i v e r s i t y a t t h e i ni t i a l s t a g e o f e v o l u t i o n a n d s t r e ng t h e n i n g t h e g l o b a l s e a r c h c a p a c i t y o f t h e a l g o ri t h m． T h e c i r c u l a t i o n o f e x t e r n a l a n d i n t e r n a l i s o t h e r mi c a n d t e mp e r a t u r e ． 1 0 we r i n g l a y e r s wa s d e s i g n e d , i n o r d e r t o i mp r o v e t h e c o n v e r g e n c e v e l o c i t y a n d p e rfo r ma n c e o f t h e a l g o rit h m． Th e g e ne t i c a l g o rit h m a n d t h e g e n e t i c a n n e a l i n g a l g o r i t h m we r e u s e d t o c o n d u c t t h e s i mu l a t i o n t e s t c a l c u l a t i o n a n d c o mp a ri s o n o f p i p e l i n e l a y o u t ． Th e fin d i n g s s h o w t h a t i n t he s a me i n i t i a l c o n d i t i o n s a n d c a l c u l a t i o n pr e c i s i o n ， t h e g l o b a l s e a r c h c a p a c i t y o f t h e l a t t e r i s s t r o n g ． I t i s n o t e a s i l y t r a p p e d i n t h e l o c a l o p t i ma l s o l u t i o n，wi t h a f a s t a n d s t a bl e c o n v e r g e nc e r a t e ．I t s c a l c u l a t i o n r e s u l t i S b e t t e r t h a n t h a t o f t h e f o 1 3 3 1 e r ． Ke y wor d s o f f s h o r e p l a t f o r m ； p i p e l i n e l a y o u t ； g e ne t i c a l g o rit h m ； s i mu l a t e d a n n e ali n g a l g o r i t h m ； Me t r o p o l i s r u l 0 一 口 管路系统是现代化工业生产必不可少 的组成部 分 ，作为海洋石油平 台管路系统设计最重要内容之 一 的管路布局设计是在限定的布置空间内，寻找不 与其他设备发生干涉，满足各种约束条件的无碰路 径 。在实际设计过程 中，设计者 往往需要 花费 大量的时间去考虑管路 的碰撞问题和各项空间约束 条件 ，工作量大 ，设计周期长 ，效率低下 ，且由于 路径往往并不合理而造成生产空间的浪费。与其他 先进设计技术相 比管路布局技术还相对落后 ，成为 基金项目国家高技术研究发展计划 8 6 3 计划项目 “ 深水钻机与钻柱 自 动化处理关键技术” S S 2 0 1 2 A A 0 9 0 3 0 3 。 2 0 1 4年 第4 2卷 第2期 沈龙泽等海洋石油平台自动化管路布局优化算法设计 一 3 5一 制约现代化工业设计效率和成本的重要因素。 国内外学者对 自动化管路布局技术进行了大量 研究 ，并在优化算法上取得 了很大进展。遗传算法 以其优良的鲁棒性、通用性和并行寻优能力在这一 领域被广泛应用，并解决 了一些实际问题 。如 日本 的 I t o _ 2 应用遗传算法在二维平 面内搜索管 路的最 优路径；国内学者樊江等 在 2 0 0 4年应用遗传算 法解决航 空发动机 的管路 布置 问题 ；范小 宁等 提出了一种适合船舶管路布局的变长度编码技术和 遗传算子，在三维空间下进行管路布局寻优等，但 都未摆脱遗传算法局部寻优能力差 、易早熟、收敛 速度慢等缺 陷 。笔者针 对 以上 问题 ，在利用遗 传算法进行管路布局规划的基础上 ，对遗传算子及 遗传操作引入模拟退火改进 ，形成一种 自动化管路 布局遗传模拟退火算法，增强全局寻优能力，抑制 算法早熟现象 ，使收敛迅速而稳定 ，提高了管路布 局 的设计效率。 1 自动化管路布局遗传算法 i ． 1 布管环境模型 布管环境系统建模是进行管路布局设计 的准备 阶段，将 已知设备据其形状简化为长方体包容 盒 ，用其对角 坐标进行 表示 ，并 根据 管道连 起 点 终点 接关系划分模块 ，模块问布管时，模块作为设备包 容盒参与设计 ；进行模块内布管时 ，模块作为布局 空间参与设计。为使布置整齐有序以减少空间占 用 ，采用正交布管 ，管路布局示意图如图 1 所示。 最优路 径 空 问 设 备 图 1 管路 布局示意 图 Fi g ．1 Di a g r a m o f pi p e l i ne l a y o ut 完成空间内已知设备的简化后 ，为确定管路在 空间内的合理转折点，对布管空间进行网格划分。 网格划分是初始管道路径种群生成的基础 ，以设备 包容盒边界面 、布局空间边界面 、起点和终点平行 于 一 Y 、 和 y 面的平面为分割面对布管空问进 行网格划分 _ 8 J ，如图2所示 。 以切割面相交产生的交点 中包括了所有的合理 节点位置 ，但同时也存在不可行节点 ，如障碍物 内 部的节点。不 可行 节点 的引人保证 了网格 的完整 性 ，有利于路径的生成。 点 a ． z 视图 b ． y _ z 视图 c ． x - y视图d ． 三维空间网格 划分 图 2 布 管空 间网格划分 F i g ． 2 Me s h g e n e r a t i o n o f p i p e l i n e l a y o u t s p a c e 1 ． 2 路径编码及初始种群的生成 基于前述的网格划分 ，空 间中的节点可 以用 2 种方法表示 ①用节点在网格 中行 、列 、层 的序号 来表示；②用节点在姿态空间_ 9 中的实际位置坐 标来表示。以连接起 点和终点 的变长度节 点 串 J 编码路径染色体 ，路径采用双重编码方法 ，前者用 于遗传操作，后者用于路径评价。 个体的生成按照有方向指导的随机生成方式， 即从起点开始寻径 ，路径向着终点方向的概率大于 其他方向的概率 J 。这种按照方向指导随机生成 路径的方法方向性过强，生成的初始种群多样性降 低，容易造成算法过早收敛。为解决这一问题，笔 者引入了中间过渡点 ，即在布管空间中起点和终点 外任选一点 ，路径首先 由起点 5按方向指导寻径 到中间点 ，再 由 按方 向指导 寻径到终 点 ， 生成一条路径 ，设定 种群规 模 Ⅳ后按相 同方法生 成 Ⅳ条路径染色体 即可生成初始种群 。 1 ． 3 适应度函数 管路布置优化目的可简化为在控制管路长度的同 时尽量减少弯头数量 ，同时考虑管路的架设高度，属 于多可控参数综合寻优， 数学模型可表示如下。 求设计 变量 X ， ， ， ， ，⋯， 使得目 标函数 I ， ， 石 油机械 2 0 1 4年第4 2卷第2期 ⋯ ， ] 最 小 。 r a ≤X ≤ b i1 ， 2 ， ⋯， { h j x 0 1 ， 2 ， ⋯，P L ≤0 k1 ， 2 ， ⋯， q 为起点和终点按初始路径的生成方式生成一条新的 子路径 ，用以替换原来 2点间的路径 。 2 自动化管路布局遗传模拟退火算法 式中，b 、a 为第 i 个设计变量 五 的上、下限；n 为设计变量的个数； P为非上、下限等式约束个 数；q 为非上、下限不等式约束个数。 目标函数 中引入 网格节点能量值的概念。管路 在布管空间敷设时 ，空间中有希望其接近和禁止其 接近的区域。将位于最希望接近区域 中的节点能量 值设为 0 ，禁止管道穿越 的区域 中网格节点的能量 值设为 1 ，中间从最优区到禁止 区中的网格节点能 量值按一定规律从 0逐渐过渡到 1 _ 4 J 。则管路 目标 函数如下 G W 1 ∑d 2 Ⅳ 3 ∑e W 4 G ∑d ih R 2 i 1 式中，W 、W 、W 、W 分别为管长、弯头数、能 量和重力势能权重系数；N为总弯头数；d 为管段 长度；e 为管段能量值；G为单位长度管段的重 力；h 为管段质心高度；R为惩罚函数。 笔者的目标是寻求管道敷设 的成本最低化 ，属 于目标函数最小问题 ，则适应度函数 fi t n e s s 构造为 f i t n e s s A f ∑d w z N n n ，∑e W 4 G ∑d i h R 3 其 中， 为适 当大的正常数 ，4的取值要保证 fi t n e s s 为非 负实数。根据 管路架设 设计 的不 同要 求，对各个目标的权重系数进行调整，可以得到满 意的优化结果。基于该适应度函数的路径，适应度 越大则该路径越优秀。 1 ． 4 遗传算子 选择算子 采用轮盘赌选择策略 ，各个体被选 中的概率与其适应度大小成正比 。 交叉算子 采用的交叉策略为在种群规模范围 之内，选取第 i 个个体作为固定父代，随机选取第 个个体为可变父代，随机生成交叉位置点 P 和 P j ，去掉固定父代中P 以后的基因， 保留可变父代 中P 以后 的基 因，两 者交叉形成新 的染 色体 ，去 掉该染色体 中相 同的基 因，得到交叉后 的新个体。 变异算子采用随机替换一段基因的方式进行 变异。即随机选择 2个节点作为变异点，以这 2点 2 ． 1 遗传算子的模拟退火改进 遗传算法采用以适应度值为基础的轮盘赌选择 方式， 在遗传算法初期，通常形成一些超级个体 ， 由于竞争力太强而控制选择过程 ；在进化后期 ，种 群的进化趋于相似，路径染色体适应度值差异极小 从而使得遗传操作趋 向随机选择 ，使 种群进化 陷入局部最 优解 ，从而无法 找到全局最优解 。为 此 ，笔者引人 了模拟退火思想的 Me t r o p o l i s 准则改 进轮盘赌选择策略。在种群进化过程中 ，不但接受 优良解，还以一定的概率接受不良解，造成搜索路 径 的回退 ，从而跳 出局部 最优解重新搜索 全局最 优解。 Me t r o p o l i s 准则 的主要策略 为，在杂 交和变异 之后加入 Me t r o p o l i s 判定 ，如果子代的适应度值大 于父代的适应度值，则以子代代替父代；如果子代 适应度值小于父代适应度值，则以 M e t r o p o l i s 准则 接受子代，即计算接受概率 f 1 ⋯ p 1 ≤ 斗 【 e x p 『 ． 一 ／ l 式中， P为接受概率， 和晟 分别为子代和父代 的适应度值， 为温度。 若P大于 [ 0 ，1 区间的随机数，则将子代 代替父代；若不成立则仍保留父代。 从式 4 可 以看 出，在进 化 初期 ，温 度较 高 ，不 良解 的接受概率较大 ，增加 了种群 的多样 性 ，防止种群过早陷人局部最优解 ；随着温度的降 低，在进化后期， 种群对不良解的接受概率逐渐减 小 ，种群的优 良解被更多保留，促进路径 向全局最 优解方向搜索 。 2 ． 2 遗传操作的模拟退火改进 将遗传模拟退火算法设计等温和退温内、外 2 层循环内循环为热平衡过程类比于物理退火的等 温过程，在某一温度时算法不断搜索直至达到局部 平衡 ；外循环为退温过程 ，类 比于物理退火的冷却 过程，随温度下降，不断地进行等温内循环，由局 部平衡逐渐走向全局平衡，搜索到全局最优解。遗 传模拟退火算法流程图如图3所示。图中i 代表内 循环递进次数，0 代表外循环递进次数，t 表示温 石 油机械 2 0 1 4年第4 2卷第2期 一 一 一 一 图 6 遗传模 拟退火算法下布管运算 F i g ． 6 P i p e l i n e l a y o u t c a l c u l a t i o n u n d e r g e n e t i c s i mu l a t e d a n n e ali n g a l g o r i t h m 由图5 和图6 可明显看出，当算法收敛到全局 摆脱 ， 种群进化长时间停滞，造成算法整体进化时 最优解时，管道路径在长度最短、弯头数最少的前 间加长，效率低下；反观遗传模拟退火算法，进化 提下合理地避开障碍物且沿能量较低的障碍物边界 初期种群路径最优值与平均值有较大差异 ，这说明 铺设。遗传算法下，运算结果路径存在局部拐弯等 由于加入模拟退火改进，在进化初期种群多样性较 细微缺陷不能稳定收敛 ；而在遗传模拟退火算法下 强 ，算法不易收敛到局部最优解 ，种群整体进化稳 运算结果路径平直且弯头数最少，均能收敛到最优 定有序，在5 0代左右即能收敛到全局最优解，算 路径。 法收敛速度及稳定程度明显好于遗传算法 。 3 ． 3 算法改进分析 图9为 2次试验下种群进化过程 中路径适应度 基于本次模拟试验， 选择遗传算法下最优路径 图5 d和遗传模拟退火算法下任选一条路径图 6 b ， 以路径适应度函数值为 目标探索 2种优化策略下种 群的进化规律。结果如图7和图 8所示 。 算法 操作代次 图7 标准遗传算法下路径适应度函数值收敛曲线 F i g ． 7 Co n v e r g e n c e c u r v e o f p a t h fit n e s s f u n c t i o n v a l u e u n d e r s t a n d a r d g e n e t i c a l g o r i t h m 宝 V 迥 裁 闺 越 螋 值 值 操 作 代 次 图8 遗传模拟退火算法下路径适应度函数值收敛曲线 F i g ． 8 C o n v e r g e n c e c u r v e o f p a t h fi t n e s s f u n c t i o n v a l u e u n d e r g e n e t i c s i mu l a t e d a n n e ali n g a l g o r i t h m 由图7、图 8可知 ，进化初期种群路径最优值 与平均值相差较小，说明种群相似性较强、多样性 较弱，且出现了明显的 “ 早熟”现象，算法从 3 0 代左右开始一直到 1 3 0代左右陷入局部最优解无法 振幅波动曲线图。从 图可 以看出 ，遗传算法下种群 路径适应度函数振幅波动杂乱无明显趋势 ；遗传模 拟退火算法下振幅波动值整体有明显的下降趋势。 进化初期 ，由于引入模拟退火处理 ，种群多样性较 强振幅波动较大，防止算法陷入局部最优解；后期 波动减小且较为有序 ，对振幅波动抑制能力明显强 于遗传算法 ，在运行过程 中更为稳定且种群进化趋 势明显。 算 法 图 9路 径适 厘度 振 幅 波动 值 比较 曲 线 F i g ． 9 C o mp a r a t i v e c u rve o f p a t h fi t n e s s a mp l i t u d e f l u c t u a t i o n v a l u e 由以上分析可知 ，通过引入模拟退火思想 ，改 进后的遗传模拟退火算法比遗传算法全局搜索能力 强，不易陷入局部最优解产生早熟现象，且收敛迅 速 、稳定。 4 结束语 笔者提出的自动化管路布局遗传模拟退火算法 采用 M e t r o p o l i s 准则对遗传算子进行模拟退火改 进，提高了算法初期种群的多样性，解决了遗传算 2 0 1 4年第4 2卷第2期 沈龙泽等海洋石油平台自动化管路布局优化算法设计 一 3 9一 法局部寻优能力差的问题。对遗传操作设计了等温 和退温内、外 2 层循环，提高了算法的收敛速度和 能力。算法能有效控制管段长度和弯头数量，提高 设计效率，降低建设成本 ，用于海洋石油平台管路 布局设计可取得较好 的经济效益。 [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] 参考文献 冯军 ，应文烨 ，陈宾康 ．基于遗产算法三维管路布 置设计方法 [ J ]．交通与计算机，2 0 0 4 ，2 2 3 7 57 8 ． I t o T ． A g e n e t i c a l g o r i t h m a p p r o a c 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海洋平台自动化管路布局设计。地址 2 6 6 5 8 0 山东省青岛 市。E ma i l s h e n 2 0 0 7 8 8 1 2 6 ． c o rn。 收稿 日期 2 0 1 3 0 81 5 本文 编辑刘锋 上接第 3 0页 2 当钻 柱 转速 高 、接触 力 大 、井 眼粗 糙 、 狗腿度严重、注气量低或井眼扩大严重 气流速 度低时 ，摩擦热易在钻柱表 面积累 ，并 可能超 过钻柱材料的相变临界温度 ，从而导致热过载 ；当 钻柱转速低 、接触力小 、井眼光滑、井身质量高、 注气量大或井眼扩径不严重时，反复的摩擦生热和 快速冷却使钻柱 承受 交变热载荷 ，从而 导致热疲 劳 ；热过载或热疲劳与机械载荷共 同作用使钻柱表 面产生微裂纹 ，从而加速气体钻井钻柱失效 。 3 为减轻摩擦热的影响，应尽量降低钻柱 与井壁的摩擦强度 ，提高循环介质携热能力 。建议 采用低转速的空气锤钻井工艺 、使用低摩擦 因数 的 专用保护工柱 、适 当提高注气量 、合理设计 B H A 以确保井身质量和抑制井眼扩大。 参考文献 [ 2 ] [ 3 ] 祝效华，蒋祖军，童华，等 ．气体钻井钻具失效因 素与机 理分 析 [ J ]．石 油 钻探 技术 ，2 0 0 9 ，3 7 2 6 06 2 ． E a t o n L F ． T o o l j o i n t h e a t c h e c k i n g w h i l e p r e d r i l l i n g f o r a u g e r T L P p r o j e c t[ R]． S P E 。 2 5 7 7 6 ． A l t e r ma n n J A．S mi t h T B ． He a t c h e c k i n g q u e n c h c r a c 一 [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ] k i n g t o o l j o i n t s[ R]． S P E 2 3 8 4 6 ． He M L，J e l l i s o n M，Wy b l e K，e t a 1 ． C a t a s t r o p h i c d r i - l l s t r i n g f a i l u r e s c a u s e d b y d o wn h o l e f r i c t i o n h e a t i n g a n i n c r e a s i n g t r e n d ． S P E ／ I ADC 1 0 5 0 2 6 ． 薛景文 ． 摩擦学及润滑技术 [ M]．北京 兵器工 业 出版 社 ，1 9 9 2 ． 杨世铭 ，陶文铨 ． 传热学 [ M ]． 3 版 ． 北京 高等 教育 出版社 ． Ve r n o n R J ．Wa d e E H R ． B e y o n d h e a t c h e c k i n g F r i c t i o n a l h e a t i n g c a u s e s d r i l l p i p e f a i l u r e i n a n e x t e n d e d r e a c h we l l f R1． S P E 8 6 5 6 2 ． J e l l i s o n M J ， He h n L，C h a n d l e r R B， e t a 1 ． S e v e r e d o wn h o l e f r i c t i o n a l h e a t i n g d r i v i n g i n c r e a s e i n d r i l l s t r i n g f a i l u r e s 『 R] ． S P E 1 0 7 6 4 6 ． 刘道平 ．对滑动摩擦热效应问题的认识 [ J ]．润滑 与密封，1 9 9 4 6 1 1 1 4 ． 第一作者简介罗整 ，工程师，生于 1 9 8 1年，2 0 0 5 年毕业于西南石油学院机械制造及其 自动化专业，现从事 气体钻井技术工艺、装备研究和管理工作。地址 6 1 8 3 0 0 四川 省广 汉市。E ma i l 3 1 4 0 2 3 4 9 6 q q ． c o m。 收稿 日期 2 0 1 3 0 8 0 8 本文编辑刘锋