钻井井控仿真中多Agent系统建模研究.pdf

1 2 0 石油天然气学报 江汉石油学院学报 2 0 0 8 年 1 o 月第 3 o 卷第 5 期 J o u r n a l o f O i l a n d G a s T e c h n o l o g y J ． J P I O c t ． 2 0 0 8 V o 1 ． 3 0 N o ． s 钻井井控仿真 中多 A g e n t 系统建模研 究 王武礼 ，王延江 杨 华 ，宋媛媛 中国 石油大学 华东信息与控制工 程学院， 山东东营 。 。 ’ [ 摘要]针对钻井井控作业特 点及传统钻井井控仿真系统的不足之 处，提 出利用 多智能体 Ag e n t 技术 ， 建立一种新型的基于 Ag e n t 的智能化分布 式井控 仿真模型。利用 A g e n t的 自主性 、协作性和反 应性 。使 井控设备的操作在任 意状况下都 能够及 时准确地反映各种井控规律及 井控现象。对钻 井井控仿真多 Ag e n t 系统模型、各 Ag e n t 的 内部结构、Ag e n t的知识表 示方法及 Ag e n t 间通信 方式进行 了详细 阐述 。给 出了基 于 Ag e n t 的正常钻井井控仿真训练实例，较好地解决 了传统井控仿真系统中灵活性和并发性较差的问题． 增 强了井控仿真系统 的综合训练 能力。 [ 关键词]钻井模拟器 ；井控仿真 ；智能体 ；多智能体 系统 ；建模 [ 中图分类号]TE 2 8 [ 文献标识码]A [ 文章编号]1 0 0 0 9 7 5 2 2 0 0 8 0 5 0 1 2 0 一 O 4 石油钻井工程是一个地下隐蔽性工程 ，它的信息量大、复杂多变，难 以量化并带有很强的不确定性 和非线性[ 1 ] 。因此 ，在钻井过程中可能会遇到各种各样的问题 ，特别是井涌，如控制不及时或不当，则 有可能发展成为井喷 ，造成严重的钻井事故[ 2 ] 。为使钻井工程人员熟练掌握井 内发生异常情况后的处理 过程，优质安全地实施快速钻井 ，就需要进行钻前井控培训。 2 O 世纪 8 0年代 ，我国各大油田都引进 了美 国S i mt r a n公司的 D S - 2 0 0钻井模拟机以及 D i g i t r a n公司 的 R S 3 0 0 0 ／ P A WS钻井模拟机，但 由于其故障率高且仿真功能不完善 ，早 已处于瘫痪状态。近年来， 国内自主研制的钻井模拟器 以其成本低 、仿真模块多、图形界面丰富的特点得到各大油田的认可，但经 过几年的应用 ，也暴露出了不少问题 。如整个仿真过程只能顺序执行 ，仿真模型过于简单 ，无法模拟井 下复杂情况；另外，各仿真模块只能单独训练 ，仿真模块之间缺少联系，无法综合反映各种井控现象。 因此，笔者结合钻井井控作业的特点，提 出运用多 Ag e n t 技术 ，对钻井井控仿真 系统进行建模， 将设备操作、模 型运算 、视景播放 、声 音控制、数据 显示等仿真模块 都封装成 相应 的 Ag e n t ，利用 Ag e n t 的自主性 、协作型和反应性 ，较好地解决了传统井控仿真系统中灵活性和并发性较差的问题 ，增 强了井控仿真系统的综合训练能力。 1 钻井井控仿真 MA S 模型 该系统是在计算机网络环境下建立的多 Ag e n t 协同工作系统，采用分解 和协调的设计原则，将其 划分成若干个易于处理的子系统 ，每个子系统就是一个拥有 自身知识 、规则 、目标且能够独立运行的 Ag e n t ，如图 1 所示。图 1 将钻井井控仿真系统中的设备操作 、井控模型运算 、视景播放 、声音控制等 仿真模块融人一个多 Ag e n t 的框架中，利用 Ag e n t的自主性、社会性和反应性 ，提高 了整个仿真系统 的智能化程度 ，增强了井控仿真的综合训练能力。系统中的各 Ag e n t 之间利用黑板和基于 KQ ML通信 语言进行交互协调。 1 ． 1 A g e n t 结构 1 系统管理 Ag e n t 系统管理 Ag e n t 在钻井井控仿真系统 中处 于比较重要 的地位 ，负责根据用户 [ 收稿日期]2 0 0 8 一 O 3 0 3 [ 作者倚介]王武礼 1 9 7 8 一 ．男， 2 0 0 1 年大学毕业，讲师，硕士，现主要从事计算机控制与仿真、人工智能方面的研究工作。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3 O卷第 5 期 王武礼等 钻井 井控仿 真中多 Ag e n t 系统建模研究 输入 的仿真 井 的参数 构 建特定 的仿 真环境 ；负责 仿真 任 务 的分 配 ；负 责仿 真结果 的评 价 ；负责仿 真 时 钟 的协 调 ；负 责其他 Ag e n t 状 态 的监 控 ；负责部分 Ag e n t 的 生成 与销 毁 等 。其结 构 如 图 2所 示 。图 2中 ， 人机 接 口相 当 于感知 器 ，负 责对 用 户操作以及仿真开始时仿真参数信 息 的接收 ，通过 消息 处理 器 将 消息 分发 给协调 器 和状态 机 ；协 调器 根 据预 先确定 的规 则 ，决定 要 分发 的 消息 ，利用 消息 处理 器 、决 策生 成 器 和通信模 块 将要 分发 的消 息传 给 其他 Ag e n t ；消息 处 理 器将 来 自用 户、黑板通信区和其他 Ag e n t 的消 息 ，联合系统 当前的仿真环境与协 调器 、状态机一起对获取 的信息进 行处理、分类 ，然后送给决策生成 器 ；决策生 成器 利用 消 息处 理器 传 来 的信息 ，结 合 自身 的属 性 和知 识 制定 规划 和任 务 ，然 后 分别 将 不 同 的任 务 利 用 通 信 模 块 传 给 相 应 的 Ag e n t 或传送 给仿 真 评 价模 块 和 系 统监 视模块 。 2 模 型 计 算 Ag e n t 模 型 计 算 Ag e n t 中封装了各种仿真训练项 目的计算模块 ，仿真训练过 程 中， 用户操作设备 Ag e n t 的状态信息公 布在黑板通信 区上 ，模 型计算 A g e n t 利用 自己的感知模块和通信接 口获取到用户的目标 ，根据获取 的 信息和 自身的仿真参数 ，进行决策 得 到 当前 的任务 目标 ，调 出相应 的 计算模块进行仿真参数和系统状态 的推 理计算 ，最终 将 处理 的结 果 再 通过黑板通信区和专门的通信语 言 KQML传 送给系统管理 Ag e n t与 其他 Ag e n t 。其结构如图 3 所示。 图 1 钻 井 井 控仿 真 MAS模 型 图 2 系统管理 A g e n t 内部结构 图 3 模 型计算 A g e n t 内部结构 3 反 应 A g e n t 反 应 Ag e n t 包括指重表 Ag e n t 、声音控制 Ag e n t 和视景 Ag e n t ，这类 Ag e n t 在结构上只是根据环境或其他 Ag e n t 传 递过来的信息 ，再结合 自身的规则进行简单的响应 虽然 Ag e n t 内部实现起来较困难 ，完成 自身的目 标任务。基本结构如图 4 所示 。 1 ． 2 Ag e n t 的 知识表示 钻井井控仿真系统是一个复杂的系统 ，需要用到各种类型的知识 ，如何较好地表达数 较大、种类 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 石油天然气学报 江汉石 油学 院学报 2 0 0 8 年 l O月 繁 多的知识 ，是 系 统达 到 实 用化 的 关键[ 引。关系模 型具有牢固的理论 基础 ，是适合 于 描 述复 杂 、多变 系 统 的一 种模 型 。一个 关 系 可 以认 为 是一个 谓词 的外 延 ，一个 谓词 则 可 认 为是 一个 关 系 的 内涵 ，因 此 ，关 系可用 来表 达知 识 。该 系统 就 是 采用关 系来表 示 Ag e n t 内部 的各 种 知识 。 1 事实性 知识 的关 系表 示 黑 板 L ． } 通 信 接 口r _ 信 通 信 区 『-_ 仿 真 ，，， 、 息 _ 叫动 作 卜 _ - -p 融 环 境 僧I 通 信 模 块1 合 T t__ A g en t ／ J 图 4反应 A g e n t 内部结构 事实性知识是用来描述领域 内的有 关概念 、事实 、事物的属性、状态等。井控仿真系统中的事实性知识指 仿真训练时仿真井的有关参数 以及仿真过程中设备操作的状态，如地面设备参数、井身结构参数、钻具尺寸参数 、泥浆参数 、地层参 数、绞车、泵 、转盘 、防喷器 以及管汇等设备的状态 。对于事实性知识 ，关 系模型具有较高的灵活性 、 高效的描述能力，如 “ 1 泵 ，2 泵离合器处于合 的状态，泵速分别为 5 O冲和 3 O冲” ，“ 环形防喷器关 闭” ，“ 遥控节流阀打开，开度为 0 ． 7 5 ”等。 2 规则的关 系表示Ag e n t 系统是在已知的事实上运用推理规则推出新 的结论 ，因此，推理规则 的表示是知识表示的关键 。产生式规则是一种比较常用的表示方法 ，其基本结构是一组产生式的有序集 合 ，且 比较适宜于数据库的输入 和读取[ 5 ] ，其一般形式为 ‘ QP或表示成 I F P THE N Q 其中，P为规则的前提 ；Q为规则的结论 。其含义为 如果前提 P满足，则可推 出结论 Q。 该系统采用 WHE NI F THE N结构的关系模式 R u l e s 来定义规则 。 1 ． 3多 A g e n t 之间的通信 ‘ 钻井井控仿真系统中，各 Ag e n t 之间需要通过合作、协调共同完成井控仿真这个复杂 的任务，因 此设计一个简单 、可靠、灵活的通信机制是 系统实现的关键。多 Ag e n t之间通信通常有两种方式一 种是黑板系统通信 }另一种是点对点的消息通信 ] 。本系统采用 “ 黑板系统通信”和 “ 消息通信”相结 合的通信机制来解决各 Ag e n t 之间的知识共享 、相互协调的问题 。 1 黑板 系统通信黑板就是一个共享 的存储 区，系统 中的各 Ag e n t 可以从这个存储 区中获取信 息 ，同时也可在存储区中公布 自己的信息。对于系统中的仿真井参数 、设备状态 、各 Ag e n t 的运行状 态等公共数据信息，使用黑板系统进行交互 ，有利于系统管理 Ag e n t了解 和监控其他 Ag e n t 的运行状 态 ，协调整个仿真系统 的工作。 2 消息通信 系统采用基于 TC P ／ I P协议 的 Wi n d o ws S o c k e t 技术建立直接的物理 连接实现各 Ag e n t 之 间基于消 息的点对点的通信。KQML Kn o wl e d g e Qu e r y a n d Ma n i p - u l a t i o n L a n g u a g e 是 目前 MAS中最常用的一种 A g e n t 通 信语言 ，它语法灵活 、易于串行化和重新构造，也易于在异 构系统中以通用的比特流传输。该系统 中对传统的 KQML 语言中的原语参数进行了一定 的扩展 ，并采用 C 语言实 表 1 保 留参数 保 留参数名 意义 表示发送者的名字 表示接收者的 URL地址 表示发送信息的具体 内容 表示发送者的 URL地址 表示消息类型 现了这种扩展的 KQML。根据井控仿真系统的特点和便于程序实现 ，扩展 的 KQML采用了 5个保留参 数名，如表 1 所示。表 1中的 UR L是 Ag e n t 的通信地址，系统中采用 “ I P地址 端 口号”来表示 ；消 息类型用来表示此消息是与哪个部件相关的，例如是与吊卡相关 ，还是与方钻杆相关 ，消息传递过程中 通过消息类型的判断可以快速解析本条消息 ，提高系统的反应速度。 一 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3 O卷第 5 期 王武礼等 钻井井控仿 真中多 Ag e n t 系统建模 研究 2 仿真实例 2 ． 1 正常钻 井井控仿 真过 程 正 常钻井井 控仿 真是训 练学员 在正 常钻 进过程 中发现井 涌后关 井和压 井 的操作 过程 。其步骤 为 开 泵 ；开 转盘 ；缓 慢下放 ；到 井底后 加压钻 进 ；发现 溢 流 后 报警 ；停 转 盘 ；上 提 钻 具 至钻 杆 接 头 出转 盘 面 ；停 泵 ；开节 流管线 阀 ；关 环型 防 喷器 ；关 闸板 防 喷器 ；关节 流 阀 ；开环 型 防 喷器 ；计 算压 井参 数 ， 采用工 程师法或 司钻法 进行 压井 。 2 ． 2基于 Ag e n t 的正 常钻 井井控 仿真 针对 上 述 设计 的 钻 井 井 控 仿真 MAS模 型 ，利 用 面 向对 象 方 法 和 多 线 程 技 术 编 程 实 现 了 各 个软 件 Ag e n t 模 型 。设 备 A g e n t 包 括 司 钻 控 制 台 、防 喷 器 控 制 台、节 流 遥 控 箱 和 管 汇 等 虚拟设 备模 型 ，是 由 I a b V1 E W 开 发 、可 自主 运 行 的 一 个 软 件 程 序 ，其 中 司 钻 控 制 台 和 防 喷 器控 制 台界 面如 图 5所示 。 系统管理 A g e n t 作 为仿 真 系 统的核心，存 在 于整 个仿 真 过程 中，作为 进程 中的主 线 程 ，模 型 计算 A g e n t 、参数显示 A g e n t 和声 音控制 A g e n t 作为其他线程；指 重表 A g e n t 和 视 景 R e n t 分别 作 为独立的应用程序运行在系统的 其他节点上，各 A g e n t 界面及仿 真井选择窗口如图 6 所示。 以正常钻井井控仿真为例 ， 各 Ag e n t 工作 过程如 下开始 仿 真 前 ，启 动 系 统 管 理 Ag e n t 设 置仿 真 环境 ，选 择 训 练 项 目， 然 后启动各 Ag e n t ；根据 当前 设 置的仿真环 境 ，操 作设 备 Ag e n t 中的虚拟设备 模型 ，并将其 状态 通过 数据库 黑板 系统 与其他 图 5设 备 Ag e n t ， -● ⋯ ． ． ●一’ 、‘ ‘ 1 1■_ i i●一 1 U ml i■一 i 1 1■一 ■_ 1 1 _a l 系统管理 A g e n t 指 重 表 c l 指晕表 Ag e n t h 防喷器控制 台 选择本次训绦的仿真井 f 崾拦 庠 f ’ 蝮i I 在 I 1 味冲程 I 1 蜉缸 嚣l 嗄 { 窜 螺} } 2 1 一 ’ “ ’ ■●■2 、 ’ 、～ { 1 ∞』 u￡ 1 u 0 w J 、 2 5 ， 1 j ． 6 ￡ j t 一 苷 一 口昔 确 ； b 仿真井选择 窗r 1 圈 6 Ag e n t 界 面 d 1 视景 A g e n t Ag e n t 进行知识 、资源共享 ；模型计算 Ag e n t 通过 自己感知器 、黑板系统以及消息，从系统管理 Ag e n t 和设备 Ag e n t 中获取到当前仿真环境 、设备状态以及训练项 目，然后根据 自身知识规则进行推理计算 ， 并将计算的仿真数据通过黑板系统和通信语言传递给指重表 Ag e n t 、参数显示 Ag e n t 、声音控制 Ag e n t 、 视景 Ag e n t ；各 Ag e n t 根据传送的数据信息 ，及时更新 自身的知识库 ，更改自身的运行状态 ，并将新的 运行信息传递给系统管理 A g e n t ；系统管理 Ag e n t 根据各 Ag e n t 运行状态及仿真任务 ，协调地控制整个 仿真系统的运行 ，完成正常钻井井控仿真任务。该系统改变了传统井控仿真装置孤立的、基于现象的仿 真模式，利用 Ag e n t 的自主性和协作性 ，使设备操作、井控规律及井控现象融为一体 ，使井控培训更 具有真实感。 下转第 1 2 8页 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 2 8 石油天然气学报 江汉石油学院学报 2 0 0 8年 1 O 月 系数 ， 。 ， 注意此步也可 同油 田分公司 的决策者交互 ， 直接给 出决策者对低 、 高约束水平 的偏好权值 y 1 ， y 2 。 根据步骤 4 ， 则得到在资源约束水平为 d下的优化方案。 措施产量分配优化方案为 y x y 2 x 总措施产 量为 1 0 0 ． 9 6 3 7 1 1 4 0 ． 2 5 4 7 2 1 0 t 总的效益 为 2 4 3 6 5 7 ． 9 7 x 3 3 7 4 0 2 ． 7 7 z 1 0 元 这里 0 y 1 ， y 2 1 ，y l y 2 1 取 y 1 0 ． 5 ， y 2 0 ． 5， 得 到规 划年 的各项 措施 产量 、 总措施 产量 、 总 的效益 如下 表 3规划年的各项措施产量、总措施产量 、总的效益 此组解与功能模拟法解得 的 2 0 0 7年的数据基本符合 。因此，该模型及算法是可行的。 4 结 论 1 在研究油 田开发措施结构的理论和方法后 ，利用 MC 。 线性模型框架建立了多准则和多约束水平 的油田措施结构优化模型，并 用实例验证该模型的正确性 。 2 同以前的油田产量分配优化的数学规划方法比较，该模型提供给决策制定者一个更 系统和广泛 的方案集 ，该方案集是多 目标和多约束水平情形下的所有可能的最优值 在规划未来的油 田措施结构优 化时，决策制定者可利用所有可能的最优值均衡 折衷做出符合实际的高质量的决策。 [ 参考文献] [ 1 ]谢祥俊，刘志斌 。杜玉洪 等 ．油田开发规划措施产量优化模型及其应用 [ J ]．西南石油学院学报，2 0 0 4 ，2 6 2 t 1 1 1 4 ． [ 2 ]陈月明。盖英杰，范海军 ．油田稳产措施 规划数学模型 [ J ]．经济数学，2 0 0 0 ，1 7 2 。4 5 5 1 ． F 3 ]康小军 。刘志斌 ．油 田开发规 划油水井措施结构优化理论与应用 [ J ]．石油天然气学报，2 0 0 5 ，2 7 1 z 2 1 3 2 1 6 ． [ 4 ]张锦 良，丁显峰，刘志斌 ．油田开发规划多 目标产量分配模型及其应用算法研究 [ J ]．西南石油学院学 报 。 2 0 0 5 ， 2 7 2 t 5 3 5 6 ． [ 5 ]王正伟 ，张在旭。侯风华 等 ． 基 于 目标规划的油 田开发措施增 油模型 [ J ]．技术经济与管理研究 ，2 0 0 1 。 5 t 4 2 4 3 ． [ 6 ]程伟 ，张广杰 ，董伟宏 等 ．油气 田开发规划模型的建立及求解[ 刀 ．大庆石油学院学报，2 0 0 6 ，3 0 2 t 1 1 2 1 1 5 ． [ 7 ]Yo ． g S h i ， Yi P e n g ． Mu l t ip l e c r i t e r i a a n d mu l t i p l e c o n s t r a i n t l e v e l s l i n e a r p r o g r a mmi n g c o n c e p t s ， t e c h n i q u e s a n d a p p l i c a t i o n s[ M]． Ne w J e r s e y ,Wo r l d S c i e n t i fi c P u b l i s h i n g 。2 0 0 1 ． 1 ～6 3 ． [ 8 3 Yi h u a Z h o n g ，Yo n g S h L An i n t e r i o r - p o i n t a p p r o a c h f o r s o l v i n g MC l i n e a r p r o g r a mmi n g p r o b l e ms[ J ] ． Ma t h e ma t i c a l a n d C o mp u t e r Mo d dl i n g，2 0 0 1，3 4 3 - 4 l 41 1 ～4 2 2 ． [ 编辑] 萧雨 上接 第 1 2 3页 [ 参考文献] [ 1 ]张绍槐 ，何华灿，李琪 等 ．石 油钻井信息技术 的智能化研究 [ J ]．石油学报， [ 2 ] 孙振纯， 夏月泉 ． 井控技术 [ M ]． 北京石油工业出版社，1 9 9 7 ． 1 ～2 5 ． [ 3 ]徐英卓 ．基于 XML的多源异构钻井数据集成与共享平台 [ J ]．石油学报。2 0 0 6 ，2 7 4 ；1 1 0 1 1 4 ． [ 4 ]史济建 ，俞瑞钊 ．专家系统实现技术 [ M]．杭州 浙江大学出版社 ，1 9 9 5 ． 5 9 ～1 7 ． [ 5 ]王以法 ．人工智能钻井实时专家控制 系统研究 口]．石油学报 ，2 0 0 1 ，2 2 3 8 3 8 6 ． [ 6 ]史忠植 ．智能主体及其应用 [ M]．北京 科学 出版社 ，2 0 0 0 ． 8 0 1 0 8 ． [ 编辑] 萧雨 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m