模糊Petri網(wǎng)在油田開發(fā)設(shè)計(jì)領(lǐng)域的應(yīng)用研究

劉爍　孔德龍　劉澤平

摘要：油田自上世紀(jì)開發(fā)以來，已經(jīng)積累了眾多的不同類型油田的開發(fā)設(shè)計(jì)方案，借鑒已有的油田開發(fā)設(shè)計(jì)方案是非常必要的。為了使用戶能夠快速準(zhǔn)確地找到所需方案，本文通過研究模糊Petri網(wǎng)的定義和性質(zhì)，建立一個(gè)十元模糊Petri網(wǎng)模型，將模糊Petri網(wǎng)的建模方法應(yīng)用于此，通過調(diào)節(jié)方案搜索條件的權(quán)值大小，控制該項(xiàng)條件在方案篩選過程中的重要程度，根據(jù)模糊Petri網(wǎng)的推理得出方案的相似度。

關(guān)鍵詞：模糊Petri網(wǎng)；油田開發(fā)設(shè)計(jì)；知識(shí)表示；相似度

中圖分類號(hào)：TP399文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Abstract：Since the development of oil field in the last century has accumulated a large number of different projects in the field of oil development and design， it is very necessary to draw lessons from the existing projects. In order to make the user find quickly and accurately the required projects， this paper introduced the definition and properties of fuzzy Petri net， and gave a model of fuzzy Petri net. The fuzzy Petri net modeling method was applied by adjusting the size of the weight in the premise condition to control the importance of condition during selecting projects. The similarity of the project was obtained based on the fuzzy Petri net reasoning.

Key words：fuzzy Petri net； oil development and design； knowledge representation； similarity

1引言

油田開發(fā)設(shè)計(jì)是油田整個(gè)開采周期中至關(guān)重要的環(huán)節(jié)，設(shè)計(jì)方案的科學(xué)性和水平關(guān)系到油田的整體開發(fā)效果、最終采收率和重大的經(jīng)濟(jì)效益。目前，油田設(shè)計(jì)工作任務(wù)量大，外圍油田每年要進(jìn)行50個(gè)左右開發(fā)方案設(shè)計(jì)，涉及200萬噸產(chǎn)能/年，老區(qū)每年要進(jìn)行20—30個(gè)方案設(shè)計(jì)，涉及100多萬噸產(chǎn)能/年，且油田復(fù)雜、零散，油藏類型多，設(shè)計(jì)難度大。在油田開發(fā)方案設(shè)計(jì)工作中，一直存在著設(shè)計(jì)人員所用資料多、設(shè)計(jì)時(shí)間長、人為主觀因素影響大等問題，在一定程度上影響著方案的設(shè)計(jì)質(zhì)量和工作效率。油田開發(fā)方案設(shè)計(jì)是知識(shí)應(yīng)用密集的領(lǐng)域，油田自上世紀(jì)60年代開發(fā)以來，已積累了眾多的不同類型油田的開發(fā)設(shè)計(jì)方案、規(guī)律性認(rèn)識(shí)和設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，將目前已有的油田開發(fā)設(shè)計(jì)理論和規(guī)范、規(guī)律性認(rèn)識(shí)、專家經(jīng)驗(yàn)和設(shè)計(jì)方案案例等進(jìn)行收集、整理，以知識(shí)系統(tǒng)的形式進(jìn)行保存，則可利用已有的成果，為其他同類型油田的開發(fā)設(shè)計(jì)工作提供參考和借鑒，避免和減少設(shè)計(jì)方案缺陷和錯(cuò)誤，較大提高開發(fā)方案設(shè)計(jì)的科學(xué)性和工作效率。

本文在對油田開發(fā)設(shè)計(jì)領(lǐng)域進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，要利用模糊Petri網(wǎng)解決油田開發(fā)設(shè)計(jì)方案篩選的問題，根據(jù)實(shí)際方案篩選條件的模糊性，結(jié)合具有圖形描述能力的Petri網(wǎng)，提出了一種基于模糊Petri網(wǎng)的方案篩選模型，應(yīng)用這種模型油田開發(fā)設(shè)計(jì)人員能夠更全面更容易找到所需的開發(fā)設(shè)計(jì)方案。

2模糊Petri網(wǎng)

Petri網(wǎng)是在1962年由德國科學(xué)家Carl Adam Petri首次提出的[1]，Petri網(wǎng)是以圖的形式直觀地描述知識(shí)，推理過程清晰明了，并且有嚴(yán)密的數(shù)學(xué)定義做基礎(chǔ)，能夠保證正確的推理。經(jīng)過幾十年的發(fā)展完善，在故障診斷[2]、性能評(píng)價(jià)[3]、通信協(xié)議[4]、軟件工程[5]和混雜系統(tǒng)建模[6]等領(lǐng)域Petri網(wǎng)已得到廣泛應(yīng)用。隨著人工智能技術(shù)的快速發(fā)展，許多學(xué)者為了增強(qiáng)Petri網(wǎng)知識(shí)表示和知識(shí)推理的能力，使其更符合人類的思維和認(rèn)知方式，把模糊邏輯和Petri網(wǎng)模型結(jié)合提出了模糊Petri網(wǎng)。

模糊Petri網(wǎng)是普通Petri網(wǎng)的模糊化，它與普通Petri網(wǎng)相比在下列四方面是不同的[7]：

1）它的轉(zhuǎn)移結(jié)點(diǎn)具有一個(gè)取非負(fù)實(shí)數(shù)值的閾限T。

2）位置結(jié)點(diǎn)中的標(biāo)記數(shù)可以是任意正實(shí)數(shù)。

3）模糊Petri網(wǎng)中的輸入連線和輸出連線上標(biāo)有額定輸入量、額定輸出量以及連接強(qiáng)度。

4）模糊Petri網(wǎng)就是上述兩種模糊結(jié)點(diǎn)用輸入/輸出連線連接成的一個(gè)帶標(biāo)識(shí)的圖。

在實(shí)際應(yīng)用中大多數(shù)情況是不確定的，模糊Petri網(wǎng)能夠很好地描述不精確的事件和經(jīng)驗(yàn)知識(shí)，然后根據(jù)具體知識(shí)的表達(dá)實(shí)現(xiàn)近似推理。

2.1模糊Petri網(wǎng)定義

定義2.1FPN定義成一個(gè)十元組

FPN=（P，T，D，I，O， β，M （p）， τ（t），W， F（t））

其中，P={p1，p2，…，pn}為庫所的有限集合；

T={t1，t2，…，tm}為變遷的有限集合，P∩T=Φ；

D={d1，d2，…，dn}表示命題的有限集合，|P|=|D|；

I表示庫所到變遷的有限弧集合；

O表示變遷到庫所的有限弧集合；

β表示庫所到命題之間的映射，β（pi）= di ；

M（p）：M（p）→[0，1]，是庫所結(jié)點(diǎn)的標(biāo)識(shí)函數(shù)，給庫所pi∈P分配一個(gè)標(biāo)識(shí)M（pi），為該庫所對應(yīng)模糊命題的真值；

τ（t）：τ（t）→[0，1]，對變遷t（t∈T）定義一個(gè)閾值τ（t）=λ；

W={w1，w2，…，wr}，是規(guī)則的權(quán)系數(shù)集合，反映規(guī)則中前提條件對結(jié)論的支持程度，0wj1；

F（t）是定義在變遷集T上的一個(gè)映像，它把T中的變遷結(jié)點(diǎn)t映像為一個(gè)定義在其各輸入強(qiáng)度上的單調(diào)遞增的非負(fù)函數(shù)，稱為結(jié)點(diǎn)t的狀態(tài)轉(zhuǎn)移控制函數(shù)。

如果庫所結(jié)點(diǎn)只有輸出弧，則稱之為模糊Petri網(wǎng)的輸入結(jié)點(diǎn)，如果一個(gè)庫所結(jié)點(diǎn)只有輸入弧則稱之為該模糊Petri網(wǎng)的輸出結(jié)點(diǎn)[8]。

2.2模糊Petri網(wǎng)的觸發(fā)條件

定義2.2Pi∈I（t），如果F（M（Pi），Wi）>τ（t），則變遷t被觸發(fā)，它的輸入庫所的托肯值不變，并向其輸出庫所傳送新的托肯值。模糊Petri網(wǎng)定義中的標(biāo)識(shí)函數(shù)M（p）、 權(quán)系數(shù)W、狀態(tài)轉(zhuǎn)移控制函數(shù)F（t）和變遷的閾值函數(shù)τ（t）對模糊Petri網(wǎng)的知識(shí)表示起著決定性作用，它們決定變遷能否被觸發(fā)。

計(jì)算技術(shù)與自動(dòng)化2016年12月第35卷第4期劉爍等：模糊Petri網(wǎng)在油田開發(fā)設(shè)計(jì)領(lǐng)域的應(yīng)用研究

3基于模糊Petri網(wǎng)的語義推理模型的構(gòu)建

3.1產(chǎn)生式規(guī)則的模糊Petri網(wǎng)表示

在設(shè)計(jì)方案篩選過程中，判定選擇該方案是否是所需要的方案。將描述這些方案內(nèi)容的關(guān)鍵詞分為三大類，分別是地質(zhì)構(gòu)造特征類、油藏特征類、儲(chǔ)層特征類。影響方案篩選的準(zhǔn)確度的條件遵從以下幾條規(guī)則： ①區(qū)塊的地質(zhì)構(gòu)造相近，兩區(qū)塊的設(shè)計(jì)方案的相似度越高。②如果區(qū)塊儲(chǔ)層特征相差不多，那么方案越相似。③如果油藏特征越相似，那么方案的相似度越高。根據(jù)以上幾點(diǎn)，構(gòu)成了方案篩選的基本規(guī)則，基本產(chǎn)生式規(guī)則為：

如果P1 and P2 and …Pn，那么Q w1，w2…wn

其中P1、P2和Pn表示構(gòu)造特征、儲(chǔ)層特征的相似度等規(guī)則的前提條件，and 表示表示前提條件之間的與關(guān)系，Q表示規(guī)則的結(jié)論呢即這個(gè)設(shè)計(jì)方案與所需方案的相似度， w1，w2…wn表示前提條件對結(jié)論的重要程度即權(quán)值[9，10]。表1表示的基本產(chǎn)生式規(guī)則與模糊Petri網(wǎng)的映射關(guān)系[11]，產(chǎn)生式規(guī)則與模糊Petri網(wǎng)表示如圖1所示。

例如：用模糊Petri網(wǎng)表達(dá)“如果兩個(gè)區(qū)塊的儲(chǔ)層巖性都是由砂巖組成，那么兩個(gè)區(qū)塊的儲(chǔ)層特征越相似”。

按照FPN的定義，可得：P={p1，p2}；T={t1}；D={兩個(gè)區(qū)塊的儲(chǔ)層巖性都是由砂巖組成，兩個(gè)區(qū)塊的儲(chǔ)層特征越相似}；I（t1）=p1；O（t1）=p2；β（p1）= 兩個(gè)區(qū)塊的儲(chǔ)層巖性都是由砂巖組成，β（p2）= 兩個(gè)區(qū)塊的儲(chǔ)層特征越相似；假設(shè)M（p1）=0.9，M（p2）=0；w1=1； τ（t1）=0.5。相應(yīng)的FPN表示如圖2所示。

3.2基于模糊Petri網(wǎng)的語義推理模型

3.2.1模型的構(gòu)建

判斷某個(gè)方案是否為用戶所需方案，將描述這些方案內(nèi)容的三大類進(jìn)行細(xì)分，地質(zhì)構(gòu)造特征包括圈閉類型，油藏特征包括底層壓力、地質(zhì)儲(chǔ)量、天然驅(qū)動(dòng)類型、油藏有效厚度，儲(chǔ)層特征包括有效孔隙度、有效滲透率、儲(chǔ)集空間類型、儲(chǔ)層巖性?；谀：齈etri網(wǎng)的語義推理模型如圖3所示。

建立模型時(shí)需要考慮模型的規(guī)模和緊湊性。庫所的標(biāo)識(shí)值反應(yīng)庫所對應(yīng)的模糊命題的真是程度，取值于模糊命題的隸屬度。例如，“地質(zhì)儲(chǔ)量相近”命題對應(yīng)的庫所為p3，M（p3）取值與當(dāng)前地質(zhì)儲(chǔ)量相近的隸屬度。當(dāng)M（p3）>0.5時(shí)，M（p3）的值越接近于1，說明兩區(qū)塊的地質(zhì)儲(chǔ)量越接近。當(dāng)M（p3）<0.5時(shí)，M（p3）的值越接近于0，說明兩區(qū)塊的地質(zhì)儲(chǔ)量越不接近。因此，雖然庫所p3是對應(yīng)“地質(zhì)儲(chǔ)量相近”命題，但地質(zhì)儲(chǔ)量相近和不相近都在p3中得到了反應(yīng)。為此，為了模型的結(jié)構(gòu)清晰，模型規(guī)模小，模糊變量的兩個(gè)對立命題使用一個(gè)庫所節(jié)點(diǎn)。0.5的標(biāo)記值區(qū)分了庫所表示的兩個(gè)對立命題。顯然該模型是很直觀而緊湊的。

根據(jù)定義2.2，具體的變遷點(diǎn)燃函數(shù)根據(jù)不同的規(guī)則而定。在圖3中，p6、p7和p13表示單獨(dú)考慮地質(zhì)構(gòu)造特征、油藏特征和儲(chǔ)層特征一個(gè)方面所得到的方案相似度，p12是考慮地質(zhì)構(gòu)造特征和油藏特征組合所得到的方案相似度，p14是共同考慮這三方面所得到的方案相似度。庫所結(jié)點(diǎn)p6、p7、p12、p13、p14都表示區(qū)塊方案相似這樣一個(gè)命題，因此，判斷結(jié)果命題可以對應(yīng)多個(gè)庫所結(jié)點(diǎn)，其中，一個(gè)表示最終決策結(jié)果，其余的顯示出了結(jié)論的推導(dǎo)過程。通過這些結(jié)點(diǎn)，各種條件對推理結(jié)果的影響程度就清楚地反映出來了。

該模型可以依據(jù)部分規(guī)則進(jìn)行推理。在推理過程中，給出一個(gè)完整的前提條件，這顯然是比較困難的，如何在現(xiàn)有的條件下給出推理結(jié)果，并且，條件越充分，結(jié)果越真實(shí)，這顯然符合模糊推理的規(guī)律。

4結(jié)束語

本文利用模糊Petri網(wǎng)解決了用戶在借鑒油田開發(fā)設(shè)計(jì)方案時(shí)，方案的篩選問題，根據(jù)實(shí)際方案篩選條件的模糊性，結(jié)合具有圖形描述能力的Petri網(wǎng)，提出了一種基于模糊Petri網(wǎng)的語義推理模型，通過調(diào)節(jié)搜索條件的權(quán)值大小，控制該項(xiàng)條件在方案篩選過程中的重要程度，根據(jù)模糊Petri網(wǎng)的推理得出某個(gè)區(qū)塊的設(shè)計(jì)方案與所需方案的相似度，應(yīng)用這種模型用戶能夠更全面更容易找到所需的開發(fā)設(shè)計(jì)方案。

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