自升式钻井平台总体方案模糊评价方法

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(海洋石油工程(青岛)有限公司， 山东 青岛 266520)

0 引 言

目前，船舶与海洋平台设计已经从二维设计发展为三维设计，船舶与海洋平台的设计质量和效率都有较大的提高，但这改变的仅仅是设计工具，其内在的设计方法并没有发生根本的变化。无论是二维设计还是三维设计，仍然要依赖设计者的经验，用人工的方法完成。而且，整个设计过程中最重要的推理环节缺乏可视化手段支持，即设计者经过大脑活动后直接将设计意图通过设计工具转化为设计成果，设计活动严重依赖于人的知识、经验和推理能力，这就导致目前的船舶与海洋平台总体设计的自动化水平和智能化水平较低。随着时代的发展，船舶和海洋平台布置设计还要面临人性化设计、节能减排、绿色船舶等许多新问题，这些问题同时也带来更高的设计要求。因此，有必要对船舶和海洋平台总体设计的自动化水平进行更加深入的研究，发展高效的船舶和海洋平台总体设计方法，从而缩短设计时间，降低设计成本，提高设计质量。

在自升式钻井平台设计中，总体设计是一个关键且复杂的问题。总体设计考虑的因素繁多，要顾及各类专业性能，在实际的设计中，形成了一种“强经验-弱理论”和螺旋向上的特点。同时，自升式钻井平台可以设计成不同的结构型式，这些特点使自升式钻井平台方案评价指标具有多态性和模糊性，很难采取简单的方法准确选择出最优的方案，或者判断出一个方案的好坏。本文以某轻型多功能自升式钻井平台设计为例，说明如何使用模糊评价法对自升式钻井平台总体方案进行优选。

1 模糊评价方法

模糊综合评价法是一种基于模糊数学的综合评标方法。该综合评价法根据模糊数学的隶属度理论把定性评价转化为定量评价，即用模糊数学对受到多种因素制约的事物或对象做出一个总体的评价。它具有结果清晰、系统性强的特点，能较好地解决模糊的、难以量化的问题，适合各种非确定性问题的解决。

模糊综合评价的基本步骤为

(1) 定义方案集。由若干个被评判的设计方案构成方案集V=(V1，V2，…，Vm)。

(2) 选择评价指标。选取表征设计方案质量优劣的指标(因素)作为评判依据，组成指标集(或称因素集)，记为U=(u1，u2，…，un)。

(3) 对评价指标测量。设计方案的每项指标，总存在1个期望值Mi和1个允许值mi，于是就有一个取值区间，记为[mi，Mi]。设在该区间上定义一个相应于最优值的模糊子集Ai，即

(1)

式中：μAi(ui)是ui的满意度函数，它表征着对相应评价指标的满意程度。

当满意度随评价指标单调增加时，μAi(ui)为

(2)

反之，满意度随评价指标单调下降时，μAi(ui)为

(3)

设计方案的各项评价指标可通过方案的各项性能计算获得。已知一个评价指标值，经满意度曲线，就可得出一个模糊评价值。对每个设计方案的每项评价指标分别测量，可得评价矩阵：

(4)

矩阵R中的每一行，是对设计方案某项评价指标的具体评价结果，是相对于某个统一标准的评分。矩阵R中的每一列，是对每个设计方案各项评价指标的评分。因此，这个矩阵实际上是一个单因素评价表。

(4) 进行综合评价。完成对各评价指标的单因素评价后，需进行多因素的综合评价。这里用重要度的概念处理，重要度记为ωi(i=1，2，…，n)，它表征着对船型方案各评价指标重要程度的评价，它是指标集上的一个模糊子集，记为

(5)

(6)

式中：bi=α1r1i+α2r2i+…+αmrmi，i=1,2,…，m。实际上bi是对第i个方案的综合评价结果，根据bi大小可以完成各方案的排序。

2 自升式平台设计特点

海洋平台设计过程与船舶设计过程差别较大，船舶设计是一个自上而下(top-down)的过程，一般先要参考母型船初步估计船舶的主要要素，选择船型，估算航速、重量重心、稳性等性能，在总体框架下进行各专业的设计工作。海洋平台的设计原则是以设计要求为出发点和最终目标，是一个由下向上(down-top)的过程，从不同设计专业的功能和目标入手，各设计专业分工合作，各自完成相关的设计任务，最后形成协调统一的作业系统，才能确定出平台的主要尺度和总体结构等[4-5]。

在海洋平台的设计过程中，一般不必选取母型作为设计参考。由于钻井负荷、作业环境等设计参数和要求的变化，各子系统也需要做出相应的调整，最终形成的平台设计方案往往是有所不同的。

自升式钻井平台的设计过程还具有以下特点：(1)总布置与性能计算互相影响、互相制约。总布置首先应考虑防火与防爆等安全问题，必须使生活区尽量远离钻井作业有关的危险区。其次要考虑安全性中的稳性问题，桩腿间的纵向及横向距离越大，平台的抗倾稳性就越好，但这会增加造价。桩腿与主船体的连接型式也直接影响结构强度，钻井系统的选择又同时影响到经济性、易用性及结构强度。最后，各种设备的选型和布置，又影响到安全性、稳性、经济性等。(2)设计工况复杂，计算量大。设计时通常要考虑正常作业工况、迁移工况、升降工况和自存工况。强度计算时要考虑每种工况中各种风浪流载荷的组合，稳性计算则要考虑完整稳性、破舱稳性、拖航稳性和站立稳性。(3)设备选型对总体方案的影响较大。比如，桩腿型式的选择影响升降装置型式的选择，升降装置的选择进一步影响使用性和经济性，这些选择又影响到相应动力电气设备的选型和布置。这些特点使得自升式钻井平台方案设计的复杂度远远高于一般工程船舶，在传统的船舶设计过程中，设计约束要远小于海洋平台的设计约束，总体方案设计更容易快速获得。本文采用模糊评价的方法来进行自升式钻井平台的总体方案评价和优选。

3 自升式平台总体方案模糊评价方法

3.1 自升式平台设计环境参数

某自升式钻井平台的设计环境参数见表1。

表1 平台的设计环境参数

根据表1相关要求，完成5套方案设计。各方案设计依据的规范包括：(1)中国船级社《海上移动平台入级规范》(2012)；(2)中国船级社《海洋工程锚链规范》(1995)；(3)中国船级社《海上油气系统处理规范》(2014)；(4)中华人民共和国海事局《船舶与海上设施法定检验规则》(2004)。

各方案设计的基本原则为：(1)平台总体性能遵照先进性与适用性相结合；(2)安全与创新性相结合；(3)总体优化；(4)配套设施操作、维护方便；(5)生活设施完善、舒适；(6)注重健康、安全、环保、消防。

3.2 自升式平台设计方案

图1～图5是平台在初步设计阶段平行设计的5种方案，主要设计参数见表2。

图1 钻井平台设计方案1布置图

图2 钻井平台设计方案2布置图

图3 钻井平台设计方案3布置图

图4 钻井平台设计方案4布置图

图5 钻井平台设计方案5布置图

3.3 模糊评价

采用模糊性评判方法，完成图1～图5所示5套方案的总体评价。评价的依据及过程如下：

(1) 确定评价指标集。考虑到在初步设计阶段的局限性，本文选取了6个指标建立指标集：钻深空船重量比、水深船长比、3 m吃水变载荷排水量比、作业可变载荷总重量比、1/桩靴压力、1/造价。各方案下的评价指标集见表2。

表2 钻井平台方案评价各方案的指标集

(2) 测量评价指标。根据前期调研情况，对以上6个指标分别设置了取值区间，建立了评价矩阵。

(3) 模糊评价。各评价指标在评判系统中对评价目标的重要程度是不一样的，对评价指标设置权重有助于评价结果的准确性。确定权重最常用的方法是通过专家调查，即在确定评价指标的基础上，由各个专家对各个指标的重要程度进行2项比较，然后进行相关的计算，得到权重向量并通过一致性检验。采用此法，得到自升式钻井平台总体方案评价因素权重集，见表3。将评价矩阵R与权重集A进行乘法运算，可得出模糊综合评价集B。将B的计算结果用百分制表示出来(见表3)，可以看出：方案5得分最高，为最佳方案。

表3 钻井平台方案评价因素权重及评价结果

此外，方案5还有以下特点：

(1) 布置优化，空间使用合理高效。桩腿尽可能向船体边缘靠，增加了有效甲板面积。充分利用悬臂梁下的空间，将泥浆泵、泥浆池和三除区放在悬臂梁下，不仅解决了机械甲板空间紧张的问题，而且使钻井工艺流程更合理。机械甲板空间较富余，可以在其中布置钻井和公用机电设备。水泥罐、土粉罐布置在机械甲板舱室内，保留了较大的主甲板面积，供钻井作业设备、试油设备等可变载荷使用。人性化生活区的布置能够容纳85人居住，各种所需的生活设施、处所齐备，人均面积保证3 m2以上。

(2) 结构优化，空船重量得到控制。进行结构优化，为了艉舱室使用方便，在满足破舱稳性的前提下，用较大舱室，加必要的支柱。整个平台船体的结构重量得到较好控制。

(3) 尺度优化，总体性能不降低。满足性能要求，尽力降低主尺度：型长、型宽和型深。与相同能力的钻井船比显得小巧、灵便。

(4) 安全环保，考虑海洋防污染要求。针对海洋防污染要求，本平台不仅具备生活污水处理能力、含油污水处理能力，而且具有钻井污水处理和储存的能力。

(5) 设备选型中外结合，造价合理。主要设备采用国外进口如升降装置、主机等，其他设备则尽量选用国内的，在保证平台性能的同时，降低平台的造价。

4 结 论

本文应用模糊综合评价模型建立出一套自升式钻井平台总体方案评价指标体系，并以某型平台方案设计为算例进行模糊综合评价，可以得出以下结论：

(1) 本文所建立的评价指标对于自升式钻井平台的方案设计评价具有典型的代表性。

(2) 主客观相结合的指标赋权方法更具有合理性。

(3) 评价结果以单一分数表达具有直观、方便的特点，且与实际情况相符合。该评价系统在方案优选、方案评价等方面具有较高的参考价值与广泛的应用前景。

[1] 李治彬. 海洋工程结构[M]. 哈尔滨: 哈尔滨工程大学出版社, 2002.

[2] 王进锋, 顾艺. 基于知识工程的自升式钻井平台方案设计方法[J]. 船海工程, 2011, 40(05): 193-196.

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[4] 王凯. 高速客船总布置方案综合模糊评价[J]. 计算机集成制造系统, 2003, 02(01): 16-18.

[5] 郑玄亮. 船海工程设计中的博弈分析法研究与应用[D]. 大连: 大连理工大学, 2010.