一种全电控井下安全阀的视情维修方法与流程

技术特征：
1.一种全电控井下安全阀的视情维修方法，其特征在于：包括以下5个步骤：s1：根据历史故障数据建立全电控井下安全阀的退化过程模型，将退化过程离散化，求解全电控井下安全阀在检查间隔时间的退化状态转移概率矩阵；s2：结合全电控井下安全阀备件状态，建立备件状态和退化状态的联合状态空间模型；s3：根据全电控井下安全阀维修数据及维修之后的退化数据，确定全电控井下安全阀不同维修模式下的退化状态转移概率矩阵；s4：确定全电控井下安全阀的维修动作空间及全电控井下安全阀在不同联合状态下采取不同维修动作时的联合状态转移概率矩阵；s5：建立基于马尔可夫决策过程的全电控井下安全阀的奖励矩阵，利用马尔可夫决策过程的策略迭代算法求得不同联合状态下的最优维修动作。2.如权利要求1所述的一种全电控井下安全阀的视情维修方法，其特征在于：所述的s1包括以下步骤：s11：建立全电控井下安全阀内部退化模型，将全电控井下安全阀内部退化过程建模为伽马过程，全电控井下安全阀在检查间隔时间t的退化量x
t
服从伽马分布，如下所示：服从伽马分布，如下所示：其中，f(x
t
,α,β)为伽马分布密度函数，α为伽马分布的形状参数，β为伽马分布的逆尺度参数，γ(x
t
)为伽马函数，伽马分布的形状参数和逆尺度参数由历史数据确定；全电控井下安全阀在g个检查间隔时间的内部退化总量x
g
为：其中，x
tk
为全电控井下安全阀第k个检查间隔时间的退化量，k为检查间隔时间编号；s12：建立全电控井下安全阀海洋环境外部冲击模型，将全电控井下安全阀海洋环境外部冲击过程建模为泊松过程，对任意时间段t1≥0,t2≥0，有其中，n为全电控井下安全阀受到海洋环境外部冲击的次数，n
c
(t1 t2)为t1 t2时间段受到的海洋环境外部冲击次数，n
c
(t1)为t1时间段受到的海洋环境外部冲击次数，p{n
c
(t1 t2)
‑
n
c
(t1)＝n}为在任意t2时间段发生n次海洋环境外部冲击的概率，λ为泊松分布的参数，由历史数据确定；一次海洋环境外部冲击造成的退化量x
w
服从正态分布，如下所示：其中，f(x
w
)为正态分布的密度函数，μ为海洋环境外部冲击造成的退化量的均值，σ为海洋环境外部冲击造成的退化量的方差，由历史数据确定；海洋环境外部冲击总量x
w
为：
其中，x
wh
为第h次海洋环境外部冲击造成的退化量，n
w
为海洋环境外部冲击次数，h为海洋环境外部冲击次数编号；全电控井下安全阀退化量x为内部退化总量x
g
和海洋环境外部冲击总量x
w
之和，即：x＝x
g
x
w
全电控井下安全阀的故障阈值为l，当全电控井下安全阀退化量x超过故障阈值l时，全电控井下安全阀故障；在不采取维修和更换的情况下，随着时间的增加，全电控井下安全阀退化量单调递增；s13：将全电控井下安全阀的退化过程离散化，利用蒙托卡罗仿真方法，求解全电控井下安全阀在检查间隔时间的退化状态转移概率矩阵，具体包括以下内容：将全电控井下安全阀的退化状态s0划分为健康、良好、一般、较差、故障，如下所示：为便于描述，分别用0，1，2，3，4表示健康、良好、一般、较差和故障状态；全电控井下安全阀在检查间隔时间t的退化状态转移概率矩阵通过蒙托卡罗仿真获得，具体包括以下下步骤：s131：初始化全电控井下安全阀各退化状态出现次数和各退化状态之间转移次数；s132：初始化全电控井下安全阀的退化量；s133：对全电控井下安全阀的退化过程进行仿真，每隔检查间隔时间t获得全电控井下安全阀的退化状态；s134：更新全电控井下安全阀各退化状态出现次数及各退化状态之间的转移次数；s135：判断全电控井下安全阀是否故障，如果没有故障则回到步骤s133，如果故障则判断是否达到最大仿真次数，如果没有达到最大仿真次数则回到步骤s132，如果达到最大仿真次数，则仿真结束；全电控井下安全阀在检查间隔时间t从退化状态i转移到退化状态j的转移概率p
ij
如下所示：其中，n
i
为退化状态i出现的次数，n
ij
为当前退化状态为i，检查间隔时间t之后转移到退化状态j的次数；由于全电控井下安全阀的退化过程是单调递增的，因此，当j<i时，p
ij
＝0；当全电控井下安全阀为故障状态时，在没有维修的情况下，一直保持故障状态，因此，p
44
＝1；全电控井下安全阀正常退化时的退化状态转移概率矩阵如下所示：
3.如权利要求1所述的一种全电控井下安全阀的视情维修方法，其特征在于：所述的全电控井下安全阀备件状态为有备件状态和无备件状态，分别用y和f表示，全电控井下安全阀的退化状态有健康、良好、一般、较差、故障5种，分别用0，1，2，3，4表示，全电控井下安全阀备件状态和退化状态组成的联合状态s共有10种，分别是{(健康，无备件)，(良好，无备件)，(一般，无备件)，(较差，无备件)，(故障，无备件)，(健康，有备件)，(良好，有备件)，(一般，有备件)，(较差，有备件)，(故障，有备件)}，这10种联合状态s组成的集合便是全电控井下安全阀的状态空间s1，表示为：s1＝{(0,f),(1,f),(2,f),(3,f),(4,f),(0,y),(1,y),(2,y),(3,y),(4,y)}备件在当前时刻被订购后，在下一检查时刻，即在检查间隔时间t之后，备件订购成功，备件状态转变为有备件。4.如权利要求1所述的一种全电控井下安全阀的视情维修方法，其特征在于：所述的全电控井下安全阀的维修模式包括不维修、小修、大修和更换，根据维修数据获得小修模式下的退化状态转移概率矩阵p1如下所示：其中，p
ij1
为在退化状态i实施小修时转移到退化状态j的概率；大修模式下的退化状态转移概率矩阵p2如下所示：其中，p
ij2
为在退化状态i实施大修时转移到退化状态j的概率；更换模式下的退化状态转移概率矩阵p3如下所示：
无论在何种退化状态对全电控井下安全阀进行更换，更换之后的退化状态都为健康。5.如权利要求1所述的一种全电控井下安全阀的视情维修方法，其特征在于：所述的s4包括以下步骤：s41：确定全电控井下安全阀的维修动作空间a；全电控井下安全阀的维修动作空间包括维修模式的选择和备件的订购两部分，维修模式有不维修、小修、大修和更换4种选择，备件有订购备件和不订购备件2种选择，在全电控井下安全阀有备件时，不能继续订购备件，即最多只能有一个备件；当全电控井下安全阀没有备件时，不能进行更换操作；全电控井下安全阀在不同联合状态s时的维修动作空间如下所示：s
11
为无备件的联合状态，s
11
＝{(0，f)，(1，f)，(2，f)，(3，f)，(4，f)}，当s∈s
11
时，维修动作空间为{(不维修，不购买备件)，(不维修，购买备件)，(小修，不购买备件)，(小修，购买备件)，(大修，不购买备件)，(大修，购买备件)}；s
12
为有备件的联合状态，s
12
＝{(0，y)，(1，y)，(2，y)，(3，y)，(4，y)}，当s∈s
12
时，维修动作空间为{(不维修，不购买备件)，(小修，不购买备件)，(大修，不购买备件)，(更换，不购买备件)，(更换，购买备件)}；s42：确定全电控井下安全阀在不同联合状态s采取不同维修动作a时的联合状态转移概率矩阵；在维修动作a＝(不维修，不购买备件)时，检查间隔时间t期间，全电控井下安全阀正常退化，备件状态保持不变，因此，全电控井下安全阀在采取维修动作a＝(不维修，不购买备件)的联合状态转移概率矩阵p
(不维修,不购买备件)
如下所示：其中，p0为全电控井下安全阀在正常退化状态下的退化状态转移概率矩阵，0为5
×
5的零矩阵；在维修动作a＝(不维修，购买备件)时，全电控井下安全阀正常退化，在检查间隔时间t之后，备件状态变为有备件；在有备件的联合状态s
12
下不能采取此种维修动作，因此，全电控井下安全阀在采取(不维修，购买备件)的维修动作下的联合状态转移概率矩阵p
(不维修,购买备件)
如下所示：在维修动作a＝(小修，不购买备件)时，全电控井下安全阀在小修之后退化状态得到提升，在检查间隔时间t期间正常退化，备件状态保持不变，因此，全电控井下安全阀在采取维修动作a＝(不维修，购买备件)的联合状态转移概率矩阵p
(小修,不购买备件)
如下所示：其中，p1为全电控井下安全阀在小修模式下的退化状态转移概率矩阵，p1·
p0为采取小修之后，在检查间隔时间t正常退化的退化状态转移概率矩阵；在维修动作a＝(小修，购买备件)时，检查间隔时间t之后，备件状态变为有备件，在有备件的联合状态s
12
下不能采取此种维修动作，因此，全电控井下安全阀在采取维修动作a＝
(小修，购买备件)的联合状态转移概率矩阵p
(小修,购买备件)
如下所示：在维修动作a＝(大修，不购买备件)时，全电控井下安全阀在大修之后退化状态得到提升，在检查间隔时间t期间正常退化，备件状态保持不变，因此，全电控井下安全阀在采取维修动作a＝(大修，不购买备件)的联合状态转移概率矩阵p
(大修,不购买备件)
如下所示：其中，p2为全电控井下安全阀在大修模式下的退化状态转移概率矩阵，p2·
p0为采取大修之后，在检查间隔时间t正常退化的退化状态转移概率矩阵；在维修动作a＝(大修，购买备件)时，检查间隔时间t之后，备件状态变为有备件，在有备件的联合状态s
12
下不能采取此种维修动作，因此，全电控井下安全阀在采取维修动作a＝(大修，购买备件)的联合状态转移概率矩阵p
(大修,购买备件)
如下所示：在维修动作a＝(更换，不购买备件)时，备件状态从有备件变为无备件，在无备件的联合状态s
11
下，不能采取此种维修动作，全电控井下安全阀在更换之后退化状态恢复到健康，在检查间隔时间t期间正常退化，因此，全电控井下安全阀在采取维修动作a＝(更换，不购买备件)的联合状态转移概率矩阵p
(更换,不购买备件)
如下所示：其中，p3为全电控井下安全阀在大修模式下的退化状态转移概率矩阵，p3·
p0为采取更换之后，在检查间隔时间t正常退化的退化状态转移概率矩阵；在维修动作a＝(更换，购买备件)时，备件先被使用，同时订购备件，在检查间隔时间t之后，备件状态恢复为有备件状态，在无备件的联合状态s
11
下，不能采取此种维修动作；因此，全电控井下安全阀在采取维修动作a＝(更换，购买备件)的联合状态转移概率矩阵p
(更换,购买备件)
如下所示：6.如权利要求1所述的一种全电控井下安全阀的视情维修方法，其特征在于：所述的s5包括以下步骤：s51：确定奖励矩阵r(s1,a)；取维修花费的负数作为维修动作的奖励；全电控井下安全阀的花费包括不同维修模式的维修花费、备件花费及由于故障造成的停机损失；备件花费包括备件购买费用c
b
和备件存储费用c
c
；在购买备件时，产生备件购买费用；当全电控井下安全阀有备件时，在检查间隔时间t就会产生一定的备件存储费用；维修所需花费取决于所处退化状态，所处退化状态越差，产生的维修花费越高；不维修时的维修花费包括日常维护花费和检测费用，不维修时的奖励矩阵如下所示：
r(s
11
,(不维修,不购买备件))＝
‑1·
[c0,c1,c2,c3,c
d
]r(s
11
,(不维修,购买备件))＝
‑1·
[c0 c
b
,c1 c
b
,c2 c
b
,c3 c
b
,c
d
c
b
]r(s
12
,(不维修,不购买备件))＝
‑1·
[c0 c
c
,c1 c
c
,c2 c
c
,c3 c
c
,c
d
c
c
]其中，s
11
为无备件时的联合状态，s
12
为有备件时的联合状态，c0、c1、c2、c3分别为退化状态为健康、良好、一般、较差时的日常维护花费和检测费用，c
d
为由于全电控井下安全阀故障造成的停机损失；小修和大修时的奖励矩阵如下所示：小修和大修时的奖励矩阵如下所示：小修和大修时的奖励矩阵如下所示：小修和大修时的奖励矩阵如下所示：小修和大修时的奖励矩阵如下所示：小修和大修时的奖励矩阵如下所示：其中，c
01
、c
11
、c
21
、c
31
、c
41
分别为退化状态为健康、良好、一般、较差、故障时的小修费用；c
02
、c
12
、c
22
、c
32
、c
42
分别为退化状态为健康、良好、一般、较差、故障时的大修费用；更换的花费为更换所需要的人工费，无论在何种退化状态下执行更换动作，都要相同的费用，更换时的奖励矩阵如下所示：r(s
12
,(更换,不购买备件))＝
‑1·
[c
r
,c
r
,c
r
,c
r
,c
r
c
d
]r(s
12
,(更换,购买备件))＝
‑1·
[c
r
c
b
,c
r
c
b
,c
r
c
b
,c
r
c
b
,c
r
c
d
c
b
]其中，c
r
为更换费用；全电控井下安全阀在不同联合状态s及维修动作a下的奖励矩阵r(s1,a)如下所示：

技术总结
本发明属于石油工程领域，具体地，涉及一种全电控井下安全阀的视情维修方法，包括建立全电控井下安全阀的退化过程模型，将退化过程离散化，求解全电控井下安全阀在检查间隔时间的退化状态转移概率矩阵，建立备件状态和退化状态的联合状态空间模型，确定全电控井下安全阀不同维修模式下的退化状态转移概率矩阵，确定全电控井下安全阀的维修动作空间及全电控井下安全阀在不同联合状态下采取不同维修动作时的联合状态转移概率矩阵，建立基于马尔可夫决策过程的全电控井下安全阀的奖励矩阵，利用马尔可夫决策过程的策略迭代算法求得不同联合状态下的最优维修动作。联合状态下的最优维修动作。联合状态下的最优维修动作。


技术研发人员：陈明新 蔡宝平 杨俊 刘可扬 杨子琪 王远东 张妍平 孔祥地 高春坦 盛朝洋
受保护的技术使用者：中国石油大学（华东）
技术研发日：2021.08.13
技术公布日：2021/11/5