基于TV-HSMM的海底油气管道剩余寿命预测方法技术

本发明专利技术公开了一种基于TV‑HSMM的海底油气管道剩余寿命预测方法，包括以下步骤：将海底油气管道的性能退化过程分为平稳退化阶段、均匀退化阶段及加速退化阶段，计算平稳退化阶段、均匀退化阶段及加速退化阶段的状态转移概率，得TV‑HSMM中参数的重估公式，然后以此计算油气管道在退化状态t时刻的故障条件概率φ及基于TV‑HSMM的油气管道在退化状态i时的剩余寿命

Residual Life Prediction Method of Submarine Oil and Gas Pipeline Based on TV-HSMM

【技术实现步骤摘要】
基于TV-HSMM的海底油气管道剩余寿命预测方法
本专利技术属于海底油气管道输送
，涉及一种基于TV-HSMM的海底油气管道剩余寿命预测方法。
技术介绍
石油和天然气是地球赋予人类的宝贵财富，在工业发展中发挥了巨大作用。随着近年海洋能源的大力开采，作为承载油气运输的海底管道作用逐渐凸显。它具有运输量大、密闭安全、便于管理、易于实现、远程集中监控等诸多优点。但由于海底管道敷设环境复杂、管道敷设量增大、管道服役时间过长等众多原因，其失效事故频繁发生，引起社会各界广泛关注，若不及时管理，将对海洋安全造成巨大隐患。故对其服役年限的剩余寿命预测成为确保油气管道安全平稳运行的重中之重。其中海底油气管道的剩余寿命研究是风险评估的重要组成部分，海底管道服役寿命缩短指由于化学腐蚀、外力冲击、海流冲刷、沉积物液化产生的浮力破坏等一系列损伤导致管道发生穿管、断管等安全风险事故从而影响其安全运行，而腐蚀是油气管道寿命缩短、泄露事故频发的主要原因，一旦发生泄漏，将严重危害海洋环境和人员安全。据美国国家会计总局2000年5月的一份管线安全报告，1989-1998年管道事故数量每年增加4％，造成226人死亡。因此，对油气管道进行失效风险评估具有十分重要的意义。为了准确预测海底管道的剩余寿命，国内外许多学者做了许多工作。Teixeira、Caley等运用一阶可靠性方法(FORM)和蒙特卡洛(MCMC)模拟分析内压作用对海底腐蚀管道的可靠性，并进行剩余寿命预测。Singh和Markeset提供了一种混合方法，通过使用2D模糊蒙特卡洛(MCMC)模拟方法来计算内部压力下腐蚀管道失效的可能性。ArashMehrjou等研究贝叶斯随机过程模型在可靠性中的应用及与贝叶斯更新方法相结合的管道监测与维修策略研究。帅健等将影响管线剩余寿命的各种因素看成是分布各异的随机变量，建立了预测管线失效的概率数学模型。祝效华等通过建立三维力学模型预测套管剩余寿命。骆正山将Frechet分布与马尔科夫链结合预测海底石油管道的腐蚀剩余寿命。这些研究虽成功预测出油气管道的剩余寿命，但油气管道由于所处海底，物理环境复杂，随着时间的推移，其损耗具有不可观测性等特点，但这些特点在以上研究中均没有纳入研究范围，导致以上模型的预测精度有较大误差。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种基于TV-HSMM的海底油气管道剩余寿命预测方法，该方法能够准确预测油气管道的剩余寿命。为达到上述目的，本专利技术所述的基于TV-HSMM的海底油气管道剩余寿命预测方法包括以下步骤：将海底油气管道的性能退化过程分为平稳退化阶段、均匀退化阶段及加速退化阶段，计算平稳退化阶段、均匀退化阶段及加速退化阶段的状态转移概率，则TV-HSMM中参数的重估公式为：其中，ξt(i,j,d)表示油气管道在退化状态i驻留时间dt(i)＝d后转移到退化状态j的概率，表示油气管道在退化状态i驻留时间为d时，从退化状态i转移到退化状态j的期望次数，T为总监测时间；γt(i,d)表示t时刻油气管道在退化状态i停留时间dt(i)＝d的概率，表示油气管道在退化状态i驻留时间为d时，从退化状态i转移出的期望次数；Pr为监测向量O＝(O1,O2,…,OT)的概率，αt(i,d)为前向变量，αt(i,d)表示生成监测序列O1O2O3…Ot且结束状态为i的概率，βt(i,d)为后向变量，βt(i,d)表示生成监测序列OtOt+1Ot+2…OT且结束状态为j的概率；由式(13)及式(14)，得油气管道在退化状态t时刻的故障条件概率φ为：得基于TV-HSMM的油气管道在退化状态i时的剩余寿命为：平稳退化阶段中油气管道的状态转移概率为固定值θ1，其中，aii(t)-aii(t+Δt)＝θ1(1)其中，θ1≥0，Δt为t时刻至t+1时刻的固定间隔，由于故将θ1分配到aij＝(t+Δt)，则下一时刻油气管道的状态转移概率为：根据式(2)，得当前退化状态下的状态转移概率与刚进入该状态时状态转移概率的关系表达式为：均匀退化阶段中油气管道状态转移概率随时间变化线性增加，即，其中，θ2为常数，θ2≥0，则下一时刻油气管道的退化状态转移概率为：根据式(5)，得当前退化状态下油气管道的状态转移概率与刚进入该退化状态时的状态转移概率的关系表达式为：在加速退化阶段中油气管道的状态转移概率以指数形式递增，即，其中，θ3为常数，则下一时刻油气管道的退化状态转移概率函数为：根据式(8)，得当前退化状态下的状态转移概率与刚进入该退化状态时状态转移概率的关系表达式为：在自然状况下运行油气管道的退化程度随着时间增加逐渐加深，当1≤i≤j≤N时，aij＝0，油气管道的初始状态转移矩阵为：通过训练历史数据获得初始状态转移概率矩阵A0；将式(3)，(6)，(9)分别带入式(10)中，得平稳退化阶段、均匀退化阶段及加速退化阶段的时变状态转移概率矩阵，其中，加速退化阶段中经历t＝kΔt后的状态转移矩阵为：利用EM算法计算出状态转移系数的值，进而得到平稳退化阶段、均匀退化阶段及加速退化阶段的状态转移概率，比较油气管道在当前退化状态的状态转移概率与转移至其他退化状态的状态转移概率的大小，当时，则认为油气管道的退化状态由当前退化状态i转移至其他退化状态j，同时利用不同的状态转移θ计算时变状态矩阵；同理，利用状态转移系数θ1、θ2及θ3计算平稳退化阶段及均匀退化阶段的状态转移矩阵。监测向量O＝(O1,O2,…,OT)的概率Pr为：χt(i,d)为t时刻油气管道在状态i停留时间dt(i)＝d的概率，表示油气管道在退化状态i驻留时间为d时，从退化状态i转移出的期望次数，其中，其中，χt(i,d)表示t时刻油气管道在状态i停留时间dt(i)＝d的概率；则由TV-HSMM中aij(d)＝P(qt+1＝j|qt＝i,dt(i)＝d)，得aij(d)的重估公式为：设TV-HSMM中的状态停留时间概率服从高斯分布pi(di)＝N(di|μi,σ2)[27]，则均值μ(i)和方差σ(i)的重估公式为：设D(i)表示油气管道在退化状态i持续时间的期望值，则根据式(17)及式(18)，得：D(i)＝μ(i)+ρσ2(i)(19)本专利技术具有以下有益效果：本专利技术所述的基于TV-HSMM的海底油气管道剩余寿命预测方法在具体操作时，在传统HSMM的基础上将油气管道的退化状态划分为三种阶段，即平稳退化阶段、均匀退化阶段及加速退化阶段，避免传统HSMM中状态转移矩阵为固定矩阵造成的油气管道剩余寿命预测不准确的问题，然后利用平稳退化阶段、均匀退化阶段及加速退化阶段的状态转移概率计算油气管道在退化状态i时的剩余寿命以提高预测的准确性，实现对海底油气管道剩余寿命预测的预测精度。附图说明图1为本专利技术的流程图；图2为油气管道的全寿命曲线图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术做进一步详细描述：参考图1，本专利技术所述的海底油气管道剩余寿命预测方法包括以下步骤：将海底油气管道的性能退化过程分为平稳退化阶段、均匀退化阶段及加速退化阶段，计算平稳退化阶段、均匀退化阶段及加速退化阶段的状态转移概率，其中，平稳退化阶段中油气管道的状态转移概率为固定值θ1，其中，aii(t)-aii(t+Δt)＝θ1(1)其中，θ1本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于TV‑HSMM的海底油气管道剩余寿命预测方法，其特征在于，包括以下步骤：将海底油气管道的性能退化过程分为平稳退化阶段、均匀退化阶段及加速退化阶段，计算平稳退化阶段、均匀退化阶段及加速退化阶段的状态转移概率，则TV‑HSMM中参数的重估公式为：

【技术特征摘要】
1.一种基于TV-HSMM的海底油气管道剩余寿命预测方法，其特征在于，包括以下步骤：将海底油气管道的性能退化过程分为平稳退化阶段、均匀退化阶段及加速退化阶段，计算平稳退化阶段、均匀退化阶段及加速退化阶段的状态转移概率，则TV-HSMM中参数的重估公式为：其中，ξt(i,j,d)表示油气管道在退化状态i驻留时间dt(i)＝d后转移到退化状态j的概率，表示油气管道在退化状态i驻留时间为d时，从退化状态i转移到退化状态j的期望次数，T为总监测时间；γt(i,d)表示t时刻油气管道在退化状态i停留时间dt(i)＝d的概率，表示油气管道在退化状态i驻留时间为d时，从退化状态i转移出的期望次数；Pr为监测向量O＝(O1,O2,…,OT)的概率，αt(i,d)为前向变量，αt(i,d)表示生成监测序列O1O2O3…Ot且结束状态为i的概率，βt(i,d)为后向变量，βt(i,d)表示生成监测序列OtOt+1Ot+2…OT且结束状态为j的概率；由式(13)及式(14)，得油气管道在退化状态t时刻的故障条件概率φ为：得基于TV-HSMM的油气管道在退化状态i时的剩余寿命为：2.根据权利要求1所述的基于TV-HSMM的海底油气管道剩余寿命预测方法，其特征在于，平稳退化阶段中油气管道的状态转移概率为固定值θ1，其中，aii(t)-aii(t+Δt)＝θ1(1)其中，θ1≥0，Δt为t时刻至t+1时刻的固定间隔，由于故将θ1分配到aij＝(t+Δt)，则下一时刻油气管道的状态转移概率为：根据式(2)，得当前退化状态下的状态转移概率与刚进入该状态时状态转移概率的关系表达式为：aii(t+Δt)＝aii(t)-θ13.根据权利要求1所述的基于TV-HSMM的海底油气管道剩余寿命预测方法，其特征在于，均匀退化阶段中油气管道状态转移概率随时间变化线性增加，即，其中，θ2为常数，θ2≥0，则下一时刻油气管道的退化状态转移概率为：aii(t+Δt)＝(1-θ2)aii(t)根据式(5)，得当前退化状态下油气管道的状态转移概率与刚进入该退化状态时的状态转移概率的关系表达式为：4.根据权利要求1所述的基于TV-HSMM的海底油气管道剩余寿命预测...

【专利技术属性】
技术研发人员：张新生，裘瑾，何思宇，张琪，王旭业，蔡宝泉，杨青，
申请(专利权)人：西安建筑科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61