基于神经网络的电磁相关传感器电极结构优化方法研究

发布时间：2017-03-01 14:55

第 1 章  绪   论  

1.1  课题研究背景及意义 
在国家能源格局结构调整的大背景下，油气的需求和进口持续快速增长，油田采集、油气水混流输送都是今后国家能源战略研究的重要方向。在原油的挖掘开采和管道运输过程中，流体以烷烃、环烷烃、芳香烃、天然气、轻烃、非轻烃气体，矿化水以及少量砂砾、泥沙、蜡固体等各种有机和无机物质的混合状态存在，这些物质混合在一起流动构成各种“相”，相通常指某一系统中具有相同成分或者相同化学、物理性质的均匀物质部分，其中油、气、水三相占各相比例较大，其余相我们在计量考虑时忽略不计。这里的油相是指包含烷烃、环烷烃、芳香烃在内的各种液烃相，气相是指天然气、轻烃、非轻烃等气体，水相多指流体中的矿化水[1,2]。 温度、压力、流量和物位是过程测量常用的四个参数，其中流量是石油测井流量计量的重要参数和指标。流量检测仪表的结构形式、工作原理各异，应用范围、场所不同，擅长优势也不一样。比如，涡轮流量计结构简单，加工零部件少，重量轻，主要适用于高温或低温、高压的极端测试环境；电磁流量计精确性、可靠性高，功能全面且耗能低，主要应用于食品工业、制药生产、石油、冶金、化工等方面。流体振动流量计与涡轮流量计有相似之处，他们都没有无可动部件，输出信号是脉冲信号，不存在零漂问题。多相流量计是专门针对多相流的复杂性和随机性的工业流量计，考虑到油田采集到的流型包含油气水三相，首先考虑多相流量计进行测量，多相流流量计检测包含单向流量仪表和多相流量测试模型组合测量量法和机遇软测量技术的软测量方法，具体包含多普勒流速计、LP型多相流量计、MPFM型多相流量计、EUROMATIC型多相流量计、德士古海底多相流量计、MCF351型多相流量计、Scroll  Flo型多相流量计、非侵扰式多相流量计、FLOCOMPⅡ型多相流量计、WELLCOMP型多相流量计[3-5]。多相流参数需要根据实际现象、获得概念、通过建模进行预测、设计和控制，由于多相流中各并非均匀混合切不规则，而且以不同的速度流动，各项之间的速度是相对的，相与相之间存在相互作用，这些造成了多相流的复杂性和随机性，多相流量计并没有很好地解决这些难题。 
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1.2  国内外研究现状
电磁流量传感器相关技术理论的提出为油井测量多相流体带来了强有力的技术手段，因为相关法可适用于任何流体系统的流量测量，相关法自 20 世纪 60 年代中期被提出，，发展已经超过半个世纪，成为目前多相流流量测量技术中少数成为工业型仪表的流量测量技术之一。运用相关技术处理，将油管内部被测流体的随机流动噪声信号的“流量总和”的流动速度识别处理，进而将速度作为一种流量的识别变量，这就是相关流量计的测量原理。 1832 年法拉第第一次提出应用电磁感应的原理利用地球形成的磁场测量到了泰晤士河的流速，这一发现，开启了 20 世纪 50 年代电磁流量计在工业领域应用的兴起[6,7]。1957 年，中国研制出第一支电磁流量计，并掀起了国内生产电磁流量计技术的高潮，然而，由于我国电磁技术发展起步晚，科研力量不集中，电磁流量计的研发一直止步不前，落后于国外同期水平。随着电子科学和信息技术的发展，电磁流量计已经发展到相当成熟的地步，利用电磁流量计测量流体，不受密度、黏度、温度、压力的影响，在一定范围内也不受电导率的干扰，所以利用电磁流量计不能测量石油、石油制品、气体以及有机溶剂等不导电的液体的原理，可以测量出流量中的含水量[8]。 在石油生产测井技术发展之初，科研人员找不到专门适合油气水三相流流量测量的仪表，只能尝试把油气水三相分离出来运用单相流流量测量的仪器设备测量[9-11]，然而单相流量计测量结果不能尽如人意。比如在石油原液流量较小时，单相流量计启动排量受限而使得精度受到影响；井下少量固体残渣会使三相流流体的密度发生很大的变化，干扰油气水流量的测定从而造成很大误差[12,13]。为了研制一种能够应用于石油生产测井方面的油气水三相流流量测量仪器仪表，科研人员做出了不懈的努力。Adamovskii L A 等人尝试将电磁流量计与相关法测量技术相结合，通过使用两个电磁流量计对钠冷却剂的测量信号测量并进行相关法运算，获取钠冷却剂的流速，在控制钠冷却剂投放量上取得了突破。
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第 2 章  基于 FLUNT 电磁相关传感器电极结构仿真分析 

在诸多流量计中，相关法电流量计能够实现扩展多相流中油气等非导电相含率的量程范围的效果，所以电磁相关流量测量传感器在油田实际测量中有着广泛的应用。电磁相关流量测量传感器是一种综合电磁学、材料学、流体力学、信号处理等各种领域的精密测量仪表，在各个参数的设定精度都要求非常高，尤其是信号的输出端——传感器的电极结构参数对传感器流量和流速的信号测量都有着重要的影响。本章依据电磁相关流量测量传感器的原理，利用 FLUNT 软件对电磁相关流量测量传感器的电极结构进行仿真分析，据此构建电磁相关传感器模型，研究当电磁相关传感器上、下游电极间距和管道内径变化时，流过传感器流体的流速变化，以实际流速和相关流速作为电极结构的优化指标，为下一步构建神经网络模型奠定基础。

2.1 电磁相关流量测量传感器的理论基础 
电磁相关流量测量传感器励磁线圈有矩形、圆形和椭圆形几种基本形式，其计算的基础都是电磁学的基本定律——法拉第的毕奥萨伐尔定律，马鞍形励磁线圈能够突破生产测井的狭小空间的局限，比矩形励磁线圈在传感器中测量管内部z=0 径向平面中产生的磁感应强度分布情况较好一些[16]。在此基础上，本章根据流体流量测量的基本要求，主要针对马鞍形励磁线圈产生磁场构建传感器电机结构模型进行分析，并给出了马鞍形励磁结构电磁相关流量测量传感器模型的外观构造和剖面示意图，如图 2-1 所示为马鞍形励磁结构传感器模型的外观整体结构图。 
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2.2 基于 FLUNT 的传感器电极结构仿真模型
在自然界中，速度、温度、压力、浓度等物理量随着时间和空间发生变化，他们在能量守恒、质量守恒、动量守恒的基础上，在各种力的作用下形成了连续量场力学运动规律。计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics, CFD)可以通过一些边界条件、离散化编程对经典流体力学进行数值计算、数值模拟和数值分析。通常情况下，通过传感器两对电极测量得到信号是普遍认可的可以作为仿真原始数据的方法，但是考虑到实际实验环境下提取的信号，需要无干扰的环境，即使是微弱的干扰都会对数据造成很大的误差，接下来的实验处理都将在此实验数据基础上计算建模，实验采集到的数据误差将造成后续数据的计算误差，这样优化传感器电极的间距就没有实际意义了。为了精确设定油气水三相相关流量测量传感器上下游电极的间距和传感器管道内经的大小，我们使用 FLUNT 软件对该流量模型进行仿真。FLUNT 是 CFD 软件包中主要用于流体及其传热的计算的软件，采用有限差分法求解差分方程，基于 C 语言编程开发，适用于多种操作系统。利用 FLUNT 仿真软件需要前处理、仿真计算和后处理三个过程。前处理包括计算区域计算机识别，通过将 Solid Works 模型导入到 Gambit 中，作为输入将对生成区域进行剖分，生成计算所用的网格，选用适当求解器，标识计算区域边界类型。Solid Works 是用来绘制高质量三维机械制图的软件，本文中所模拟的油气水三相流传感器管道就是用该软件绘制的，该软件功能强大、易学易用和技术先进，提供不同的设计方案，能够减少设计过程中的错误，是领先的、主流的三维 CAD 制图软件。FLUNT 软件通过有限差分法求解差分方程进行仿真计算，对计算结果进行归纳总结，FLUNT 通过菜单接口和编程接口与用户进行信息交互，提供等压线、等温线、热流曲线、阻力与阻力系数、升力与升力系数、速度矢量图、对流换热系数、壁温等直观图对数据进行显示。通过 FLUNT 软件对所需要构建的电磁流量计传感器电极结构模型，首先进行物理层面的分析，从而确定仿真模型的大体结构；之后根据分析过的物理模型建立仿真模型，并对仿真模型进行设置，来最终达到可以替代物理结构完成测试的目的；最终对建立的仿真模型进行进一步的细分、设计，包括网格划分、单元属性分配以及仿真模型各个区域的划分。 
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第 3 章  基于神经网络电磁相关传感器电极结构模型构建 ........21 
3.1 基于 RBF 神经网络拟合非线性模型的基本思想 ........... 21 
3.1.1 RBF 神经网络的组成和结构 ...........21 
3.1.2 RBF 神经网络拟合非线性模型的方法 ....22 
3.2  基于 RBF 神经网络的电磁传感器电极结构模型 ........... 26 
3.2.1  基于  RBF 神经网络电极结构特征参数提取 .............26 
3.2.2  电磁传感器电极结构 RBF 神经网络模型 ........30 
3.3  本章小结 .... 32 
第 4 章  基于燕群算法电磁相关传感器电极结构优化设计 ........33 
4.1 基于燕群算法电磁相关传感器电极结构优化的原理和步骤 ............. 33 
4.1.1 基于燕群优化算法的传感器电极结构优化设计原理 ...........33 
4.1.2 基于燕群优化算法的传感器电极结构优化设计的步骤 .......40 
4.2  电磁相关传感器电极结构优化设计结果分析 ...... 42 
4.3  本章小结 .... 47 

第 4 章  基于燕群算法电磁相关传感器电极结构优化设计

本章引入一种阐述群体智能的多目标求解的燕群优化算法(swallow  swarm optimization,  SSO)得出电磁相关传感器电极部件的最优化结构。将构建的电磁相关传感器结构模型进行权值分配，从而将多目标优化问题转化为单目标优化问题，并利用一种燕群优化算法寻找单目标优化问题的最优结构参数解，完成对电磁相关传感器电极结构的优化。 

4.1 基于燕群算法电磁相关传感器电极结构优化的原理和步骤 
科学家通过对生物种群在捕食、聚群、迁徙、繁殖方面的研究观察，探索到一些能够解决优化问题的生物启发式算法现今应用最广泛的有人工鱼群算法和益群算法。英国科学家 Rob G. Bijlsma 和 Bennie van den Brink 进行了大量的调查，发现燕子是生活高度集群化的鸟类，每个燕群包含数万甚至十万只燕子，每年跨越大陆飞行 17000 公里[49]。燕子不仅在迁徙数量上位居生物界的前列，更是以 170公里每小时的迁徙速度创下了高速记录。燕群这一特性非常适用于增快有效粒子的收敛速度和最短时间解决优化概率问题。燕群自身的飞行轨迹是混沌无章的，但又能迅速完成集体活动，根据燕群迁徙以及他们的日常行为特征抽象成数学算法，实现全局最优搜索。2013 年，Mehdi Neshat，Ghodrat Sepidnam，Mehdi Sargolzaei根据燕群生物行为原理提出燕群优化算法(swallow swarm optimization, SSO)，算

法将燕子种群分为探索粒子，指引粒子和盲目粒子三种粒子，运用用数学语言对燕群行为进行描述，并通过同一函数的寻优时间和迭代次数与传统粒子算法做出比较，证明了燕群算法的优秀特性[50]。 在燕群迁徙的过程中，一些燕子总是飞出燕群区域，像是在扰乱燕群的秩序。但这些燕子在燕群中起着至关重要的作用，他们往往刚刚成年不会拘束在燕群约定俗成的区域里而更有机会找到燕群集中区域以外的食物，然后呼叫其他成员一起搬运食物。同时他们也很敏感，他们能迅速发现天敌即将发起攻击，并且通过声音告知其他成员这些危险的信号。以上的启示应用于燕群算法中，将这些燕子定义为盲目粒子(Aimless particle)，符号 oi ，盲目粒子可以增加找到最佳点的机会，并且如果其他粒子收敛在一个错误的局部最优点，盲目粒子可以通过独立的移动增强随机突破局部收敛而找到更优点的几率。 

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结   论 

电磁相关流量测量传感器的设计水平决定着是否可以准确地测量油井的流量，进而在一定程度上也影响着石油行业的发展前景。本文在分析了电磁相关流量测量传感器的关键部件电磁相关传感器电极结构的设计原理，在此基础上提出了一种集合传感器流量有限元仿真、神经网络的非线性建模、燕群优化算法技术的方法，得到了最优电磁相关传感器的电极结构参数。具体研究成果如下所述：
(1)  实现了电磁相关流量测量传感器电极结构的 FLUNT 仿真分析。在对电磁相关传感器物理模型进行分析的基础上，利用 FLUNT 有限元仿真软件对电极结构模型进行网格划分、边界设定、流速生成，分别对总流量为 20m3/d，80m3/d，150m3/d 下电磁相关流量测量传感器上、下游电极间距变化的仿真速度云图和管道内径变化 MATLAB 三维流速图。
(2)  建立了电磁相关传感器电极结构参数变化下的非线性系统模型。提取FLUNT 软件获得的仿真数据特征参数，以流体实际流速和相关流速的误差作为电极结构优化评价指标，作为训练样本训化 RBF 神经网络，得到以上下游电极间距和管道半径为输入，以优化评价指标为输出的非线性函数。 
(3)  选取了燕群优化算法并据此得出了电磁相关流量测量传感器电极结构模型的最优参数解。在不同权重参数下得出了优化评价指标的最优解为 0.1159，0.1019，0.1021，对比仿真误差与优化误差的值，在三个最优解的情况下得出电磁相关流量测量传感器电极的最佳距离是 10.75mm,管道内径为 16.1mm。 
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参考文献(略)

本文编号：246718