技术领域
[0001] 本
发明涉及系统故障诊断领域，主要针对石油
地震勘探系统健康状况监测问题，给出了一种基于等价关系的石油地震勘探系统故障检测方法。
背景技术
[0002] 本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
[0003] 众所周知，石油工业是经济发展的血液，而要想利用石油，有效科学地寻找石油则尤为重要。当前，寻找石油的方法可以分为地质法，物探法，钻探法三种。考虑到钻探成本和效率的有机统一，地震勘探法是比较常用的方法。概括地说，所谓地震勘探，就是通过人工方法激发
地震波，研究地震波在
地层中传播的情况，以查明地下的地质构造，从而为寻找油气田或其它勘探目的服务。由于石油地震勘探对于环境的破坏性和石油开发对于经济的推动
力，对于石油地震勘探系统的精确可靠运行则相当重要。所以为了实现石油地震勘探系统的
健康状态监测，有效的故障诊断技术的发展迫在眉睫。
[0004] 然而，
发明人发现，地震勘探中经常遇到一类特殊的干扰，称为随机干扰(或不规则干扰)。随机干扰的来源大致可分为三类：第一类是地面的微震，如
风吹草动和一些人为因素引起的无规则的振动；这类干扰在激发前就存在；第二类是仪器在接收时或处理过程中的噪音；第三类是激发所产生的不规则干扰。包括由于介质的不均匀性造成的弹性波的散射以及任意方向来的、
相位变化毫无规律的波的
叠加等等。这对建立故障诊断的模型带来的极大的挑战。而在许多其他观测环境复杂多变的实际应用中，为了对系统的刻画更加理想，使其与实际物理背景更加匹配，在理论上，前两类被刻画为加性扰动，第三类的干扰则通常被近似刻画为一个乘性因子即乘性噪声。
[0005] 在众多的基于模型的故障诊断方法中，等价空间方法因为在确定性系统用中可以实现残差和初始状态的完全解耦而被广泛应用，然而其在随机系统中的应用还没有得到充分的推广。
发明内容
[0006] 为了解决上述问题，本发明提出了基于等价空间方法的石油地震勘探系统的故障检测方法，利用等价空间方法，在适用于随机系统的新的评价指标
基础上，提出了一种新的残差产生方式。
[0007] 为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
[0008] 在一个或多个实施方式中公开的一种带乘性噪声的石油地震勘探系统，包括：
[0009]
[0010] 其中， 分别代表人工激发的地震波源
信号、地面
检波器接收的地震波反馈信号、未知
扰动信号和待检测故障信号；A(k),Aσ(k), Bd(k),Bf(k),C(k),Dd(k),Df(k)是恰当维数的给定时变矩阵；{σ(k)}是一类均值为0，方差为1的白噪声标量，x0是一个与{σ(k)}无关的任意恰当维数的随机向量。
[0011] 在一个或多个实施方式中公开的一种基于等价关系的石油地震勘探系统故障检测方法，包括：
[0012] 建立上述的带乘性噪声的石油地震勘探系统模型；
[0013] 在设定时域内，用
时间窗内初始状态量来表示该域内所有输出量，构造在扰动和故障共同作用下的输出与输入、扰动及故障之间的等价关系；
[0014] 在上述等价关系中引入确定性矩阵，构造等价空间；
[0015] 将所有与待检测故障信息无关的量都视为扰动，构造残差；
[0016] 设计等价向量的评价指标，求取使得评价指标最小的等价向量作为最优等价向量；
[0017] 根据最优等价向量求取残差，进而得到残差某个评价函数值，将所述评价函数值与设定的
阈值比较，判断是否有故障发生。
[0018] 进一步地，构造在扰动和故障共同作用下的输出与输入、扰动及故障之间的等价关系，具体为：
[0019] Y(k)＝Hos(k)x(k-s)+Hds(k)D(k)+Hfs(k)F(k)
[0020] 其中，Y(k)、D(k)、F(k)分别为设定的时域内所有输出量、未知扰动向量和待检测故障向量构成的矩阵；Hos(k)、Hds(k)、Hfs(k)分别为系数矩阵。
[0021] 进一步地，在上述等价关系中引入确定性矩阵E(Hos(k))，具体为：
[0022] Y(k)＝((Hos(k)-E(Hos(k)))x(k-s)+E(Hos(k))x(k-s)+Hds(k)D(k)+Hfs(k)F(k)[0023] 进一步地，构造等价空间具体为：
[0024]
[0025] 其中，V(k)为等价向量，V(k)＝P(k)Nb(k)，Nb(k)等价空间 的基，P(k)是需要设计的任意恰当维数的向量，E(Hos(k)为确定性矩阵。
[0026] 进一步地，将所有与待检测故障信息无关的量都视为扰动，构造残差，具体为：
[0027] r(k)＝V(k)(Hds,n(k)D1(k)+Hfs(k)F(k))
[0028] 其中，Hds,n(k)＝[Hos(k)-E(Hos(k)) Hds(k)]，
[0029] 进一步地，设计等价向量的评价指标，具体为：
[0030]
[0031] 其中，
[0032] E(Hds,n(k)Hds,nT(k))＝E(Hos(k)HosT(k))-E(Hos(k))E(HosT(k))+E(Hds(k)HdsT(k))。
[0033] 进一步地，根据实际生产中的经验知识，获得残差某个评价函数在系统正常运行时的值，并以此作为衡量系统有无故障发生的阈值。
[0034] 与
现有技术相比，本发明的有益效果是：
[0035] 1、以可以获得的有限时间窗内实际输出为操作对象，给出了一种可以实时在线故障检测的残差产生
算法，一方面，极大地避免了基于
硬件冗余的花费高，占空间大的显著缺点，另一方面，所提出的新的评价指标可以推广等价空间方法到随机系统的故障诊断中。
[0036] 2、可用于石油地震勘探系统的故障检测。
附图说明
[0037] 构成本
申请的一部分的
说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性
实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
[0038] 图1为实施例一中石油地震勘探过程
框图；
[0039] 图2为实施例一中残差评价函数和阈值的比较结果。
具体实施方式
[0040] 应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
[0041] 需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
[0042] 实施例一
[0043] 首先，将实际存在的石油地震勘探系统根据其原理合理地抽象为一类数学模型，满足如下条件：
[0044] (1)
状态方程、输出方程除了含有一般
状态空间模型均具有的项以外，其系统矩阵还带有乘性噪声不确定性，其中乘性噪声σ(k)为一类均值为0，方差为1的白噪声标量，Aσ(k)为已知恰当维数的时变矩阵；
[0045] (2)系统初值为0。
[0046] 石油地震勘探过程可以被简单归结为如图1所示，图1所示的石油地震勘探过程可以被刻画为一个带有乘性噪声不确定性的线性时变离散系统，即带乘性噪声的石油地震勘探系统具体为：
[0047]
[0048] 其中， 分别代表如图1所示人工激发的地震波源信号(即输入向量)、地面检波器接收的地震波反馈信号(即输出向量)、未知扰动信号和待检测故障信号；A(k),Aσ(k),Bd(k),Bf(k),C(k),Dd(k),Df(k)是可以借助当前比较成熟的系统辨识技术获得的已知恰当维数时变矩阵；{σ(k)}是一类均值为0，方差为
1的白噪声标量，用来刻画地震波信号在地层传播的所遇到的一类干扰；这样，图1中地震波源信号到地层传播这一传输过程可以被描述为x(k+1)＝A(k)x(k)+σ(k)Aσ(k)x(k)+ Bd(k)d(k)+Bf(k)f(k)，而地层传播到检波器接收地震波反馈信号这一过程则被描述为 y(k)＝C(k)x(k)+Dd(k)d(k)+Df(k)f(k)；其中，A(k)x(k)表示地震波源信号到地层传播规律，σ(k)Aσ(k)x(k)表示在这过程中，地震波信号由于自身衰落、散射等所带来的影响， Bd(k)d(k)表示这一过程中所遇到另一类干扰，Bf(k)f(k)用来描述产生地震波信号的所有仪器的故障行为；C(k)x(k)用来描述检波器接收地震波反馈信号过程，Dd(k)d(k)表征这一过程中所有仪器的所带有的固有的形如测量误差一类的干扰，Df(k)f(k)用来表示这一过程中检波器的所有故障行为；x0是一个与{σ(k)}无关的任意恰当维数的随机向量，表征石油地震勘探过程的地震波源信号初始状态。
[0049] 给定正整数s>0，对于系统(1)，在有限时域[k-s,k]内，参照应用在确定性系统中的等价空间方法，用时间窗内初始状态量来表示该域内所有输出量，构造所谓在扰动和故障共同作用下的等价关系为：
[0050] Y(k)＝Hos(k)x(k-s)+Hds(k)D(k)+Hfs(k)F(k) (2)
[0051] 其中：
[0052]
[0053] 为了获得式(2)中的系数矩阵，在得到其之前，首先定义下面的矩阵形式如下：
[0054] Ci＝C(k-(s+1)-i),Bdi＝Bd(k-(s+1)+i),φ(k)＝A(k)+σ(k)Aσ(k)
[0055]
[0056] 基于此，式(2)中的系数矩阵可以分别被表示为：
[0057]
[0058]
[0059] 其中，由于fs11和ds11和构成方式是相似的，只是将ds11中的Bdj和Dd分别替换为Bfj和Df，并且Bfj也可以用和Bdj相同的方式得到，所以在这里都不再赘述。
[0060] 众所周知，等价空间方法在确定性系统的故障诊断应用中，一个显著的优势就是实现了系统残差和状态量的完全解耦。然而类比到本实施方式所考虑随机系统(1)中时，由于等价关系中的Hos(k)的随机性，在对系统(1)构造残差时，还需要在等价关系中引入确定性矩阵 E(Hos(k))以构造等价空间。
[0061] r(k)＝V(k)Y(k)＝V(k)(Hos(k)x(k-s)+Hds(k)D(k)+Hfs(k)F(k)
[0062] ＝V(k)((Hos(k)-E(Hos(k)))x(k-s)+E(Hos(k))x(k-s)+Hds(k)D(k)+Hfs(k)F(k) (3)
[0063] 其中，
[0064] 在式(3)中，由于新增加的E(Hos(k))的存在，所谓的s阶等价空间可以被定义为为保证该等价空间存在，即该方法可以应用于此系统的故障诊断，系统需要满足条件(s+1)m>n。定义等价向量V(k)＝P(k)Nb(k)，Nb(k)等价空间的基，P(k)是需要设计的任意恰当维数的向量。
[0065] 可以从式(3)中观察到，对于此类随机系统(1)中，V(k)已经不能完全消除掉状态向量对残差r(k)的影响。然而，从另一
角度来看，x(k-s)内却没有包含任何关于当前时刻故障f(k)的信息。所以在故障诊断的应用中，将所有与待检测故障信息无关的量都视为扰动是合理的。基于此，残差被重新改写成：
[0066]
[0067] 其中，Hds,n(k)＝[Hos(k)-E(Hos(k)) Hds(k)]，
[0068] 为了提高残差为故障的敏感性，所选择的V(k)需要在提高故障项对残差的影响的同时降低扰动项对残差带来的影响，所以选取评价指标：
[0069]
[0070] 其中，E(Hds,n(k)Hds,nT(k))＝E(Hos(k)HosT(k))-E(Hos(k))E(HosT(k))+E(Hds(k)HdsT(k))；
[0071] 总的来说，本实施方式为了实现系统(1)的故障诊断，所要解决的问题就是，找到基于鲁棒性评价指标(5)的最小值点V(k)。
[0072] 假设在最优等价向量Vopt(k)情况下，式(5)可以转化为：
[0073] JminVopt(k)E(Hfs(k)HfsT(k))VoptT(k)-Vopt(k)E(Hds,n(k)Hds,nT(k))VoptT(k)＝0 (6)[0074] 将Vopt(k)的表达式带入上式之后，式(6)变为：
[0075] Popt(k)(JminNb(k)E(Hfs(k)HfsT(k))NbT(k)-Nb(k)E(Hds,n(k)Hds,nT(k))NbT(k))PoptT(k)＝0 (7)
[0076] 经证明，
[0077] Jmin＝λmin (8)
[0078] 其中λmin是Nb(k)E(Hds,n(k)Hds,nT(k))NbT(k)对于Nb(k)E(Hfs(k)HfsT(k))NbT(k)的最小左特征值，Popt(k)是相对于λmin的
特征向量。
[0079] 所以现在已经得到了一个为了解决上节所提出的问题的理论解，要想让其可以直接应用，还需要获得E(Hds,n(k)Hds,nT(k))，E(Hfs(k)HfsT(k))的表达式。
[0080] 接下来首先展示我们所归纳总结的所需矩阵的表达式。
[0081] 显然，E(Hos(k))E(HosT(k))可以根据前面的公式很容易的获得，所以不再赘述。这里主要展示E(Hos(k)HosT(k)),E(Hds(k)HdsT(k)),E(Hfs(k)HfsT(k))。
[0082] 为了让矩阵表达式看起来更简洁，首先需要定义：
[0083]
[0084]
[0085] E(Hos(k)HosT(k))，E(Hds(k)HdsT(k))的表达式可以被归纳为：
[0086]
[0087]
[0088] 其中：
[0089]
[0090]
[0091] 基于上述结果，实时的残差可以在获得之后，再根据实际生产中的经验知识，可以获得残差某个评价函数在系统正常运行时的值，并以此作为衡量系统有无故障发生的阈值。当实际残差的相同评价函数值超过设定阈值则报警，警示系统有故障发生，相反，则系统正常运行。
[0092] 获得一组石油地震勘探系统的参数如下：
[0093]
[0094]
[0095]
[0096] 设置系统扰动和所要检测的故障为：
[0097]
[0098] 设置初值为0，获得上述系统有限时间窗[k-s,k]内所有的输出y(k)，重新按我们所给出的顺序重组为输出向量组Y(k)，利用所提出的等价空间方法，在线获得最优等价向量 Vopt(k)，派生出残差r(k)，再计算其二范数J(r(k))，根据现场实际经验选取阈值Jth1＝0.05，超过这个阈值则为有故障，反之，则没有故障。其结果如图2。
[0099] 实施例三
[0100] 一种基于等价关系的石油地震勘探系统故障检测系统，包括
服务器，所述服务器包括
存储器以及处理器，所述处理器包括：
[0101] 系统模型建立单元：人工激发地震波信号源，通过地面检波器接收地震波反馈信号；在地震波传播过程中可能会受到仪器故障信号以及噪声或测量误差等产生的
干扰信号的影响；考虑上述影响因素，建立带乘性噪声的石油地震勘探系统模型，如实施例一中的式(1)所示。
[0102] 构造等价关系单元：被配置为在设定时域内，用时间窗内初始状态量来表示该域内所有输出量，构造在扰动和故障共同作用下的输出与输入、扰动及故障之间的等价关系；
[0103] 构造等价空间单元：被配置为在上述等价关系中引入确定性矩阵，构造等价空间；
[0104] 构造残差单元：被配置为将所有与待检测故障信息无关的量都视为扰动，构造残差；
[0105] 最优等价向量计算单元：被配置为设计等价向量的评价指标，求取使得评价指标最小的等价向量作为最优等价向量；
[0106] 故障判定单元：被配置为根据最优等价向量求取残差，进而得到残差某个评价函数值，将所述评价函数值与设定的阈值比较，判断是否有故障发生。
[0107] 上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种
修改或
变形仍在本发明的保护范围以内。
