本发明公开一种海底管道相依竞争失效实时可靠性评估系统及评估方法，属于海洋石油工程技术领域。所述评估系统包含三个部分：海底管道退化监测子系统、海底管道振动监测子系统、数据收集与分析子系统；根据评估系统获取的数据进行评估运算，所述评估方法包括建立海底管道失效模式、研究竞争失效机制、建立相依竞争失效动态贝叶斯网络、可靠性计算。海底管道相依竞争失效实时可靠性评估系统，采用本发明的系统和方法考虑不同失效因素间相互作用关系对海底管道的影响，分析在相依竞争失效模式下海底管道的可靠性，进一步完善了竞争失效机制，考虑了模型存在的参数不确定性问题，实现了对海底管道可靠性的有效实时评估与预测。
1.采用一种海底管道相依竞争失效实时可靠性评估系统的评估方法，其特征在于，所述评估系统包括：海底管道退化监测子系统、海底管道振动监测子系统和数据收集与分析子系统，所述海底管道退化监测子系统包括中心控制单元、超声发射单元、超声接收单元和信号处理单元，超声发射单元发射的超声波被超声接收单元接收并将信号传输至信号处理单元，信号处理单元将接收的退化数据上传至中心控制单元；中心控制单元接收信号处理单元的退化数据并进行在线退化数据监控，并将在线监测数据传输至数据收集与分析子系统中的通讯模块，获取海底管道退化信息，所述数据收集与分析子系统包括通讯模块、信号转换模块、概率信息生成与更新模块、相依竞争失效概率算法模块和可靠性实时评估模块，通讯模块用于接收海底管道退化监测子系统和海底管道振动监测子系统发送的数据信息，信号转换模块用于将通讯模块接收到的信号转换为电信号；概率信息生成与更新模块用于读取所述电信号，并将读取到的电信号用于概率信息生成、跟踪和贝叶斯更新；竞争失效概率算法模块用于将海底管道各退化模式的概率信息汇总，生成海底管道失效的概率；可靠性评估模块读取海底管道竞争失效概率算法模块生成的概率信息，进行海底管道实时可靠性评估；所述海底管道振动监测子系统包括分布式光纤传感器、光源光电检测系统和计算机信号处理系统，用于监测海底管道由于外部冲击导致的振动；
步骤1、建立海底管道失效模型，结合海底管道历史失效数据，将海底管道的失效模式分为内部因素引起的退化失效和外部冲击引起的突发失效两种，建立海底管道退化失效模型和突发失效模型；
步骤2、研究竞争失效机制，研究退化失效和突发失效的相互作用关系，将随机冲击过程建为易化模型，获取海底管道内部总退化量对突发失效的影响、外部冲击引起内部退化增量变化以及外部冲击引起退化率变化，利用强度函数，建立海底管道竞争失效可靠性模型并对海底管道数据库中的历史失效数据进行参数估计；
步骤3、结合海底管道竞争失效机制，分别建立突发失效模型的静态贝叶斯网络、退化失效模型的静态贝叶斯网络、易化模型的静态贝叶斯网络，根据步骤2得到的海底管道竞争失效可靠度模型，结合突发失效模型的静态贝叶斯网络、退化失效模型的静态贝叶斯网络和易化模型的静态贝叶斯网络建立海底管道相依竞争失效静态贝叶斯网络，根据转化动态贝叶斯网络时间片与时间片间的条件概率表，海底管道相依竞争失效静态贝叶斯网络拓展为动态贝叶斯网络；
步骤4、根据所述实时可靠性评估系统中获取的实时失效数据，对实时失效数据进行贝叶斯更新获得新的参数，将新参数带入海底管道相依竞争失效静态贝叶斯网络中进行计算，得到海底管道实时可靠度，将此刻海底管道相依竞争失效静态贝叶斯网络以年为单位进行拓展成动态贝叶斯网络对下一年内的可靠度进行获取，海底管道相依竞争失效动态贝叶斯网络里的全部节点与海底管道相依竞争失效静态贝叶斯网络一致， 体现出海底管道从一个时刻到下一个时刻可靠度变化；
采用 过程描述海 底管道退化过程 ，对任意的 和 ，
采用极值冲击模型描述随机冲击对海底管道的影响，当外界任意一次冲击造成的损伤超过了海底管道的突发失效阈值 时，海底管道发生突发失效，当外界冲击为极值冲击模型时，假设第 次冲击量大小为 ，所有的 相互独立，则到时间 为止海底管道不发生突发失效的概率P为：
其中， 为 的累积分布函数； 为到时刻t为止冲击发生的总次数； 为海底管道的突发失效阈值；
海底管道在地震作用下容易受到波浪荷载因素的影响，导致管道产生强烈的振动，证明振动影响的物理模型是 定律：其中， 为裂纹扩展速率； 和 为经验确定的材料参数，值与 有关；
为裂缝深度； 为每个循环的等效应力范围，可以用经验表示为：
其中， 为 函数； 为威布尔分布的尺度参数； 是威布尔分布的形状参数，假定海底管道初始深度为 ，计算第 次应力循环处的裂缝深度为：其中，参数分布和相应的值是从历史数据和专家知识中获得，参数 服从正态分布；参数 服从对数正态分布 ，考虑到参数存在分布不确定性，假设 均服从正态分布；
所述海底管道内部总退化量对突发失效的影响为：假定海底管道受到的冲击强度取决于到达海底管道的内部退化量，利用强度函数 ，将随机冲击过程 建为易化模型，假设强度函数是海底管道内部退化量的线性函数 ，
为依赖因子，表示当前退化对冲击强度的影响；此外，由于已经到达的冲击可以促进随机冲击过程，因此发生 次冲击后的强度函数为 ，为促进因子，表示冲击产生的退化增量对冲击过程的影响，因此，海底管道到时间 时刻发生 次冲击的概率可通过以下公式计算：其中， ； 服从负二项分布
在外部冲击的影响下，海底管道内部会产生额外的退化增量，海底管道总退化量为内部退化量与冲击产生的额外退化量的总和，假设 时刻冲击造成的额外退化量分别为 ，则 时刻对海底管道造成的累积额外退化量可表示为：每一次冲击对海底管道的影响所造成的额外退化 是一系列独立的、同分布的随机变量， 服从正态分布，则累积额外退化量 的分布如下:则海底管道总退化量 可以表示为内部退化量 与累积额外退化量 的总和：
假设当海底管道所受冲击大于设定的初始突发失效阈值 时，退化率会发生改变，如果第 次冲击首先引起退化率的变化，则将这次冲击定义为触发冲击，触发冲击出现时的时间称为过渡时间，用tj表示，假设海底管道退化率只发生一次变化，则外部冲击导致海底管道退化率变化时，退化失效退化量可以表示为：其中，第 次冲击首先引起退化率的变化，则将这次冲击定义为触发冲击， 为退化速率变化的时间也就是第 次冲击到达的时间称为过渡时间，当海底管道工作时未发生触发冲击时 、退化率为 ，当海底管道工作过程中发生了触发冲击 时，退化率从，增加到 ；
退化率发生改变时的过渡时间 遵循伽马分布，比例参数为 ，形状参数为 ，则 的概率密度函数可以计算为：在不考虑突发失效的情况下，海底管道不发生退化失效的概率可计算为：其中， ； ，考虑到计算过程中存在
此基础上各参数 ， ， ， ， ， 均服从正态分布；
当海底管道内部总退化量超过设定的退化失效阈值 ，或者冲击导致的突发失效损伤超过突发失效阈值 时，海底管道会发生失效，同时考虑冲击引起的退化率和退化增量变化以及累积退化促使海底管道所受冲击强度发生改变时，海底管道的可靠性可分为以下几种情况:（1）当在时间 之前没有发生任何冲击， 时，海底管道的可靠度函数可以表示为：
其中， 为没有冲击时海底管道不发生退化失效的概率； 为海底管道不发生冲击的概率；
（2）当截止到时间 为止至少发生一次冲击，且所有的冲击造成的损伤均小于初始突发失效阈值 时、 ，海底管道的可靠度函数 可以表示为：其中， 为无触发冲击发生的条件下，海底管道不发生退化失效的概率； 为第 次冲击时管道不发生突发失效的概率； 为管道发生 次冲击的概率；
（3）当截止到时间 为止至少存在一次冲击大于初始突发失效阈值 时，海底管道的可靠度函数 可以表示为：其中， 为触发冲击发生的条件下，海底管道不发生退化失效的概率； 为第次冲击时管道不发生突发失效的概率； 为第 次冲击时管道不发生突发失效的概率； 为管道发生 次冲击的概率；
在同时考虑冲击引起的退化率和退化增量变化以及累积退化促使海底管道所受冲击强度发生改变时，海底管道总可靠度函数 为以上三种情况之和： ;
所述突发失效模型的静态贝叶斯网络建立过程为：结合海底管道突发失效模型中各变量之间的物理关系与采样次数确定条件概率表，将步骤2中海底管道突发失效模型中各个参数映射为贝叶斯网络中的各参数节点，通过假设相关变量服从一定概率分布来确定变量的先验概率；最后将得到的条件概率表和先验概率输入到静态贝叶斯网络中，建立突发失效的静态贝叶斯网络，在突发失效的静态贝叶斯网络中 、 、 、 、 、、 是自变量节点或父节点，考虑突发失效模型中分布函数存在的参数不确定性问题，自变量节点、 、 、 服从一种概率分布， 、 、 、 是因变量节点或子节点，而且 是最终输出节点，代表外部冲击环境导致海底管道产生的裂缝深度值；
易化模型的静态贝叶斯网络，将步骤2中描述退化量对冲击强度影响的易化模型中各个参数映射为贝叶斯网络中的各参数节点，得到的易化模型静态贝叶斯网络模型，其中 、、 是自变量节点或父节点， 、 是因变量节点或子节点，而且 是最终输出节点，代表海底管道在时刻 发生 次冲击的概率；
相依竞争失效静态贝叶斯网络为：将退化失效模型、突发失效模型、易化模型相结合，根据海底管道在竞争失效模式下的可靠度，建立相依竞争失效静态贝叶斯网络;步骤4中海底管道可靠度变化的计算方法为：
步骤S401：将各个监测子系统中获取的实时失效数据进行贝叶斯更新，根据贝叶斯理论，海底管道相关参数的后验概率密度函数为：其中， 表示参数 的先验概率密度函数； 表示参数 的后验概率密度函数，其中 ， 为随机变量数目；为比例常数，
步骤S402：将S401计算得到的海底管道相依竞争失效模型的实时参数带入海底管道相依竞争失效静态贝叶斯网络中进行计算，获取海底管道实时可靠性评估；
步骤S403：将海底管道相依竞争失效静态贝叶斯网络以年为单位拓展成动态贝叶斯网络，海底管道相依竞争失效动态贝叶斯网络里的全部节点与海底管道相依竞争失效静态贝叶斯网络一致，进行计算获取从一个时刻到下一个时刻海底管道的可靠度变化。
2.根据权利要求1所述的评估方法，其特征在于，海底管道数据库中的历史失效数据进行参数估计的方法为：对海底管道数据库中历史失效数据进行参数估计，并结合现场专家数据库，完成概率分布的修正，得到退化失效和突发失效对应参数的值，采用极大似然估计方法对海底管道相依竞争失效模型中的各参数进行参数估计：其中， 为相依竞争失效模型中被估计参数； 为状态监测数据。
3.根据权利要求1所述的评估方法，其特征在于，所述相依竞争失效动态贝叶斯网络建立为：根据转化动态贝叶斯网络时间片与时间片间的条件概率表，将建立的海底管道相依竞争失效静态贝叶斯网络拓展为动态贝叶斯网络。
海底管道相依竞争失效实时可靠性评估系统及评估方法
技术领域
[0001] 本发明属于海洋石油工程技术领域，具体地，涉及一种海底管道相依竞争失效实时可靠性评估系统及评估方法。
背景技术
[0002] 海底管道作为海洋油气田开发中油气输送的主要方式，如果海底管道失效，可能会造成严重的经济损失和环境污染。然而失效管道的维护和更换非常困，为了保证海底管道的安全运行，海底管道的可靠性评估是非常重要的。在不利的操作条件下，海底管道会受到多种失效因素的影响。具有腐蚀性的石油、天然气和流体会导致海底管道发生腐蚀损伤；生产流体中夹带的细砂等杂质会造成严重的砂蚀损伤；地震、内波等因素会影响海底管道的长期循环应力，在疲劳载荷的作用下会产生裂缝；海底管道与下落物体的意外碰撞也可能造成严重的裂纹甚至破裂。因此，由于存在内部和外部因素的干扰，海底管道在运行过程中会受到多种退化过程和失效模式的影响。腐蚀、侵蚀、疲劳等失效机制会导致不同的失效过程，这些失效过程往往不是独立的，而是相互竞争和依赖的，这种过程被称为相依竞争失效过程。忽略多个故障过程之间的依赖关系可能会导致对系统可靠性的过高估计。
[0003] 退化失效与突发失效的竞争关系可以分为退化‑冲击相关性和冲击‑退化相关性两种。在现有技术中，关于退化‑冲击相关性进行了较为全面的研究，例如随机冲击导致的退化量的增加或退化率的改变等。然而对于冲击‑退化相关性的研究相对较少，此外在竞争失效可靠性评估的研究中，很少考虑分布函数的参数不确定性问题。由于工作环境、专家经验数据有限等不确定因素的影响，分布函数中的参数也可能存在不确定性。到目前为止，对海底管道可靠性评估模型竞争失效机制的研究以及针对相依竞争失效模型中参数不确定性影响的综合评估方法并不完善。因此，本发明提出一种海底管道相依竞争失效实时可靠性评估系统及评估方法。
发明内容
[0004] 为了解决上述技术问题，提出一种海底管道相依竞争失效实时可靠性评估系统及评估方法，考虑不同失效因素间相互作用关系对海底管道的影响，实现了对海底管道可靠性的有效实时评估与预测。
[0005] 一种海底管道相依竞争失效实时可靠性评估系统，所述评估系统包括：海底管道退化监测子系统、海底管道振动监测子系统和数据收集与分析子系统，所述海底管道退化监测子系统包括中心控制单元、超声发射单元、超声接收单元和信号处理单元，超声发射单元发射的超声波被超声接收单元接收并将信号传输至信号处理单元，信号处理单元将接收的退化数据上传至中心控制单元；中心控制单元接收信号处理单元的退化数据并进行在线退化数据监控，并将在线监测数据传输至数据收集与分析子系统中的通讯模块，获取海底管道退化信息，所述数据收集与分析子系统包括通讯模块、信号转换模块、概率信息生成与更新模块、相依竞争失效概率算法模块和可靠性实时评估模块，通讯模块用于接收海底管道退化监测子系统和海底管道振动监测子系统发送的数据信息，信号转换模块用于将通讯模块接收到的信号转换为电信号；概率信息生成与更新模块用于读取所述电信号，并将读取到的电信号用于概率信息生成、跟踪和贝叶斯更新；竞争失效概率算法模块用于将海底管道各退化模式的概率信息汇总，生成海底管道失效的概率；可靠性评估模块读取海底管道竞争失效概率算法模块生成的概率信息，进行海底管道实时可靠性评估；所述海底管道振动监测子系统包括分布式光纤传感器、光源光电检测系统和计算机信号处理系统，用于监测海底管道由于外部冲击导致的振动。
[0006] 采用所述的一种海底管道相依竞争失效实时可靠性评估系统的评估方法，所述评估方法包括以下步骤：
[0007] 步骤1、建立海底管道失效模型，结合海底管道历史失效数据，将海底管道的失效模式分为内部因素引起的退化失效和外部冲击引起的突发失效两种，建立海底管道退化失效模型和突发失效模型；
[0008] 步骤2、研究竞争失效机制，研究退化失效和突发失效的相互作用关系，将随机冲击过程建为易化模型，获取海底管道内部总退化量对突发失效的影响、外部冲击引起内部退化增量变化以及外部冲击引起退化率变化，利用强度函数，建立海底管道竞争失效可靠性模型并对海底管道数据库中的历史失效数据进行参数估计；
[0009] 步骤3、结合海底管道竞争失效机制，分别建立突发失效模型的静态贝叶斯网络、退化失效模型的静态贝叶斯网络、易化模型的静态贝叶斯网络，根据步骤2得到的海底管道竞争失效可靠度模型，结合突发失效模型的静态贝叶斯网络、退化失效模型的静态贝叶斯网络和易化模型的静态贝叶斯网络建立海底管道相依竞争失效静态贝叶斯网络，根据转化动态贝叶斯网络时间片与时间片间的条件概率表，海底管道相依竞争失效静态贝叶斯网络拓展为动态贝叶斯网络；
[0010] 步骤4、对实时失效数据进行贝叶斯更新获得新的参数，将新参数带入海底管道相依竞争失效静态贝叶斯网络中进行计算，得到海底管道实时可靠度，将此刻海底管道相依竞争失效静态贝叶斯网络以年为单位进行拓展成动态贝叶斯网络对下一年内的可靠度进行获取，海底管道相依竞争失效动态贝叶斯网络里的全部节点与海底管道相依竞争失效静态贝叶斯网络一致， 体现出海底管道从一个时刻到下一个时刻可靠度变化。
[0011] 进一步地，所述海底管道退化失效模型为：
[0012] 采用 过程描述海底管道退化过程，对任意的 和 ，，其中， 是形状参数为 、尺度参数为 的
分布，Ga(α,β)的分布函数 为：
[0013]
[0014] 式中， 为Gamma函数；
[0015]
[0016] 当从 时刻开始时，海底管道的退化量 ，则：
[0017]
[0018] 所述海底管道突发失效模型为：
[0019] 采用极值冲击模型描述随机冲击对海底管道的影响，当外界任意一次冲击造成的损伤超过了海底管道的突发失效阈值 时，海底管道发生突发失效，当外界冲击为极值冲击模型时，假设第 次冲击量大小为 ，所有的 相互独立，则到时间为止海底管道不发生突发失效的概率P为：
[0020]
[0021] 其中， 为 的累积分布函数； 为到时刻t为止冲击发生的总次数； 为海底管道的突发失效阈值；
[0022] 海底管道在地震作用下容易受到波浪荷载等因素的影响，导致管道产生强烈的振动，证明振动影响的物理模型是 定律：
[0023]
[0024] 其中， 为裂纹扩展速率；为循环应力数；和 为经验确定的材料参数，值与 有关； 为裂缝深度； 为每个循环的等效应力范围，可以用经验表示为：
[0025]
[0026] 其中， 为 函数； 为威布尔分布的尺度参数；是威布尔分布的形状参数，假定海底管道初始深度为 ，计算第次应力循环处的裂缝深度为：
[0027]
[0028] 其中，参数分布和相应的值是从历史数据和专家知识中获得，参数 服从正态分布；参数 服从对数正态分布 ，考虑到参数存在分布不确定性，假设 均服从正态分布。
[0029] 进一步地，所述海底管道内部总退化量对突发失效的影响为：假定海底管道受到的冲击强度取决于到达海底管道的内部退化量，利用强度函数 ，将随机冲击过程建为易化模型，假设强度函数是海底管道内部退化量的线性函数，为依赖因子，表示当前退化对冲击强度的影响；此外，由于已经到达
的冲击可以促进随机冲击过程，因此发生次冲击后的强度函数为 ，
为促进因子，表示冲击产生的退化增量对冲击过程的影响，因此，海底管道到时间时刻发生次冲击的概率 可通过以下公式计算：
[0030]
[0031] 其中， ； 服从负二项分布 ；
[0032] 所述外部冲击引起内部退化增量变化：
[0033] 在外部冲击的影响下，海底管道内部会产生额外的退化增量，海底管道总退化量为内部退化量与冲击产生的额外退化量的总和，假设 时刻冲击造成的额外退化量分别为 ，则时刻对海底管道造成的累积额外退化量可表示为：
[0034]
[0035] 每一次冲击对海底管道的影响所造成的额外退化 是一系列独立的、同分布的随机变量， 服从正态分布，则累积额外退化量 的分布如下:
[0036]
[0037] 则海底管道总退化量 可以表示为内部退化量 与累积额外退化量 的总和：
[0038]
[0039] 外部冲击引起退化率变化为：
[0040] 假设当海底管道所受冲击大于设定的初始突发失效阈值 时，退化率会发生改变，如果第次冲击首先引起退化率的变化，则将这次冲击定义为触发冲击，触发冲击出现时的时间称为过渡时间，用tj表示，假设海底管道退化率只发生一次变化，则外部冲击导致海底管道退化率变化时，退化失效退化量可以表示为：
[0041]
[0042] 其中，第次冲击首先引起退化率的变化，则将这次冲击定义为触发冲击，为退化速率变化的时间也就是第次冲击到达的时间称为过渡时间，当海底管道工作时未发生触发冲击时 、退化率为 ，当海底管道工作过程中发生了触发冲击 时，退化率从 ，增加到 ；
[0043] 退化率发生改变时的过渡时间 遵循伽马分布，比例参数为比例参数为 ，形状参数为 ，则 的概率密度函数可以计算为：
[0044]
[0045] 在不考虑突发失效的情况下，海底管道不发生退化失效的概率可计算为：
[0046]
[0047] 其中， ； ，考虑到计算过程中存在的参数不确定性问题，本发明假设 、 、 ；在此基础上各参
数 ， ， ， ， ， 均服从正态分布。
[0048] 进一步地，步骤2中所建立的海底管道竞争失效可靠性模型为：
[0049] 当海底管道内部总退化量超过设定的退化失效阈值 ，或者冲击导致的突发失效损伤超过突发失效阈值 时，海底管道会发生失效，同时考虑冲击引起的退化率和退化增量变化以及累积退化促使海底管道所受冲击强度发生改变时，海底管道的可靠性可分为以下几种情况:
[0050] （1）当在时间之前没有发生任何冲击， 时，海底管道的可靠度函数可以表示为：
[0051] 其中， 为没有冲击时海底管道不发生退化失效的概率； 为海底管道不发生冲击的概率；
[0052] （2）当截止到时间为止至少发生一次冲击，且所有的冲击造成的损伤均小于初始突发失效阈值 时、 ，海底管道的可靠度函数 可以表示为：
[0053] 其中， 为无触发冲击发生的条件下，海底管道不发生退化失效的概率；为第次冲击时管道不发生突发失效的概率； 为管道发生次冲击的概率；
[0054] （3）当截止到时间为止至少存在一次冲击大于初始突发失效阈值 时，海底管道的可靠度函数 可以表示为：
[0055]
[0056] 其中，为触发冲击发生的条件下，海底管道不发生退化失效的概率； 为第次冲击时管道不发生突发失效的概率；为第次冲击时管道不发生突发失效的概率；为管道发生 次冲击的概率；
[0057] 在同时考虑冲击引起的退化率和退化增量变化以及累积退化促使海底管道所受冲击强度发生改变时，海底管道总可靠度函数 为以上三种情况之和：
[0058] 。
[0059] 进一步地，海底管道数据库中的历史失效数据进行参数估计的方法为：
[0060] 对海底管道数据库中历史失效数据进行参数估计，并结合现场专家数据库，完成概率分布的修正，得到退化失效和突发失效对应参数的值，采用极大似然估计方法对海底管道相依竞争失效模型中的各参数进行参数估计：
[0061]
[0062] 其中，为相依竞争失效模型中被估计参数； 为状态监测数据。
[0063] 进一步地，所述突发失效模型的静态贝叶斯网络建立过程为：结合海底管道突发失效模型中各变量之间的物理关系与采样次数确定条件概率表，将步骤2中海底管道突发失效模型中各个参数映射为贝叶斯网络中的各参数节点，通过假设相关变量服从一定概率分布来确定变量的先验概率；最后将得到的条件概率表和先验概率输入到静态贝叶斯网络中，建立突发失效的静态贝叶斯网络，在突发失效的静态贝叶斯网络中 、 、 、 、 、、 是自变量节点或父节点，考虑突发失效模型中分布函数存在的参数不确定性问题，自变量节点 、 、 、 服从一种概率分布，、、 、是因变量节点或子节点，而且是最终输出节点，代表外部冲击环境导致海底管道产生的裂缝深度值；
[0064] 易化模型的静态贝叶斯网络，将步骤2中描述退化量对冲击强度影响的易化模型中各个参数映射为贝叶斯网络中的各参数节点，得到的易化模型静态贝叶斯网络模型，其中 、 、是自变量节点或父节点， 、 是因变量节点或子节点，而且 是最终输出节点，代表海底管道在时刻发生次冲击的概率；
[0065] 相依竞争失效静态贝叶斯网络为：将退化失效模型、突发失效模型、易化模型相结合，根据海底管道在竞争失效模式下的可靠度，建立相依竞争失效静态贝叶斯网络。
[0066] 进一步地，所述相依竞争失效动态贝叶斯网络建立为：根据转化动态贝叶斯网络时间片与时间片间的条件概率表，将建立的海底管道相依竞争失效静态贝叶斯网络拓展为动态贝叶斯网络。
[0067] 进一步地，步骤4中海底管道可靠度变化的计算方法为：
[0068] 步骤S401：将各个监测系统中获取的实时失效数据进行贝叶斯更新，根据贝叶斯理论，海底管道相关参数的后验概率密度函数为：
[0069]
[0070] 其中， 表示参数 的先验概率密度函数； 表示参数 的后验概率密度函数，其中 ， 为随机变量数目；为比例常数， ; 为似然函数；
[0071] 步骤S402：将S401计算得到的海底管道相依竞争失效模型的实时参数带入海底管道相依竞争失效静态贝叶斯网络中进行计算，获取海底管道实时可靠性评估；
[0072] 步骤S403：将海底管道相依竞争失效静态贝叶斯网络以年为单位拓展成动态贝叶斯网络，海底管道相依竞争失效动态贝叶斯网络里的全部节点与海底管道相依竞争失效静态贝叶斯网络一致，进行计算获取从一个时刻到下一个时刻海底管道的可靠度变化。
[0073] 有益效果：一种海底管道相依竞争失效实时可靠性评估方法及系统，其功能为分析在相依竞争失效模式下海底管道的可靠性，研究了海底管道的退化失效与突发失效之间的相互作用，在考虑冲击引起退化率和退化增量变化的基础上考虑退化对冲击的影响，引入易化模型，进一步完善了相依竞争失效机制，通过建立动态贝叶斯网络模型解决了退化函数和冲击函数模型中参数不确定性问题，实现了对海底管道可靠性的有效实时评估与预测。
附图说明
[0074] 图1是海底管道相依竞争失效实时可靠性评估方法流程示意图；
[0075] 图2是海底管道突发失效静态贝叶斯网络示意图；
[0076] 图3是海底管道退化失效静态贝叶斯网络示意图；
[0077] 图4是海底管道易化模型静态贝叶斯网络示意图；
[0078] 图5是海底管道相依竞争失效实时可靠性评估静态贝叶斯网络示意图；
[0079] 图6是海底管道相依竞争失效实时可靠性评估动态贝叶斯网络示意图；
[0080] 图7是海底管道相依竞争失效实时可靠性评估系统示意图。
具体实施方式
[0081] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
[0082] 下面结合附图，对本发明的具体方案进行详细描述：
[0083] 如图7所示，海底管道相依竞争失效实时可靠性评估系统，包括3个部分，海底管道退化监测子系统102、海底管道振动监测子系统107、数据收集与分析子系统111。
[0084] 海底管道退化监测子系统102包括中心控制单元103、超声发射单元104、接收单元105、信号处理单元106；超声发射单元104发射的超声波被接收单元105接收，并将信号传输至信号处理单元106，实现超声波的发射、测量、回波信号处理等任务。信号处理单元106采集相关数据并将数据库上传至中心控制单元103；中心控制单元103接收信号处理单元106的退化数据并进行在线退化数据监控，并将在线监测数据传输至数据收集与分析子系统
111中的通讯模块112，获取海底管道退化信息。
[0085] 海底管道振动监测子系统107包括分布式光纤传感器108、光源光电检测系统109、计算机信号处理系统110；光源光电检测系统109安装在海底管道101上，当外部因素导致振动时，海底管道101产生的振动传至分布式光纤传感器108上，同时光源光电检测系统109监测分布式光纤传感器108的变化，并将信号传输至计算机信号处理系统110，计算机信号处理系统110将在数据传输至数据收集与分析子系统111中的通讯模块112，获取海底管道振动信息。
[0086] 数据收集与分析子系统111包括通讯模块112、信号转换模块113、概率信息生成与更新模块114、相依竞争失效概率算法模块115、可靠性评估模块116；通讯模块112用于接收海底管道退化监测子系统102和海底管道振动监测子系统107发送的数据信息；信号转换模块113用于将通讯模块112接收到的信号转换为电信号；概率信息生成与更新模块114用于读取信号转换模块113转换的电信号，并将读取到的电信号用于概率信息生成、跟踪和贝叶斯更新；竞争失效概率算法模块115用于将海底管道各退化模式的概率信息汇总，生成海底管道失效的概率；可靠性评估模块116读取海底管道竞争失效概率算法模块115生成的概率信息，进行海底管道实时可靠性评估。
[0087] 如图1所示，一种海底管道相依竞争失效实时可靠性评估方法，包含四个大步骤：
[0088] S1：建立海底管道失效模式。结合海底管道历史失效数据，将海底管道的失效模式分为内部因素引起的退化失效和外部冲击引起的突发失效两种，并选择合适的退化和突发模型。
[0089] S101：海底管道退化失效模型。
[0090] 考虑到 （伽马）过程具有非负增量、严格单调等特征结合海底管道的退化特征，本发明使用 过程描述海底管道退化过程，根据其性质可知，对任意的 和， 。其中， 是形状参数为 、尺度参数为的 分布，其分布函数为:
[0091]
[0092] 式中， 为Gamma函数。
[0093]
[0094] 当从 时刻开始时，海底管道的退化量 ,则：
[0095]
[0096] S102：海底管道突发失效模型。
[0097] 使用极值冲击模型描述随机冲击对海底管道的影响。即当外界任意一次冲击造成的损伤超过了海底管道的突发失效阈值 时，海底管道发生突发失效。当外界冲击为极值冲击模型时，假设第 次冲击量大小为 ，所有的 相互独立。则到时间为止海底管道不发生突发失效的概率为：
[0098]
[0099] 其中， 为 的累积分布函数； 为冲击发生的次数； 为海底管道的突发失效阈值。
[0100] 海底管道在地震作用下容易受到波浪荷载等因素的影响，导致管道产生强烈的振动。证明振动影响的物理模型是 定律：
[0101]
[0102] 其中， 为裂纹扩展速率; 为循环应力数；和 为经验确定的材料参数，值与 有关； 为裂缝深度； 为每个循环的等效应力范围，可以用经验表示为：
[0103]
[0104] 其中， 为 函数； 为威布尔分布的尺度参数；是威布尔分布的形状参数。假设海底管道初始深度为 ，计算第次应力循环处的裂缝深度为：
[0105]
[0106] 其中，参数分布和相应的值是从历史数据和专家知识中获得。参数 服从正态分布，即 ；参数 服从对数正态分布，即 。考虑到参数存在分布不确定性，本发明假设 均服从正态分布。
[0107] S2：研究竞争失效机制。进一步研究退化失效和突发失效的相互作用关系。考虑外部冲击可能引起的退化失效退化增量和退化率的变化，此外随着内部总退化量的增加，海底管道受到外部冲击的冲击强度也会发生相应的变化。
[0108] 考虑到退化失效和突发失效的相互依赖关系，假设外部冲击对海底管道累积退化过程有两种类型的破坏。首先，每次冲击都会对累积退化过程产生额外的退化增量；其次，如果冲击幅度大于预定的初始突发失效阈值，则退化率会发生改变；此外，考虑到退化失效对突发失效的影响，随着内部总退化量的增加，海底管道受到外部冲击的冲击强度也会发生相应的变化，海底管道内部退化量和冲击次数的增加会改变下一次冲击的发生强度。
[0109] S201：海底管道内部总退化量对突发失效的影响
[0110] 目前的大多数研究中泊松过程被用来描述系统受到的随机冲击，然而，在本研究假设中，海底管道受到的冲击强度取决于到达海底管道的内部退化量，因此Poisson（泊松）过程在此假设下不适用于描述海底管道受到的冲击。利用强度函数 ，可以将随机冲击过程 建为易化模型。假设强度函数是海底管道内部退化量的线性函数，即，为依赖因子，表示当前退化对冲击强度的影响；此外，由于已经到达的冲击可以促进随机冲击过程，因此发生次冲击后的强度函数为 ，
为促进因子，表示冲击产生的退化增量对冲击过程的影响。因此，海底管道到时间时刻发生次冲击的概率 可通过以下公式计算：
[0111] 其中， ；根据上述公式可知， 服从负二项分布，即 。
[0112] S202：外部冲击引起内部退化增量变化。
[0113] 在外部冲击的影响下，海底管道内部会产生额外的退化增量，海底管道总退化量为内部退化量与冲击产生的额外退化量的总和。假设 时刻冲击造成的额外退化量分别为 ，则时刻对海底管道造成的累积额外退化量可表示为:
[0114]
[0115] 每一次冲击对海底管道的影响所造成的额外退化 是一系列独立的、同分布的随机变量。 服从正态分布，则累积额外退化量 的分布如下:
[0116]
[0117] 则海底管道总退化量可以表示为内部退化量 与累积额外退化量 的总和：
[0118]
[0119] S203：外部冲击引起退化率变化。
[0120] 海底管道的退化率在退化过程中往往不会是固定不变的，假设当海底管道所受冲击大于设定的初始突发失效阈值 时，退化率会发生改变。如果第次冲击首先引起退化率的变化，则将这次冲击定义为触发冲击。触发冲击出现时的时间称为过渡时间，用 表示。当海底管道工作时未发生触发冲击，即 时，退化率为 ；当海底管道工作过程中发生了触发冲击，即 时，退化率从 ，增加到 ；本发明假设海底管道退化率只发生一次变化，则外部冲击导致海底管道退化率变化时，退化失效退化量可以表示为：
[0121]
[0122] 其中，为退化速率变化的时间(即第次冲击到达的时间)称为过渡时间，遵循比例参数为 ，形状参数为 的伽马分布，则过渡时间 的概率密度函数可以计算为：
[0123]
[0124] 其中，触发冲击发生在第次冲击的概率可基于所考虑的特定情况计算。则在不考虑突发失效的情况下，海底管道不发生退化失效的概率可计算为：
[0125] 其 中 ， ；。考虑到计算过程中存在的参数不确定性问题，本发明假设
、 、 ；在此基础上各参数 ， ， ， ， ，
均服从正态分布。
[0126] S204：建立海底管道竞争失效可靠性模型。
[0127] 当海底管道内部总退化量超过设定的退化失效阈值 ，或者冲击导致的突发失效损伤超过突发失效阈值 时，海底管道会发生失效。同时考虑冲击引起的退化率和退化增量变化以及累积退化促使海底管道所受冲击强度发生改变时，海底管道的可靠性可分为以下几种情况:
[0128] （1）当在时间之前没有发生任何冲击即 时，海底管道的可靠度函数可以表示为：
[0129] 其中, 为没有冲击时海底管道不发生退化失效的概率； 为管道不发生冲击的概率。
[0130] （2）当截止到时间为止至少发生一次冲击，且所有的冲击造成的损伤均小于初始突发失效阈值 时，即 ，海底管道的可靠度函数可以表示为：
[0131] 其中， 为无触发冲击发生的条件下，海底管道不发生退化失效的概率；为第次冲击时管道不发生突发失效的概率； 为管道发生次冲击的概率。
[0132] （3）当截止到时间为止至少存在一次冲击大于初始突发失效阈值 时，海底管道的可靠度函数可以表示为：
[0133] 其中，为触发冲击发生的条件下，海底管道不发生退化失效的概率； 为第 次冲击时管道不发生突发失效的概率；为第次冲击时管道不发生突发失效的概率； 为管道发生 次冲击的概率。
[0134] 在同时考虑冲击引起的退化率和退化增量变化以及累积退化促使海底管道所受冲击强度发生改变时，海底管道总可靠度函数 为以上三种情况之和：
[0135]
[0136] S205：对海底管道数据库中历史失效数据进行参数估计，并结合现场专家数据库，完成概率分布的修正，得到退化失效和突发失效对应参数的值。采用极大似然估计方法对海底管道相依竞争失效模型中的各参数进行参数估计：
[0137]
[0138] 其中，为相依竞争失效模型中被估计参数； 为状态监测数据，即样本。
[0139] S3：建立相依竞争失效动态贝叶斯网络。结合海底管道竞争失效机制，将建立的各个模型映射为静态贝叶斯网络，建立海底管道基于相依竞争失效的静态贝叶斯网络模型。确定海底管道竞争失效静态贝叶斯网络中随时间变化的节点，将海底管道相依竞争失效静态贝叶斯网络拓展成为海底管道相依竞争失效动态贝叶斯网络。
[0140] S301：突发失效模型的静态贝叶斯网络。结合海底管道突发失效模型中各变量之间的物理关系与采样次数确定条件概率表，所有自变量和因变量节点之间的关系是根据模型提供的物理公式确定的。将S2中突发生效模型中各个参数映射为贝叶斯网络中的各参数节点。通过假设相关变量服从一定概率分布来确定变量的先验概率。先验概率是从初始时刻对应于父节点的性能变量的分布获得的，随后使用离散化方法对这些相应节点进行离散化，以形成离散的先验概率。最后将得到的条件概率表和先验概率输入到静态贝叶斯网络中，建立突发失效的静态贝叶斯网络如图2所示，其中 、 、 、 、 、 、 是自变量节点或父节点，考虑突发失效模型中分布函数存在的参数不确定性问题，自变量节点 、、 、 服从一种概率分布，、、 、是因变量节点或子节点，而且 是最终输出节点，即外部冲击环境导致海底管道产生的裂缝深度值。
[0141] S302：退化失效模型的静态贝叶斯网络。将S2中海底管道退化失效模型中各个参数映射为贝叶斯网络中的各参数节点，得到的退化失效静态贝叶斯网络模型如图3所示。其中 、 、 、 、 、 、 、 、 、 是自变量节点或父节点，考虑退化失效模型中分布函数存在的参数不确定性问题，自变量节点 、 、 、 、 、 、 、 服从一种概率分布， 、 、、、 、 、 是因变量节点或子节点，而且 是最终输出节点，即海底管道到时刻为止退化失效总退化量。
[0142] S303：易化模型的静态贝叶斯网络。将S2中描述退化量对冲击强度影响的易化模型中各个参数映射为贝叶斯网络中的各参数节点，得到的易化模型静态贝叶斯网络模型如图4所示。其中 、 、是自变量节点或父节点， 、 是因变量节点或子节点，而且 是最终输出节点，即海底管道在时刻发生次冲击的概率。
[0143] S304：建立相依竞争失效静态贝叶斯网络。将退化失效模型、突发失效模型、易化模型结合 S204得到的海底管道在竞争失效模式下的可靠度，建立相依竞争失效静态贝叶斯网络如图5所示。
[0144] S305：建立相依竞争失效动态贝叶斯网络。根据转化动态贝叶斯网络时间片与时间片间的条件概率表，将S304建立的海底管道相依竞争失效静态贝叶斯网络拓展为动态贝叶斯网络，海底管道相依竞争失效动态贝叶斯网络如图6所示。表示了海底管道从时刻到时刻的信息变化。
[0145] S4：可靠性计算。通过安装在海底管道上的各个监测系统获取实时失效数据，对实时失效数据进行贝叶斯更新获得新的参数，将新参数带入到海底管道相依竞争失效模型中，得到海底管道的实时可靠度。通过对海底管道相依竞争失效过程动态贝叶斯网络进行时间扩展，以年为时间单位，可以计算从当前时刻开始数年内海底管道的可靠度变化。
[0146] S401：将各个监测系统中获取的实时失效数据进行贝叶斯更新，根据贝叶斯理论，海底管道相关参数的后验概率密度函数为：
[0147]
[0148] 其中， 表示参数 的先验概率密度函数； 表示参数 的后验概率密度函数，其中 ， 为随机变量数目；为比例常数， ; 为似然函数。
[0149] S402：将S401计算得到的海底管道相依竞争失效模型的实时参数带入图5的海底管道相依竞争失效静态贝叶斯网络中进行计算，实现海底管道实时可靠性评估。
[0150] S403：将图5所示的海底管道相依竞争失效静态贝叶斯网络以年为单位拓展成动态贝叶斯网络，海底管道相依竞争失效动态贝叶斯网络如图6所示。海底管道相依竞争失效动态贝叶斯网络里的全部节点与图5中的海底管道相依竞争失效静态贝叶斯网络一致，体现出从一个时刻到下一个时刻海底管道的可靠度变化。
