基于貝葉斯理論的海洋平臺(tái)樁靴基礎(chǔ)安裝風(fēng)險(xiǎn)控制方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明涉及海洋巖土工程領(lǐng)域，尤其涉及一種基于貝葉斯理論，對(duì)海洋平臺(tái)樁靴基礎(chǔ)的安裝建立穿刺破壞的荷載和深度預(yù)測(cè)模型，并實(shí)時(shí)更新預(yù)測(cè)結(jié)果的風(fēng)險(xiǎn)控制方法。本發(fā)明是基于貝葉斯理論，綜合考慮了砂土和粘土、樁靴基礎(chǔ)形狀等參數(shù)的不確定性以及測(cè)量誤差等因素，提出了預(yù)測(cè)穿刺破壞的新方法，對(duì)樁靴基礎(chǔ)在砂土下臥軟粘土的海床中的安裝進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)控制。本發(fā)明考慮復(fù)雜海床地質(zhì)條件，預(yù)測(cè)樁靴基礎(chǔ)在砂土下臥軟粘土的海床中可能發(fā)生穿刺破壞的荷載和深度范圍。隨著監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的增加，預(yù)測(cè)的破壞范圍不斷縮小并逼近真值，預(yù)測(cè)結(jié)果能實(shí)時(shí)更新且更加精確。本發(fā)明可以應(yīng)用于石油自升式鉆井平臺(tái)基礎(chǔ)的安裝，對(duì)于工程具有重大的意義。
【專(zhuān)利說(shuō)明】
基于貝葉斯理論的海洋平臺(tái)樁靴基礎(chǔ)安裝風(fēng)險(xiǎn)控制方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及海洋巖土工程領(lǐng)域，尤其涉及一種基于貝葉斯理論，對(duì)海洋平臺(tái)粧靴 基礎(chǔ)的安裝建立穿刺破壞的荷載和深度預(yù)測(cè)模型，并實(shí)時(shí)更新預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)控制的方 法，可應(yīng)用于海洋鉆井平臺(tái)安裝的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與控制。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著海洋石油工業(yè)的發(fā)展，各種海上可移動(dòng)式鉆井平臺(tái)活躍于世界各海域，自升 式鉆井平臺(tái)是海洋油氣勘探的主要載體之一。自升式鉆井平臺(tái)在正常作業(yè)前，要對(duì)粧靴基 礎(chǔ)施加預(yù)壓應(yīng)力，使得平臺(tái)在工作中遇到風(fēng)暴等荷載時(shí)不至破壞。鉆井平臺(tái)就位時(shí)將粧腳 下放至海底，通過(guò)船艙加載水的方式使粧腳插入海床中。在壓載期間，整個(gè)平臺(tái)的荷載經(jīng)粧 腳傳遞至地基土，當(dāng)?shù)鼗休d力等于平臺(tái)傳遞荷載時(shí)粧腳貫入停止，如果施加于粧靴基礎(chǔ) 上的應(yīng)力超過(guò)下層土的承載力時(shí)，基礎(chǔ)會(huì)發(fā)生穿刺破壞。所謂穿刺破壞，是指平臺(tái)在插粧作 業(yè)中，施加于粧靴基礎(chǔ)的應(yīng)力大于下層土體的極限承載力時(shí)，粧靴基礎(chǔ)會(huì)穿過(guò)硬土層而進(jìn) 入軟土，發(fā)生突然不受控制地快速下沉這一機(jī)制。
[0003] 當(dāng)粧靴發(fā)生快速下沉?xí)r，自升式鉆井平臺(tái)往往發(fā)生嚴(yán)重傾斜，導(dǎo)致粧腿折斷，平臺(tái) 傾覆，造成裝置損壞、人員傷亡等嚴(yán)重事故?；捬セA(chǔ)的穿刺可能發(fā)生在上硬下軟雙層粘土 中，也可能發(fā)生在上砂下粘的土層中。目前較多的成果在于雙層粘土中的風(fēng)險(xiǎn)控制，但是場(chǎng) 址調(diào)查顯示海底土層分布為砂土下臥軟粘土層也占了較大比例，而在砂土下臥軟粘土中的 研究?jī)H限于預(yù)測(cè)一個(gè)確定的穿刺破壞點(diǎn)，沒(méi)有考慮海床地質(zhì)條件的復(fù)雜性。海床中土層分 布復(fù)雜，而海底土質(zhì)勘探時(shí)鉆孔數(shù)量可能較少，不能完全反應(yīng)出土體特性的空間變化。因 此，對(duì)粧靴基礎(chǔ)的穿刺破壞進(jìn)行預(yù)測(cè)并且利用監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)預(yù)測(cè)的穿刺點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)更新對(duì)實(shí) 際工程有重大意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷或不足，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是：提供一種考 慮復(fù)雜海床地質(zhì)條件進(jìn)行海洋平臺(tái)粧靴基礎(chǔ)在安裝過(guò)程中風(fēng)險(xiǎn)控制的方法，實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)粧靴 基礎(chǔ)在砂土下臥軟粘土的海床中發(fā)生穿刺破壞的荷載和深度范圍，并且預(yù)測(cè)結(jié)果能隨監(jiān)測(cè) 數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)更新，預(yù)測(cè)范圍不斷縮小，提高預(yù)測(cè)精度。
[0005] 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案為提供一種基于貝葉斯理論的海洋平 臺(tái)粧靴基礎(chǔ)安裝風(fēng)險(xiǎn)控制方法，包括以下步驟：
[0006] (1)獲得預(yù)測(cè)粧靴基礎(chǔ)穿刺破壞應(yīng)力及深度需要用到的參數(shù)，包括粧靴基礎(chǔ)的形 狀參數(shù)，砂土參數(shù)，粘土參數(shù)；
[0007] (2)分析砂土下臥軟粘土海床中的不確定性影響因素，確定粧靴基礎(chǔ)發(fā)生穿刺破 壞時(shí)的荷載計(jì)算模型與粧靴基礎(chǔ)插入深度計(jì)算模型；
[0008] (3)根據(jù)步驟(2)的荷載計(jì)算模型與插入深度計(jì)算模型，計(jì)算粧靴基礎(chǔ)可能發(fā)生穿 刺破壞的荷載值和深度值，以及邊緣概率和先驗(yàn)概率，確定初級(jí)預(yù)壓荷載值；
[0009] (4)分析砂土下臥軟粘土海床中的不確定性影響因素，確定粧靴基礎(chǔ)在砂土中的 荷載-沉降曲線模型；
[0010] (5)獲取粧靴安裝基礎(chǔ)過(guò)程中的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)應(yīng)力與深度值，根據(jù)步驟(2)中得到的先 驗(yàn)概率，結(jié)合粧靴安裝基礎(chǔ)實(shí)際安裝的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與步驟(4)中的荷載-沉降曲線模型，假設(shè) 當(dāng)穿刺破壞發(fā)生在某一應(yīng)力與深度范圍時(shí)，計(jì)算監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與荷載-沉降模型的吻合程度，即 似然概率；
[0011] (6)結(jié)合步驟(3)得到的先驗(yàn)概率和步驟(5)中的似然概率，根據(jù)貝葉斯理論，計(jì)算 粧靴基礎(chǔ)穿刺應(yīng)力與穿刺深度的后驗(yàn)概率；
[0012] (7)從步驟(6)后驗(yàn)概率的分布圖中，確定最可能發(fā)生穿刺破壞的荷載值和深度 值，以及初級(jí)預(yù)壓荷載；
[0013] (8)對(duì)步驟(5)到步驟(7)進(jìn)行循環(huán)，預(yù)壓荷載以1/6倍最可能的穿刺破壞荷載為增 量施加下一級(jí)預(yù)壓荷載，直至后驗(yàn)概率中最可能發(fā)生破壞的荷載與下一級(jí)預(yù)壓荷載之比小 于1.2時(shí)停止預(yù)壓。
[00?4]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述步驟(6)中的貝葉斯理論，其表達(dá)式是：
[0016]其中，事件^，如，知，一，4"是將樣本空間〇分割為1!個(gè)樣本，兩兩互不相容;8是任 意事件，P(A〇是事件Μ發(fā)生的概率，Ρω?ΑΟ是條件概率，將貝葉斯定理引入實(shí)際問(wèn)題后，具 體的表達(dá)式是：
[0018] 其中，P(qpi，d")稱(chēng)為先驗(yàn)概率，表示粧靴基礎(chǔ)在點(diǎn)（qpi，d")處發(fā)生穿刺的概率， qP4Pdw分別是由峰值應(yīng)力計(jì)算模型與深度計(jì)算模型計(jì)算得到的第i個(gè)可能的穿刺荷載和 第j個(gè)穿刺深度;上式中分子的另一項(xiàng)P〈 qMn，cUn | qpi，dpj〉稱(chēng)為似然概率，表示當(dāng)粧靴基礎(chǔ) 穿刺破壞發(fā)生在預(yù)測(cè)的應(yīng)力q pi與深度d"處時(shí)，預(yù)測(cè)結(jié)果與監(jiān)測(cè)到的應(yīng)力值qMn和沉降值 dmon相吻合的概率;分母的計(jì)算結(jié)果是監(jiān)測(cè)值qmon，dmon發(fā)生的概率;等式左側(cè)P〈 qPi，dpj | qmon， d_〉是后驗(yàn)概率，其含義是監(jiān)測(cè)到應(yīng)力和深度(1_，(1_時(shí)，穿刺發(fā)生在預(yù)測(cè)的荷載與深度處 的概率。
[0019] 作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述不確定性因素包括砂土的參數(shù)，粧靴基礎(chǔ)的形狀 參數(shù)，粘土參數(shù)以及測(cè)量誤差。
[0020] 作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述步驟(2)的峰值荷載模型與深度模型的模型參數(shù) 的擬合，采用馬爾科夫鏈蒙特卡羅MCMC模擬方法，從初始的分布著手，結(jié)合接受準(zhǔn)則產(chǎn)生一 條足夠數(shù)量的馬爾科夫鏈，并剔除掉前面一定數(shù)量的樣本，使得馬爾科夫鏈后面的樣本服 從其真實(shí)的分布，并計(jì)算其分布參數(shù)。
[0021] 作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述步驟(5)中應(yīng)力與深度的聯(lián)合概率分布是各自邊 緣分布的乘積：
[0022] P(qpi，dPj)=P(qPi) · P(dPj)
[0023] 其中，P(qpi，d")是聯(lián)合概率，P(qpi)是預(yù)測(cè)的峰值應(yīng)力qpi發(fā)生的概率，d"是在預(yù) 測(cè)深度發(fā)生穿刺的概率，此式中是假定粧靴基礎(chǔ)的應(yīng)力與沉降是兩個(gè)互相獨(dú)立的隨機(jī)變 量。
[0024] 作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，對(duì)于所述步驟(5)似然概率的計(jì)算，采用的方法是先根 據(jù)擬合的荷載-沉降曲線模型，結(jié)合先驗(yàn)概率及監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，計(jì)算當(dāng)穿刺發(fā)生在某一應(yīng)力與深 度范圍時(shí)，計(jì)算粧靴基礎(chǔ)插入深度，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與荷載-沉降模型的吻合程度，即深度預(yù)測(cè)值 與監(jiān)測(cè)深度是否吻合，通過(guò)以下公式來(lái)判斷；
[0025] Δ dmax = c · dmon * COVdm
[0026] dpred-dmon | ^ Δ dmax
[0027] 監(jiān)測(cè)點(diǎn)的個(gè)數(shù)增加時(shí)，采用最新的監(jiān)測(cè)點(diǎn)來(lái)計(jì)算似然概率;荷載-沉降曲線模型如 下：
[0029]其中，dpred是貫入深度預(yù)測(cè)值，qMn是安裝過(guò)程中實(shí)際監(jiān)測(cè)到的應(yīng)力值q pi，d"分別 是預(yù)測(cè)的穿刺應(yīng)力及深度，ξ是中間參數(shù)，ξ = 〇.515 · Id · eld，其中參數(shù)eld是模型參數(shù)，服從 Beta分布，可由馬爾科夫鏈蒙特卡洛MCMC模擬參數(shù)的分布從而產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)，Id是砂土的相 對(duì)密實(shí)度。
[0030] 作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，如果判斷深度預(yù)測(cè)值與監(jiān)測(cè)深度滿(mǎn)足條件，就將使得 某一監(jiān)測(cè)值和穿刺破壞深度預(yù)測(cè)值滿(mǎn)足條件的模型參數(shù)計(jì)入頻數(shù);如果不吻合，則不計(jì)入 頻數(shù)。統(tǒng)計(jì)所有使得監(jiān)測(cè)值和穿刺破壞深度預(yù)測(cè)值滿(mǎn)足條件的模型參數(shù)的頻數(shù)，并計(jì)算其 與模型參數(shù)的總數(shù)之比，作為似然概率估計(jì)值。
[0031] 作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述步驟(7)計(jì)算后驗(yàn)概率時(shí)，隨著監(jiān)測(cè)點(diǎn)的不斷增 加，后驗(yàn)概率能實(shí)時(shí)更新，實(shí)現(xiàn)概率更新的措施是將前一點(diǎn)的后驗(yàn)概率作為當(dāng)前點(diǎn)的先驗(yàn) 概率。
[0032] 作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，對(duì)粧靴基礎(chǔ)的安裝的風(fēng)險(xiǎn)控制，計(jì)算的范圍是在砂土 厚度與粧靴直徑之比滿(mǎn)足
，其中Hs是砂土厚度，D是粧靴直徑。
[0033]本發(fā)明的有益效果是:本發(fā)明是基于貝葉斯理論，綜合考慮了砂土和粘土、粧靴基 礎(chǔ)形狀等參數(shù)的不確定性以及測(cè)量誤差因素，提出了預(yù)測(cè)穿刺破壞的新方法，對(duì)粧靴基礎(chǔ) 在砂土下臥軟粘土的海床中的安裝進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)控制。與現(xiàn)有的基礎(chǔ)安裝的風(fēng)險(xiǎn)控制技術(shù)相 比，本發(fā)明考慮復(fù)雜海床地質(zhì)條件，預(yù)測(cè)粧靴基礎(chǔ)在砂土下臥軟粘土的海床中可能發(fā)生穿 刺破壞的荷載和深度范圍。隨著監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的增加，預(yù)測(cè)的破壞范圍不斷縮小并逼近真值，預(yù) 測(cè)結(jié)果能實(shí)時(shí)更新且更加精確。本發(fā)明可以應(yīng)用于海洋自升式鉆井平臺(tái)基礎(chǔ)的安裝，對(duì)于 工程具有重大的意義。
【附圖說(shuō)明】
[0034]圖1為粧靴基礎(chǔ)在砂土下伏粘土中的貫入示意圖；
[0035]圖2為粧靴基礎(chǔ)穿刺破壞示意圖；
[0036]圖3為粧靴基礎(chǔ)穿刺預(yù)測(cè)及概率更新流程圖；
[0037] 圖4為似然概率計(jì)算流程圖；
[0038] 圖5為算例的基礎(chǔ)穿刺先驗(yàn)概率分布圖；
[0039] 圖6為算例第一組監(jiān)測(cè)點(diǎn)的似然概率分布圖；
[0040] 圖7為算例基于一組監(jiān)測(cè)點(diǎn)的后驗(yàn)概率分布圖；
[0041 ]圖8為算例第五組監(jiān)測(cè)點(diǎn)的似然概率分布圖；
[0042]圖9為算例基于五組監(jiān)測(cè)點(diǎn)的后驗(yàn)概率分布圖。
【具體實(shí)施方式】
[0043]下面結(jié)合【附圖說(shuō)明】及【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說(shuō)明。
[0044]如圖1所示，本發(fā)明提供一種基于貝葉斯理論的海洋平臺(tái)粧靴基礎(chǔ)安裝風(fēng)險(xiǎn)控制 方法，包括以下步驟：
[0045] (1)獲得預(yù)測(cè)粧靴基礎(chǔ)穿刺破壞應(yīng)力及深度需要用到的參數(shù)，包括粧靴基礎(chǔ)的形 狀參數(shù)，砂土參數(shù)，粘土參數(shù)；
[0046] (2)分析砂土下臥軟粘土海床中的不確定性影響因素，確定粧靴基礎(chǔ)發(fā)生穿刺破 壞時(shí)的荷載計(jì)算模型與粧靴基礎(chǔ)插入深度計(jì)算模型；
[0047] (3)根據(jù)步驟(2)的荷載計(jì)算模型與插入深度計(jì)算模型，計(jì)算粧靴基礎(chǔ)可能發(fā)生穿 刺破壞的荷載值和深度值，以及邊緣概率和先驗(yàn)概率，確定初級(jí)預(yù)壓荷載值；
[0048] (4)分析砂土下臥軟粘土海床中的不確定性影響因素，確定粧靴基礎(chǔ)在砂土中的 荷載-沉降曲線模型；
[0049] (5)獲取粧靴安裝基礎(chǔ)過(guò)程中的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)應(yīng)力與深度值，根據(jù)步驟(2)中得到的先 驗(yàn)概率，結(jié)合粧靴安裝基礎(chǔ)實(shí)際安裝的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與步驟(4)中的荷載-沉降曲線模型，假設(shè) 當(dāng)穿刺破壞發(fā)生在某一應(yīng)力與深度范圍時(shí)，計(jì)算監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與荷載-沉降模型的吻合程度，即 似然概率；
[0050] (6)結(jié)合步驟(3)得到的先驗(yàn)概率和步驟(5)中的似然概率，根據(jù)貝葉斯理論，計(jì)算 粧靴基礎(chǔ)穿刺應(yīng)力與穿刺深度的后驗(yàn)概率；
[0051] (7)從步驟(6)后驗(yàn)概率的分布圖中，確定最可能發(fā)生穿刺破壞的荷載值和深度 值，以及初級(jí)預(yù)壓荷載；
[0052] (8)對(duì)步驟(5)到步驟(7)進(jìn)行循環(huán)，預(yù)壓荷載以1/6倍最可能的穿刺破壞荷載為增 量施加下一級(jí)預(yù)壓荷載，直至后驗(yàn)概率中最可能發(fā)生破壞的荷載與下一級(jí)預(yù)壓荷載之比小 于1.2時(shí)停止預(yù)壓。
[0053]該安裝風(fēng)險(xiǎn)控制方法是在砂土下臥軟粘土的海床中，對(duì)粧靴基礎(chǔ)的安裝進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn) 控制。
[0054]所述步驟(6)中的貝葉斯理論，其表達(dá)式是：
[0056]其中，事件'知，知，...，An是將樣本空間Ω分割為n個(gè)樣本，兩兩互不相容;B是任 意事件，Ρ(Α〇是事件Μ發(fā)生的概率，PUlAO是條件概率，將貝葉斯定理引入實(shí)際問(wèn)題后，具 體的表達(dá)式是：
[0058] 其中，P(qpi，d")稱(chēng)為先驗(yàn)概率，表示粧靴基礎(chǔ)在點(diǎn)（qpi，d")處發(fā)生穿刺的概率， qP4Pdw分別是由峰值應(yīng)力計(jì)算模型與深度計(jì)算模型計(jì)算得到的第i個(gè)可能的穿刺荷載和 第j個(gè)穿刺深度;上式中分子的另一項(xiàng)P〈 qMn，cUn | qpi，dpj〉稱(chēng)為似然概率，表示當(dāng)粧靴基礎(chǔ) 穿刺破壞發(fā)生在預(yù)測(cè)的應(yīng)力(q pi)與深度(d")處時(shí)，預(yù)測(cè)結(jié)果與監(jiān)測(cè)到的應(yīng)力值(q_)和沉 降值(cUn)相吻合的概率;分母的計(jì)算結(jié)果是監(jiān)測(cè)值((^，^發(fā)生的概率潯式左側(cè)？^… dp j | qmcm，dmcm〉是后驗(yàn)概率，其含義是監(jiān)測(cè)到應(yīng)力和深度(qmcm，dmcm )時(shí)，穿刺發(fā)生在預(yù)測(cè)的應(yīng) 力與深度處的概率。
[0059] 所述不確定性因素包括砂土的參數(shù)，粧靴基礎(chǔ)的形狀參數(shù)，粘土參數(shù)以及測(cè)量誤 差。
[0060] 所述步驟(2)的峰值荷載模型與深度模型的模型參數(shù)的擬合，采用馬爾科夫鏈蒙 特卡羅MCMC模擬方法，從初始的分布著手，結(jié)合接受準(zhǔn)則產(chǎn)生一條足夠數(shù)量的Markov鏈，并 剔除掉前面一定數(shù)量的樣本，使得Markov鏈后面的樣本服從其真實(shí)的分布，并計(jì)算其分布 參數(shù)。
[0061] 所述步驟(5)中應(yīng)力與深度的聯(lián)合概率分布是各自邊緣分布的乘積：
[0062] P(qpi，dPj)=P(qPi) · P(dPj)
[0063 ]其中，P (qpi，dP j)是聯(lián)合概率，P (qpi)是預(yù)測(cè)的峰值應(yīng)力qpi發(fā)生的概率，P (dP j)是在 預(yù)測(cè)深度(1"發(fā)生穿刺的概率，此式中是假定粧靴基礎(chǔ)的應(yīng)力與沉降是兩個(gè)互相獨(dú)立的隨機(jī) 變量。
[0064] 對(duì)于所述步驟(5)似然概率的計(jì)算，采用的方法是先根據(jù)擬合的荷載-沉降曲線模 型，結(jié)合先驗(yàn)概率及監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，計(jì)算當(dāng)穿刺發(fā)生在某一應(yīng)力與深度范圍時(shí)，計(jì)算粧靴基礎(chǔ)插 入深度，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與荷載-沉降模型的吻合程度，即深度預(yù)測(cè)值與監(jiān)測(cè)深度是否吻合，通過(guò) 以下公式來(lái)判斷；
[0065] Δ dmax = c · dmon * COVdm
[0066] I dpred_dmon I S A dmax
[0067] 監(jiān)測(cè)點(diǎn)的個(gè)數(shù)增加時(shí)，采用最新的監(jiān)測(cè)點(diǎn)來(lái)計(jì)算似然概率;荷載-沉降曲線模型如 下：
[0069]其中，cUd是貫入深度預(yù)測(cè)值，q_是安裝過(guò)程中實(shí)際監(jiān)測(cè)到的應(yīng)力值qpi，d"分別 是預(yù)測(cè)的穿刺應(yīng)力及深度，ξ是中間參數(shù)，ξ = 〇.515 · Id · eld，其中參數(shù)eld是模型參數(shù)，服從 Beta分布，可由馬爾科夫鏈蒙特卡洛MCMC模擬參數(shù)的分布從而產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)，Id是砂土的相 對(duì)密實(shí)度。
[0070]如果判斷深度預(yù)測(cè)值與監(jiān)測(cè)深度滿(mǎn)足條件，就將使得某一監(jiān)測(cè)值和穿刺破壞深度 預(yù)測(cè)值滿(mǎn)足條件的模型參數(shù)計(jì)入頻數(shù);如果不吻合，則不計(jì)入頻數(shù)。統(tǒng)計(jì)所有使得監(jiān)測(cè)值和 穿刺破壞深度預(yù)測(cè)值滿(mǎn)足條件的模型參數(shù)的頻數(shù)，并計(jì)算其與模型參數(shù)的總數(shù)之比，作為 似然概率估計(jì)值。
[0071] 所述步驟(7)計(jì)算后驗(yàn)概率時(shí)，隨著監(jiān)測(cè)點(diǎn)的不斷增加，實(shí)時(shí)更新后驗(yàn)概率的措施 是，將前一點(diǎn)的后驗(yàn)概率作為當(dāng)前點(diǎn)的先驗(yàn)概率。
[0072] 對(duì)粧靴基礎(chǔ)的安裝風(fēng)險(xiǎn)控制，計(jì)算的范圍是在 之間，其中Hs是砂 土厚度，D是粧靴直徑。
[0073] 實(shí)例：
[0074] 在本實(shí)例中，基于貝葉斯理論的海洋平臺(tái)粧靴基礎(chǔ)安裝風(fēng)險(xiǎn)控制方法的示意圖與 流程圖如圖1至圖4所示。本實(shí)例選自一組模型試驗(yàn)。粧靴基礎(chǔ)的參數(shù)和土體的參數(shù)如表1所 示，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如表2所示。
[0075] 表1實(shí)例參數(shù)表
[0076]
[0077] 表2監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)(加載)表
[0079] 首先，依據(jù)粧靴基礎(chǔ)發(fā)生穿刺破壞的荷載和深度的計(jì)算模型計(jì)算可能破壞的荷載 和深度值，以及邊緣概率和先驗(yàn)概率。其次，確定基礎(chǔ)在砂土中的荷載-沉降曲線模型。結(jié)合 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和先驗(yàn)概率，每一組監(jiān)測(cè)點(diǎn)和預(yù)測(cè)點(diǎn)，對(duì)深度預(yù)測(cè)值和深度監(jiān)測(cè)值之間的差值給 定一個(gè)滿(mǎn)足條件。對(duì)于每一組監(jiān)測(cè)點(diǎn)和預(yù)測(cè)點(diǎn)，計(jì)算似然概率。最后，利用貝葉斯理論，由得 到的先驗(yàn)概率和似然概率值計(jì)算后驗(yàn)概率。計(jì)算當(dāng)前監(jiān)測(cè)點(diǎn)的后驗(yàn)概率時(shí)，采用前一點(diǎn)的 后驗(yàn)概率作為當(dāng)前點(diǎn)的先驗(yàn)概率，從而實(shí)現(xiàn)峰值應(yīng)力和深度預(yù)測(cè)結(jié)果的更新，從后驗(yàn)概率 的分布中得到概率最大的荷載和深度值，確定下一級(jí)粧靴基礎(chǔ)預(yù)壓荷載的大小。
[0080] 下面給出實(shí)際算例來(lái)體現(xiàn)本發(fā)明的基于貝葉斯理論的海洋平臺(tái)粧靴基礎(chǔ)安裝風(fēng) 險(xiǎn)控制方法的計(jì)算過(guò)程。
[0081] (1)根據(jù)粧靴基礎(chǔ)的峰值應(yīng)力和深度的計(jì)算模型。計(jì)算出粧靴基礎(chǔ)可能發(fā)生穿刺 破壞的荷載和深度的先驗(yàn)概率。圖5所示為先驗(yàn)概率分布圖，圖中每一個(gè)點(diǎn)表示基礎(chǔ)穿刺破 壞的預(yù)測(cè)點(diǎn)，每一條曲線上的點(diǎn)概率相等。
[0082] (2)從先驗(yàn)概率分布圖中可以看出，最可能發(fā)生穿刺破壞的點(diǎn)是（663 . 13kPa， 0.566m)，依據(jù)這一荷載值，確定第一級(jí)預(yù)壓荷載。
[0083] (3)確定粧靴基礎(chǔ)在砂土中的荷載-沉降曲線模型。利用荷載-沉降曲線模型參數(shù) 的分布，生成一定數(shù)量的隨機(jī)數(shù)。按照?qǐng)D4計(jì)算似然概率的計(jì)算流程，結(jié)合基礎(chǔ)穿刺破壞荷 載和穿刺深度預(yù)測(cè)值及先驗(yàn)概率，計(jì)算每一組監(jiān)測(cè)應(yīng)力和預(yù)測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的計(jì)算深度。
[0084] 對(duì)計(jì)算深度與實(shí)測(cè)深度給定一個(gè)滿(mǎn)足條件，計(jì)算似然概率。圖6是粧靴基礎(chǔ)在利用 第一組監(jiān)測(cè)點(diǎn)時(shí)的似然概率分布圖，圖8為利用六組監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的基礎(chǔ)似然概率分布圖。
[0085] (4)根據(jù)貝葉斯理論，利用先驗(yàn)概率和似然概率，計(jì)算后驗(yàn)概率值。當(dāng)前點(diǎn)的先驗(yàn) 概率取前一點(diǎn)的后驗(yàn)概率，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)結(jié)果的更新。引入的點(diǎn)越多且監(jiān)測(cè)點(diǎn)與計(jì)算模 型吻合的越好，更新預(yù)測(cè)結(jié)果越精確。圖7是基于一組監(jiān)測(cè)點(diǎn)的后驗(yàn)概率分布圖，圖9是基于 六組監(jiān)測(cè)點(diǎn)的后驗(yàn)概率分布圖，同一線上的點(diǎn)表示發(fā)生穿刺破壞的概率相等。
[0086] (5)從后驗(yàn)概率分布圖中，確定最可能發(fā)生穿刺破壞的荷載和深度，以1/6的該荷 載值作為基礎(chǔ)下一級(jí)預(yù)壓荷載值的增量。
[0087] (6)循環(huán)步驟(3)到步驟(5)，直至后驗(yàn)概率中最可能發(fā)生破壞的荷載與下一級(jí)預(yù) 壓荷載之比小于1.2時(shí)停止對(duì)粧靴基礎(chǔ)的預(yù)壓。
[0088] 從先驗(yàn)概率分布圖中可以看出，最可能發(fā)生穿刺的點(diǎn)是(663.16kPa，0.566m)，而 弓丨入一組監(jiān)測(cè)點(diǎn)后，最可能發(fā)生穿刺的在(663.16kPa，0.379m)，當(dāng)引入第五組監(jiān)測(cè)點(diǎn)后，最 可能穿刺的點(diǎn)是(651.161^ &，0.599111)，得到下一級(jí)的預(yù)壓荷載為668.501^&，隨著五組監(jiān)測(cè) 數(shù)據(jù)的更新后，最可能發(fā)生穿刺的點(diǎn)是(651.16kPa，0.599m)，此時(shí)最可能的荷載與預(yù)壓荷 載之比小于1.2，因此應(yīng)該停止對(duì)粧靴基礎(chǔ)施加預(yù)壓荷載。與實(shí)際值(703.00kPa，0.730m)相 比非常接近。而且，確定性分析的結(jié)果是（786.35kPa，0.840m)，其應(yīng)力值大于實(shí)測(cè)值 11.8%，若按照確定性分析的結(jié)果對(duì)基礎(chǔ)加載，基礎(chǔ)會(huì)發(fā)生穿刺，引發(fā)工程事故。
[0089]表3算例采用監(jiān)測(cè)點(diǎn)預(yù)測(cè)更新計(jì)算結(jié)果
[0091] 注:表中失效概率Pf表示后驗(yàn)概率分布圖中，所有預(yù)測(cè)峰值應(yīng)力小于預(yù)加荷載的 點(diǎn)的概率和P ( qpeak〈qpreload )。
[0092] 以上內(nèi)容是結(jié)合具體的優(yōu)選實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明所作的進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，不能認(rèn)定 本發(fā)明的具體實(shí)施只局限于這些說(shuō)明。對(duì)于本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在 不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干簡(jiǎn)單推演或替換，都應(yīng)當(dāng)視為屬于本發(fā)明的 保護(hù)范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于貝葉斯理論的海洋平臺(tái)粧靴基礎(chǔ)安裝風(fēng)險(xiǎn)控制方法，其特征在于： 包括以下步驟： (1) 獲得預(yù)測(cè)粧靴基礎(chǔ)穿刺破壞應(yīng)力及深度需要用到的參數(shù)，包括粧靴基礎(chǔ)的形狀參 數(shù)，砂土參數(shù)，粘土參數(shù)； (2) 分析砂土下臥軟粘土海床中的不確定性影響因素，確定粧靴基礎(chǔ)發(fā)生穿刺破壞時(shí) 的荷載計(jì)算模型與粧靴基礎(chǔ)插入深度計(jì)算模型； (3) 根據(jù)步驟(2)的荷載計(jì)算模型與插入深度計(jì)算模型，計(jì)算粧靴基礎(chǔ)可能發(fā)生穿刺破 壞的荷載值和深度值，以及邊緣概率和先驗(yàn)概率，確定初級(jí)預(yù)壓荷載值； (4) 分析砂土下臥軟粘土海床中的不確定性影響因素，確定粧靴基礎(chǔ)在砂土中的荷載-沉降曲線模型； (5) 獲取粧靴安裝基礎(chǔ)過(guò)程中的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)應(yīng)力與深度值，根據(jù)步驟(2)中得到的先驗(yàn)概 率，結(jié)合粧靴安裝基礎(chǔ)實(shí)際安裝的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與步驟(4)中的荷載-沉降曲線模型，假設(shè)當(dāng)穿 刺破壞發(fā)生在某一應(yīng)力與深度范圍時(shí)，計(jì)算監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與荷載-沉降模型的吻合程度，即似然 概率； (6) 結(jié)合步驟(3)得到的先驗(yàn)概率和步驟(5)中的似然概率，根據(jù)貝葉斯理論，計(jì)算粧靴 基礎(chǔ)穿刺應(yīng)力與穿刺深度的后驗(yàn)概率； (7) 從步驟(6)后驗(yàn)概率的分布圖中，確定最可能發(fā)生穿刺破壞的荷載值和深度值，以 及初級(jí)預(yù)壓荷載； (8) 對(duì)步驟(5)到步驟(7)進(jìn)行循環(huán)，預(yù)壓荷載以1/6倍最可能的穿刺破壞荷載為增量施 加下一級(jí)預(yù)壓荷載，直至后驗(yàn)概率中最可能發(fā)生破壞的荷載與下一級(jí)預(yù)壓荷載之比小于 1.2時(shí)停止預(yù)壓。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于貝葉斯理論的海洋平臺(tái)粧靴基礎(chǔ)安裝風(fēng)險(xiǎn)控制方法，其 特征在于:所述步驟(6)中的貝葉斯理論，其表達(dá)式是：其中，事件Ai，A2，A3，…，An是將樣本空間Ω分割為n個(gè)樣本，兩兩互不相容； Β是任意事件，Ρ(Α〇是事件Ai發(fā)生的概率，PUlAO是條件概率，將貝葉斯定理引入實(shí)際 問(wèn)題后，具體的表達(dá)式是： 1 >./其中，P(qpi，dw)稱(chēng)為先驗(yàn)概率，表示粧靴基礎(chǔ)在點(diǎn)（qpi，d w)處發(fā)生穿刺的概率，qpi和 dPJ分別是由峰值應(yīng)力計(jì)算模型與深度計(jì)算模型計(jì)算得到的第i個(gè)可能的穿刺荷載和第j個(gè) 穿刺深度;上式中分子的另一項(xiàng)P〈q Mn，cUn | qpi，dpj>稱(chēng)為似然概率，表示當(dāng)粧靴基礎(chǔ)穿刺破 壞發(fā)生在預(yù)測(cè)的應(yīng)力q pi與深度心處時(shí)，預(yù)測(cè)結(jié)果與監(jiān)測(cè)到的應(yīng)力值q_和沉降值d_相吻 合的概率;分母的計(jì)算結(jié)果是監(jiān)測(cè)值qmon，dmon發(fā)生的概率;等式左側(cè)P〈q Pi，dp j | qmon，dmon〉是 后驗(yàn)概率，其含義是監(jiān)測(cè)到應(yīng)力和深度qm。n，dm。 n時(shí)，穿刺發(fā)生在預(yù)測(cè)的荷載與深度處的概 率。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于貝葉斯理論的海洋平臺(tái)粧靴基礎(chǔ)安裝風(fēng)險(xiǎn)控制方法，其 特征在于:所述不確定性因素包括砂土的參數(shù)，粧靴基礎(chǔ)的形狀參數(shù)，粘土的參數(shù)以及測(cè)量 誤差。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于貝葉斯理論的海洋平臺(tái)粧靴基礎(chǔ)安裝風(fēng)險(xiǎn)控制方法，其 特征在于:所述步驟(2)的峰值荷載模型與深度模型的模型參數(shù)的擬合，采用馬爾科夫鏈蒙 特卡羅MCMC模擬方法，從初始的分布著手，結(jié)合接受準(zhǔn)則產(chǎn)生一條足夠數(shù)量的Markov鏈，并 剔除掉前面一定數(shù)量的樣本，使得Markov鏈后面的樣本服從其真實(shí)的分布，并計(jì)算其分布 參數(shù)。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于貝葉斯理論的海洋平臺(tái)粧靴基礎(chǔ)安裝風(fēng)險(xiǎn)控制方法，其 特征在于:所述步驟(5)中應(yīng)力與深度的聯(lián)合概率分布是各自邊緣分布的乘積： P(qpi,dpj) =P(qpi) · P(dpj) 其中，P(qpi，(^)是聯(lián)合概率，P(qpi)是預(yù)測(cè)的峰值應(yīng)力qpi發(fā)生的概率，P(d w)是在預(yù)測(cè) 深度d"發(fā)生穿刺的概率，此式中是假定粧靴基礎(chǔ)的應(yīng)力與沉降是兩個(gè)互相獨(dú)立的隨機(jī)變 量。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于貝葉斯理論的海洋平臺(tái)粧靴基礎(chǔ)安裝風(fēng)險(xiǎn)控制方法，其 特征在于:對(duì)于所述步驟(5)似然概率的計(jì)算，采用的方法是先根據(jù)擬合的荷載-沉降曲線 模型，結(jié)合先驗(yàn)概率及監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，計(jì)算當(dāng)穿刺發(fā)生在某一應(yīng)力與深度范圍時(shí)，計(jì)算粧靴基礎(chǔ) 插入深度，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與荷載-沉降模型的吻合程度，即深度預(yù)測(cè)值與監(jiān)測(cè)深度是否吻合，通 過(guò)以下公式來(lái)判斷； A dmax= C · dmon · COVdm dpred-dmon I S A dmax 其中AcUx是誤差限值，0^<^是監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的變異系數(shù)，參數(shù)c是限值參數(shù)，用來(lái)定義誤差 限值;監(jiān)測(cè)點(diǎn)的個(gè)數(shù)增加時(shí)，采用最新的監(jiān)測(cè)點(diǎn)來(lái)計(jì)算似然概率;荷載-沉降曲線模型如下：其中，cUd是貫入深度預(yù)測(cè)值，q_是安裝過(guò)程中實(shí)際監(jiān)測(cè)到的應(yīng)力值qpi，d"分別是預(yù) 測(cè)的穿刺應(yīng)力及深度，ξ是中間參數(shù)，ξ = 〇.515 · Id · eld，其中參數(shù)eld是模型參數(shù)，服從Beta 分布，可由馬爾科夫鏈蒙特卡洛MCMC模擬參數(shù)的分布從而產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)，Id是砂土的相對(duì)密 實(shí)度。7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于貝葉斯理論的海洋平臺(tái)粧靴基礎(chǔ)安裝風(fēng)險(xiǎn)控制方法，其 特征在于:如果判斷深度預(yù)測(cè)值與監(jiān)測(cè)深度滿(mǎn)足條件，就將使得某一監(jiān)測(cè)值和穿刺破壞深 度預(yù)測(cè)值滿(mǎn)足條件的模型參數(shù)計(jì)入頻數(shù);如果不吻合，則不計(jì)入頻數(shù);統(tǒng)計(jì)所有使得監(jiān)測(cè)值 和穿刺破壞深度預(yù)測(cè)值滿(mǎn)足條件的模型參數(shù)的頻數(shù)，并計(jì)算其與模型參數(shù)的總數(shù)之比，作 為似然概率估計(jì)值。8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于貝葉斯理論的海洋平臺(tái)粧靴基礎(chǔ)安裝風(fēng)險(xiǎn)控制方法，其 特征在于:所述步驟(7)計(jì)算后驗(yàn)概率時(shí)，隨著監(jiān)測(cè)點(diǎn)的不斷增加，后驗(yàn)概率能實(shí)時(shí)更新，而 實(shí)現(xiàn)概率更新的措施是將前一點(diǎn)的后驗(yàn)概率作為當(dāng)前點(diǎn)的先驗(yàn)概率。9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于貝葉斯理論的海洋平臺(tái)粧靴基礎(chǔ)安裝風(fēng)險(xiǎn)控制方法，其 特征在于:對(duì)粧靴基礎(chǔ)的安裝風(fēng)險(xiǎn)控制，計(jì)算的范圍是在0.16 <·^< 1.12之間，其中&是 砂土厚度，D是粧靴直徑。
【文檔編號(hào)】G06Q50/02GK105868481SQ201610209229
【公開(kāi)日】2016年8月17日
【申請(qǐng)日】2016年4月6日
【發(fā)明人】李錦輝, 黃婷, 陳銳, 劉堅(jiān)
【申請(qǐng)人】哈爾濱工業(yè)大學(xué)深圳研究生院