基于改進(jìn)卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的油井動(dòng)液面監(jiān)測(cè)系統(tǒng)故障診斷

馮寧，張乃祿

1.西安石油大學(xué) 電子工程學(xué)院（陜西 西安 710065）2.陜西省油氣井測(cè)控技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（陜西 西安 710065）

0 引言

油井動(dòng)液面監(jiān)測(cè)系統(tǒng)為獲得實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，長(zhǎng)期運(yùn)行，會(huì)導(dǎo)致元器件故障，采集的動(dòng)液面波形圖出現(xiàn)異常。因此，對(duì)油井動(dòng)液面監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的故障診斷是必不可少的一項(xiàng)工作。王麗華等[1]采集電機(jī)故障信號(hào)作為卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入，進(jìn)行電機(jī)的故障診斷，杜小磊等[2]應(yīng)用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)軸承進(jìn)行故障診斷，但油井動(dòng)液面監(jiān)測(cè)系統(tǒng)故障診斷報(bào)道較少。

針對(duì)油井動(dòng)液面監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的故障特點(diǎn)，分析系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中的動(dòng)液面波形圖，提出基于改進(jìn)卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的故障診斷模型。采用全局平均池化技術(shù)代替全連接層對(duì)傳統(tǒng)卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行改進(jìn)，采集系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中不同故障下的動(dòng)液面波形圖作為模型輸入進(jìn)行仿真訓(xùn)練，實(shí)現(xiàn)對(duì)油井動(dòng)液面監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的故障診斷，保證系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行。

1 油井動(dòng)液面監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與故障分析

1.1 油井動(dòng)液面監(jiān)測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成及故障特點(diǎn)分析

油井動(dòng)液面監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)傳輸層及動(dòng)液面監(jiān)測(cè)中心構(gòu)成。數(shù)據(jù)采集層包括井口監(jiān)測(cè)裝置和控制柜，井口監(jiān)測(cè)裝置由12V/24V電磁閥、微音器、壓力傳感器、儲(chǔ)氣罐組成，控制柜由氣泵、開(kāi)關(guān)電源等組成；數(shù)據(jù)傳輸層采用GPRS/WIFI無(wú)線(xiàn)傳輸；動(dòng)液面監(jiān)測(cè)中心包括服務(wù)器、監(jiān)控主機(jī)及遠(yuǎn)程客戶(hù)端。系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。

圖1 油井動(dòng)液面監(jiān)測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成

1.2 油井動(dòng)液面監(jiān)測(cè)系統(tǒng)故障波形圖分析

油井動(dòng)液面監(jiān)測(cè)系統(tǒng)常見(jiàn)的故障有24V電磁閥故障、12V電磁閥故障、微音器故障、球閥故障、加藥閥故障、氣泵故障、氣管故障、井況異常、液面太淺以及傳輸故障。不同故障下的動(dòng)液面波形圖差異明顯，見(jiàn)表1。

表1 不同故障下的動(dòng)液面波形

2 改進(jìn)卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)故障診斷方法

2.1 改進(jìn)卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型

油井動(dòng)液面監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在不同故障下，測(cè)量的動(dòng)液面波形特征差異明顯，因此選擇卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立模型進(jìn)行故障診斷。傳統(tǒng)的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)由輸入層、隱藏層、全連接層以及輸出層組成。但全連接層會(huì)使訓(xùn)練參數(shù)增多，導(dǎo)致模型過(guò)擬合[3-4]；太多的計(jì)算資源會(huì)使測(cè)試時(shí)間太長(zhǎng)，不適用于快速診斷和實(shí)時(shí)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)；并且全連接層在測(cè)試過(guò)程大大減少了特征位置對(duì)分類(lèi)帶來(lái)的影響，導(dǎo)致輸入的特征參數(shù)位置發(fā)生改變，診斷結(jié)果未發(fā)生改變。因此提出改進(jìn)卷積神經(jīng)網(wǎng)路，采用全局平均池化技術(shù)代替全連接層。改進(jìn)卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型如圖2所示。

圖2 改進(jìn)卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型

改進(jìn)卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入是系統(tǒng)正常運(yùn)行以及不同故障下的動(dòng)液面波形圖，故障類(lèi)型包括24V電磁閥故障、球閥故障、12V電磁閥故障、氣泵故障、加藥閥故障、微音器故障、氣管損壞、液面太淺、井況異常、傳輸故障等。隱藏層經(jīng)過(guò)2次卷積2次最大池化，提取動(dòng)液面波形圖的波形特征。全局平均池化以隱藏層輸出的每個(gè)動(dòng)液面波形特征圖為單位，累加特征圖上的特征值再進(jìn)行平均，直接得到輸出節(jié)點(diǎn)。輸出層再采用Softmax進(jìn)行邏輯回歸分類(lèi)，輸出系統(tǒng)故障類(lèi)型。

改進(jìn)卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型在故障診斷過(guò)程中無(wú)需手動(dòng)提取特征，將動(dòng)液面波形圖可直接作為模型輸入，且全局平均池化技術(shù)使得訓(xùn)練參數(shù)大大減少，提高了模型訓(xùn)練效率[5]。改進(jìn)卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型基本流程如圖3所示。

圖3 改進(jìn)卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型基本流程

對(duì)輸入模型的動(dòng)液面波形圖進(jìn)行預(yù)處理，再分割為訓(xùn)練集、驗(yàn)證集以及測(cè)試集。訓(xùn)練集及驗(yàn)證集進(jìn)行模型訓(xùn)練，得到改進(jìn)卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，測(cè)試集輸入訓(xùn)練好的模型，得到系統(tǒng)故障診斷的結(jié)果。

2.2 改進(jìn)卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型參數(shù)

改進(jìn)卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型參數(shù)設(shè)置要保證較高的分類(lèi)率以及模型訓(xùn)練速率，影響模型訓(xùn)練速率的是卷積層參數(shù)和激活函數(shù)。

2.2.1 卷積層參數(shù)

卷積層參數(shù)包括卷積層數(shù)、卷積核的數(shù)目及大小。在卷積過(guò)程中，為了避免位置信息發(fā)生偏移，卷積核大小設(shè)置為奇數(shù)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，卷積核數(shù)目設(shè)置為16的倍數(shù)，將卷積層C1和C2的卷積核數(shù)目及大小作為變量，取值范圍如下所示：

{‘C1卷積核數(shù)目’：16，32，64，128；‘C2卷積核數(shù)目’：16，32，64，128；‘卷積核大小’：3×3，5×5，7×7}

將以上參數(shù)以遍歷的方式進(jìn)行組合，分別對(duì)模型進(jìn)行訓(xùn)練，得到訓(xùn)練結(jié)果，使用Socre=Accuary/（Loss×Time）對(duì)模型進(jìn)行評(píng)估。其中Accuary為識(shí)別模型輸入的動(dòng)液面波形圖的準(zhǔn)確率；Loss為損失函數(shù)值，反應(yīng)了模型輸出的預(yù)測(cè)值與真實(shí)值之間的差別程度；Time為模型訓(xùn)練及識(shí)別時(shí)間[6]。模型訓(xùn)練過(guò)程中損失函數(shù)值與訓(xùn)練時(shí)間越小，準(zhǔn)確率越大，Score值越大，模型越優(yōu)，因此選擇Score最大的值作為卷積層參數(shù)。經(jīng)過(guò)測(cè)試，卷積核數(shù)目分別為16、32，大小分別為3×3、5×5時(shí)Score值最大，模型最優(yōu)。

2.2.2 激活函數(shù)選擇

模型訓(xùn)練中，常用的激活函數(shù)有Sigmoid函數(shù)、tanh函數(shù)、ReLU函數(shù)。Sigmoid函數(shù)和tanh函數(shù)由于軟飽和性，易出現(xiàn)梯度消失和梯度爆炸問(wèn)題[7]。ReLU函數(shù)有很好的擬合能力和稀疏性，能夠有效地緩解梯度消失和過(guò)擬合問(wèn)題，因此激勵(lì)函數(shù)選擇為ReLU函數(shù)，ReLU函數(shù)圖像如圖4所示。

圖4 ReLU函數(shù)圖像

根據(jù)以上卷積層參數(shù)以及激活函數(shù)的選擇，改進(jìn)卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型參數(shù)設(shè)置見(jiàn)表2。

表2 改進(jìn)卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型參數(shù)值設(shè)置

3 實(shí)驗(yàn)仿真

3.1 系統(tǒng)故障數(shù)據(jù)集

油井動(dòng)液面監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用改進(jìn)卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行故障診斷，系統(tǒng)不同故障下的動(dòng)液面波形圖差異明顯，以不同故障下的動(dòng)液面波形圖作為改進(jìn)卷積神經(jīng)網(wǎng)路的輸入，輸出為系統(tǒng)的故障類(lèi)型[8]。分別采集24V電磁閥故障、12V電磁閥故障、微音器故障、球閥故障、加藥閥故障、氣泵故障、氣管故障、井況異常、液面太淺、傳輸故障等10種故障以及系統(tǒng)正常運(yùn)行下得到的動(dòng)液面波形圖20組作為實(shí)驗(yàn)用數(shù)據(jù)集輸入模型，見(jiàn)表3。隨機(jī)選取數(shù)據(jù)集的80%進(jìn)行模型訓(xùn)練，20%進(jìn)行模型測(cè)試。

表3 實(shí)驗(yàn)用數(shù)據(jù)集

3.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

不同故障下的動(dòng)液面波形圖在輸入改進(jìn)卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)之前，要進(jìn)行統(tǒng)一預(yù)處理，主要分為以下幾步：

1）圖片大小處理。應(yīng)用MATLAB的imresize函數(shù)將模型輸入的動(dòng)液面波形圖像素面積統(tǒng)一處理為256×256×3。

2）灰度化處理。圖片像素點(diǎn)的顏色變化是由紅（R）、綠（G）、藍(lán)（B）3個(gè)通道相互疊加決定的，圖片灰度化將每一個(gè)像素點(diǎn)都滿(mǎn)足R=G=B的關(guān)系，采用MATLAB的rgb2gray函數(shù)對(duì)動(dòng)模型輸入的液面波形圖進(jìn)行灰度化處理。

3）二值化處理。將圖片的每個(gè)像素點(diǎn)的灰度值設(shè)為0（黑色）或者225（白色），讓整個(gè)圖片只呈現(xiàn)黑白效果。采用MATLAB的imbinarize函數(shù)對(duì)模型輸入的動(dòng)液面波形圖進(jìn)行二值化處理。

因此，不同故障下的動(dòng)液面波形圖預(yù)處理后大小均為256×256×1，作為改進(jìn)卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入。

3.3 仿真結(jié)果與分析

油井動(dòng)液面監(jiān)測(cè)系統(tǒng)故障診斷的改進(jìn)卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型使用matlab的deep learning toolbox進(jìn)行訓(xùn)練，將采集的故障數(shù)據(jù)集輸入到模型中，設(shè)置訓(xùn)練迭代周期為30次。訓(xùn)練結(jié)果準(zhǔn)確率變化曲線(xiàn)及l(fā)oss函數(shù)變化曲線(xiàn)如圖5所示。

圖5 準(zhǔn)確率變化曲線(xiàn)及l(fā)oss函數(shù)變化曲線(xiàn)

準(zhǔn)確率函數(shù)反應(yīng)的是模型訓(xùn)練過(guò)程中對(duì)動(dòng)液面波形圖識(shí)別的準(zhǔn)確率，loss函數(shù)是度量模型輸出的預(yù)測(cè)值與實(shí)際值之間的差距，差距越大，模型對(duì)油井動(dòng)液面監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的故障分類(lèi)性能越差。圖5中隨著訓(xùn)練次數(shù)的增加，準(zhǔn)確率曲線(xiàn)逐漸上升，損失函數(shù)曲線(xiàn)逐漸下降，迭代到第6個(gè)周期時(shí)，準(zhǔn)確率為100%，損失函數(shù)為0，說(shuō)明該模型有快速的學(xué)習(xí)能力。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證改進(jìn)卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)越性，將采集的實(shí)驗(yàn)用數(shù)據(jù)集輸入傳統(tǒng)卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行訓(xùn)練，將訓(xùn)練結(jié)果與改進(jìn)卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型訓(xùn)練結(jié)果進(jìn)行對(duì)比見(jiàn)表4。

從表4可知，模型訓(xùn)練過(guò)程中，改進(jìn)卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練時(shí)間快于傳統(tǒng)卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練時(shí)間11.1075 s，傳統(tǒng)卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練集準(zhǔn)確度為93.45%，改進(jìn)卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練集準(zhǔn)確度為100%，遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，因此，改進(jìn)卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型更加優(yōu)化。

表4 改進(jìn)型與傳統(tǒng)型卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練結(jié)果對(duì)比

4 應(yīng)用效果分析

油井動(dòng)液面監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，改進(jìn)卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)故障診斷模型調(diào)用系統(tǒng)上傳至后臺(tái)的動(dòng)液面波形圖作為模型輸入。

選取5組長(zhǎng)慶油田現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)液面監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的故障診斷結(jié)果，見(jiàn)表5。夠可靠的實(shí)現(xiàn)對(duì)油井動(dòng)液面監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的故障診斷。

表5 系統(tǒng)故障診斷結(jié)果

5 結(jié)論

1）針對(duì)油井動(dòng)液面監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的構(gòu)成及故障特點(diǎn)，提出了基于改進(jìn)卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的故障診斷模型。輸入不同故障下動(dòng)液面波形圖進(jìn)行模型訓(xùn)練與仿真，與傳統(tǒng)卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行對(duì)比，改進(jìn)卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型相對(duì)于傳統(tǒng)卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型訓(xùn)練集準(zhǔn)確率提高6.55 %，訓(xùn)練時(shí)間增快11.1075 s。

2）應(yīng)用結(jié)果表明，該模型實(shí)現(xiàn)了對(duì)油井動(dòng)液面監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的故障診斷，對(duì)系統(tǒng)安全可靠的運(yùn)行具有典型的應(yīng)用價(jià)值。