To operate process engineering systems in a safe and reliable manner, predictive models are often used in decision making. In many cases, these are mechanistic first principles models which aim to accurately describe the process. In practice, the parameters of these models need to be tuned to the process conditions at hand. If the conditions change, which is common in practice, the model becomes inaccurate and needs to be re-tuned. In this paper, we propose a hybrid modeling machine learning framework that allows tuning first principles models to process conditions using two different types of Bayesian Neural Networks. Our approach not only estimates the expected values of the first principles model parameters but also quantifies the uncertainty of these estimates. Such an approach of hybrid machine learning modeling is not yet well described in the literature, so we believe this paper will provide an additional angle at which hybrid machine learning modeling of physical systems can be considered. As an example, we choose a multiphase pipe flow process for which we constructed a three-phase steady state model based on the drift-flux approach which can be used for modeling of pipe and well flow behavior in oil and gas production systems with or without the neural network tuning. In the simulation results, we show how uncertainty estimates of the resulting hybrid models can be used to make better operation decisions.


翻译:为了以安全可靠的方式操作工序系统,经常在决策中使用预测模型,在许多情况下,这些是旨在准确描述过程的机械第一原则模型。在实践上,这些模型的参数需要与手头的工序条件相适应。如果条件发生变化,这是实践中常见的,模型就会变得不准确,需要重新调整。在本文中,我们提议了一个混合建模机学习框架,以便利用两种不同类型的Bayesian神经网络,将初步原则模型调整为处理条件。我们的方法不仅估计了第一个原则模型参数的预期值,而且还量化了这些估计数的不确定性。这种混合机器学习模型的方法在文献中还没有很好地描述,因此我们认为,这份文件将提供一个额外的角度,可以考虑物理系统的混合机器学习模型。举例来说,我们选择一个多阶段的管流过程,为此我们根据漂流方法构建了一个三阶段稳定状态模型,可用于模拟石油和天然气生产系统中的管道和流动行为,同时或没有模型,我们如何以更好的模型来模拟模型的运行。

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