城市天然氣管網(wǎng)規(guī)劃現(xiàn)狀

anrain 2011-08-10

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城市天然氣管網(wǎng)規(guī)劃現(xiàn)狀 2007-3-12: 分享到： QQ空間新浪微博開心網(wǎng) 人人網(wǎng); 摘要：本文介紹了城市天然氣管網(wǎng)規(guī)劃工作的目的意義、內(nèi)容和方法。詳細介紹了圖論法、動態(tài)規(guī)劃法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、MCST法和約束導數(shù)法等在城市天然氣管網(wǎng)規(guī)劃中的應(yīng)用。從城市天然氣管網(wǎng)規(guī)劃現(xiàn)狀可以看出多目標化、模糊化和灰色優(yōu)化是今后城市天然氣管網(wǎng)規(guī)劃發(fā)展的主要方向，同時提出要大力研發(fā)規(guī)劃軟件和引進國外先進軟件以提高管網(wǎng)規(guī)劃效率的建議。

關(guān)鍵詞：天然氣管網(wǎng) 規(guī)劃目的意義內(nèi)容方法優(yōu)化現(xiàn)狀發(fā)展方向

Current Situation Of Urban Natural Gas Pipe Network Programming
SU Xin，ZHANG Lin，YUAN Zong-ming，HU An-xin
(Southwest Petroleum University，Chengdu 610500，China)
ABSTRACT: The purpose， content and method of natural gas pipe network programming in cities were introduced in this paper. The application of graph theory， dynamic programming， neural networks， MCST method， constrained derivatives， etc. to pipe network programming were recommended in details. Through the development of natural gas pipe network programming ， multiple objectives programming， fuzzy programming， grey programming were found to be the orientation of development of natural gas pipe network programming in cities. Furthermore， development of software in this field and introduction of software abroad should be stressed to improve the programming efficiency.
Key Words: natural gas pipeline network   programming   purpose significance content method optimization the actual state development

1 引言
    天然氣管網(wǎng)的規(guī)劃設(shè)計工作是一項長期持續(xù)性的工作。由于規(guī)劃工作的復雜性和廣泛性，需要在實施過程中不斷分析現(xiàn)有管網(wǎng)和供求關(guān)系，進一步優(yōu)化管網(wǎng)結(jié)構(gòu)。而對管網(wǎng)進行優(yōu)化實際上就是一個網(wǎng)絡(luò)最優(yōu)化問題。網(wǎng)絡(luò)最優(yōu)化問題，求解的是滿足給定的最優(yōu)化準則以及約束條件的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)?？梢灾贫ń?jīng)濟最優(yōu)化準則——最大利潤、最小總費用、最低成本等；也可以制定技術(shù)最優(yōu)化準則——最大可靠性、最快動作等。這些最優(yōu)化準則可以作為選擇系統(tǒng)功能和系統(tǒng)發(fā)展目標的明確策略^[1][2]。

2 規(guī)劃現(xiàn)狀
    2.1 規(guī)劃的目的和意義
    城市天然氣系統(tǒng)工程建設(shè)投資巨大，工程建成后不宜輕易改建或擴建，否則，將影響城市建設(shè)，影響城區(qū)居民生活，造成人力、物力、財力的巨大浪費。因此，要保證城市燃氣事業(yè)的健康發(fā)展，天然氣管網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計必須科學化。城市天然氣系統(tǒng)工程規(guī)劃設(shè)計的目的是：不僅要滿足用戶和工藝設(shè)計的要求，而且要使城市天然氣系統(tǒng)工程所需的投資費用最少，使得整個天然氣管網(wǎng)運行經(jīng)濟、安全、靈活和可靠。
    2.2 規(guī)劃的內(nèi)容
    城市天然氣管網(wǎng)優(yōu)化一般指城鎮(zhèn)天然氣輸配管網(wǎng)的優(yōu)化，通常是在氣源條件已定的情況下針對某一級管網(wǎng)逐級進行。例如：在門站已定的條件下，優(yōu)化高壓(或中壓)管網(wǎng)，或在高中壓調(diào)壓站布局已定的條件下優(yōu)化中壓管網(wǎng)。其中，主要解決兩個問題：(1)管網(wǎng)的布局優(yōu)化；(2)管網(wǎng)的參數(shù)優(yōu)化^[3]。在進行管網(wǎng)的規(guī)劃設(shè)計時上述兩個問題是相互關(guān)聯(lián)的。因此，必須綜合考慮了上述兩個問題的關(guān)聯(lián)，才能提高優(yōu)化效果^[1]。
    2.3 規(guī)劃的方法
    2.3.1 圖論法
    文獻^[5]中將復雜枝狀燃氣管網(wǎng)系統(tǒng)作為研究對象，在勘察設(shè)計定線后，采用分級優(yōu)化的策略，將整個輸氣管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計問題分解成布局優(yōu)化、參數(shù)優(yōu)化和方案優(yōu)化3個子問題。布局優(yōu)化的目標是使整個管線網(wǎng)絡(luò)鋪設(shè)的可行線路總長最短。
    根據(jù)圖論可知，輸氣管網(wǎng)系統(tǒng)可抽象為無向網(wǎng)絡(luò)，氣源、壓氣站、供配氣節(jié)點為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點；兩點間管線為網(wǎng)絡(luò)的邊。在暫不考慮某些因素如氣體的流向、流量分配的情況下，將這些節(jié)點用可能的管道聯(lián)結(jié)起來，以兩節(jié)點間的管段長度為權(quán)，保證所有管道長度之和最短。這樣輸氣管網(wǎng)布局優(yōu)化問題便轉(zhuǎn)化為求無向網(wǎng)絡(luò)的最小生成樹問題，可以采用破圈法、邊割法，但是它們的共同特點是都不便于用計算機進行編程處理。常用的方法有圖論中的Dijkstra 算法和Kruskal 算法，這些方法只能在已知固定點間求總長最短的幾何布局。1972年美國紐約大學張希國教授提出的Steiner 算法有效地解決了具有較大規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)最短樹問題。通過引入外點(稱為Steiner 點) ，使求得的最短樹總長要小于等于用以上幾種方法求得的最短樹的總長。只考慮固定點而不考慮引入額外點所形成的幾何布局(即最短樹) 只是Steiner 最短樹的一個特例。實際的設(shè)計結(jié)果表明：在所有求最短總長管網(wǎng)布局的算法中SI算法效果最好。
    用以上幾種算法求得的管網(wǎng)布局僅是將管道投資看作其長度的線性函數(shù)，沒有考慮管網(wǎng)的投資費用和運行費用等，實質(zhì)上求得的是初始可行解，只能作為管網(wǎng)的初始布局。實際上管道的投資不只是管道長度的線性函數(shù)，管道投資函數(shù)的表示是否恰，當對問題的正確解決相當關(guān)鍵。因此管網(wǎng)系統(tǒng)布局優(yōu)化的主要困難在于其最優(yōu)布局與管道的具體參數(shù)(如流量管徑和壁厚)，兩者相互關(guān)聯(lián)，使問題變得很復雜。若將這兩個方面人為的分割開來，分別進行優(yōu)化設(shè)計，則往往不能達到“真正的最優(yōu)”。在優(yōu)化時，應(yīng)將這兩個子問題看作從管網(wǎng)系統(tǒng)中分解出來的兩個相互關(guān)聯(lián)的子問題，不斷對二者進行協(xié)調(diào)^[1][6]。
    2.3.2 動態(tài)規(guī)劃法
    動態(tài)規(guī)劃法則存在“維數(shù)障礙”問題，即動態(tài)規(guī)劃方法的運算量隨著變量數(shù)的增長而呈指數(shù)規(guī)律增加。當問題的維數(shù)增加到一定程度時，會使問題的求解實際上成為不可能，所以動態(tài)規(guī)劃法難以同時處理有多決策變量的優(yōu)化問題[4]。
    動態(tài)規(guī)劃法是對一個管網(wǎng)中各節(jié)點的壓力進行優(yōu)化，并通過求得的最優(yōu)壓力從設(shè)備列表中選擇相應(yīng)的管網(wǎng)元件--管道和壓縮機，使管網(wǎng)的建設(shè)和運行費用最低。該方法壓氣站的數(shù)目和位置以及各管段的長度和管徑都需要預先給定，并且不適用于處理網(wǎng)絡(luò)元件(包括管道、壓氣站、儲氣庫等)較多的大型網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。其原因是用動態(tài)規(guī)劃法求解時存在維數(shù)災難:若一維狀態(tài)變量有m個取值，那么對于n維問題，狀態(tài)xk就有mn個取值，對于每個狀態(tài)值都要計算、存儲最優(yōu)值函數(shù)人fk(xk)。對n稍大(即使n =3)的實際問題的計算往往是不現(xiàn)實的，目前還沒有克服動態(tài)規(guī)劃中維數(shù)災難的一般方法。
    2.3.3 基于Hopfield 的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法^[4]
    20世紀80年代，Hopfield (1982) 和Tank (l985) 用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ANN) 方法求解TSP 問題( Traveling Salesman Problem) 獲得了成功。該方法是通過對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)引入適當?shù)哪芰亢瘮?shù)，使之與問題的目標函數(shù)相一致來確定神經(jīng)元之間的聯(lián)結(jié)權(quán)，隨著網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的變化，其能量不斷減少，最后達到平衡時，收斂到一個局部最優(yōu)解。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種仿效生物處理模式以獲得智能信息處理功能的理論。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的基本特征是: ①大規(guī)模并行處理； ②容錯性； ③自適應(yīng)性和自組織性^[4]。
    文獻^[4]針對輸氣管網(wǎng)布線優(yōu)化模型，將目標函數(shù)和約束條件合并，建立基于Hopfield神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸氣管網(wǎng)布局優(yōu)化能量函數(shù)。采用Hopfield 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化方法求解輸氣管網(wǎng)布局優(yōu)化問題可有效解決動態(tài)規(guī)劃法存在的維數(shù)障礙問題。采用兩城市間管線長度作為權(quán)值，考慮到實際工程中具體情況如特殊地形、穿跨越等，各管段投資并不一定線性近似于路線長度，采用最短路徑指標規(guī)劃輸氣管網(wǎng)存在一定局限性?？刹捎酶鼽c間投資費用作為管網(wǎng)布線參數(shù)代替兩點間長度，用于最優(yōu)路線選擇計算。
    2.3.4 MCST法^[7]
    Cheeseman和Graham等試圖用工業(yè)程序優(yōu)化管徑，主要集中在解決穩(wěn)定流中單相氣體的壓力分布，這種方法并不適合解決有約束條件的優(yōu)化問題。Flanigan 對此進行了改進，提出約束的最速下降法，其缺點是它受到整個管網(wǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計的限制。為了更好地解決管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計問題，有關(guān)文獻將MCST算法(最少成本分支算法) 與約束導數(shù)法(ConstrainedDerivatives ，簡稱CD法) 相結(jié)合，在MCST 算法確定管網(wǎng)布局的基礎(chǔ)上利用CD法優(yōu)化管網(wǎng)參數(shù)。MCST算法首先用來選擇兩點間成本最低、跨度最小的分支，然后從兩個節(jié)點的樹杈結(jié)構(gòu)中選擇包含3個節(jié)點的跨度最下的分支。重復該過程直到連接所有點時停止。
    2.3.5 綜合優(yōu)化法^[8]
    文獻^[8]論述了燃氣管網(wǎng)優(yōu)化的基本內(nèi)涵，基于準邊值管網(wǎng)建立了壓力儲備效益函數(shù)，將管網(wǎng)供氣增加能力轉(zhuǎn)換為效益價值，形成綜合的目標函數(shù)，并提出將管段配氣功能對管徑的要求納入而形成綜合約束。提出綜合優(yōu)化原理，建立了一種綜合優(yōu)化模型。
    文獻^[8]得到兩類具有準邊界值的管網(wǎng)。一類是枝狀管網(wǎng)，另一類是合理配管環(huán)網(wǎng)。這兩類管網(wǎng)配置方案造價處于兩端，顯然有不同的壓力工況，各零點的壓力會在不同的水平上。因而零點壓力高于允許最低壓力的壓力儲備值會有不同，相應(yīng)于兩種壓力儲備邊界值。利用這種造價與壓力儲備邊界值的對應(yīng)關(guān)系構(gòu)造另一種管網(wǎng)優(yōu)化目標?；跍蔬呏倒芫W(wǎng)構(gòu)造壓力儲備函數(shù)以建立綜合目標函數(shù)，加以綜合約束進行燃氣管網(wǎng)優(yōu)化，即綜合優(yōu)化原理。
    2.3.6 約束導數(shù)法 ^[10，11]
    對于那些具有等式約束或能將不等式約束條件化為等式約束的輸氣管道工藝參數(shù)優(yōu)化設(shè)計問題，國外學者主要使用約束導數(shù)法來解決。
    Flanigan使用約束導數(shù)法分別對天然氣管網(wǎng)系統(tǒng)中管道的直徑和壓縮機的功率進行了優(yōu)化[11]，優(yōu)化時預先給定管網(wǎng)中壓氣站的數(shù)量與位置，文獻^[11]將設(shè)計變量分成決策變量和狀態(tài)變量兩類。約束導數(shù)法是一種經(jīng)典的數(shù)學規(guī)劃方法，在進行輸氣管道的工藝參數(shù)優(yōu)化設(shè)計時，對于無約束或容易將約束條件消去的非線性規(guī)劃問題，使用該法容易獲得最優(yōu)解。但是該方法也只能對設(shè)計問題的局部進行最優(yōu)化。
    2.3.7 廣義既約梯度法^[10，12]
    Edgar等人首先將廣義既約梯度法應(yīng)用于天然氣輸送網(wǎng)絡(luò)的最優(yōu)設(shè)計^[12]。此項技術(shù)能同時確定壓氣站的數(shù)目、兩個壓氣站之間的管段長和管徑以及壓氣站中壓縮機的操作工況(進氣壓力、排氣壓力)等設(shè)計變量的最優(yōu)值，使管網(wǎng)投資和運行費用最低。廣義既約梯度法在解決有約束的非線性天然氣管網(wǎng)規(guī)劃問題方面具有較高效率。此算法使對所有設(shè)計變量同時進行最優(yōu)化成為可能。但應(yīng)注意，優(yōu)化得到的最優(yōu)管道直徑只能以連續(xù)的形式給出，要得到離散的最優(yōu)管道直徑值，還需要輔以其它優(yōu)化方法，如分支定界法^[13]、次梯度優(yōu)化法^[14]等。除了上面介紹的方法外，劉恩斌等人將遺傳算法也引入了天然氣管網(wǎng)規(guī)劃中^[15]。

3 發(fā)展趨勢及建議
    從現(xiàn)今的文獻可以看出天然氣管網(wǎng)規(guī)劃發(fā)展趨勢是^[3]：
    (1)多目標規(guī)劃
    多目標規(guī)劃比較復雜，其關(guān)鍵是解的概念問題。在多目標優(yōu)化問題中，各目標函數(shù)常常是矛盾的，不協(xié)調(diào)的。在管網(wǎng)多目標優(yōu)化中，假設(shè)考慮降低管網(wǎng)投資與降低管網(wǎng)的動力能耗兩個目標函數(shù)，如果選用小管徑，自然會降低管線投資，但同時會增加液體輸送阻力，從而使管網(wǎng)的動力能耗增高。反之，如選用大管徑，盡管可以使動力能耗下降、但卻增加了管線投資。由此可以看出，由于目標函數(shù)的沖突性，導致不能唯一地評價設(shè)計方案的優(yōu)劣。目前，解決多目標規(guī)劃的方法通常是評價函數(shù)法、分層序列法和增量系數(shù)法等^[9]。
    對管網(wǎng)進行多目標優(yōu)化，有如下優(yōu)點：①提供從多個方案進行選擇的機會；②通過求解替換模型問題，可以把一個非優(yōu)的初始方案“有效化”；③為最終決策提供依據(jù)。
    (2)模糊優(yōu)化
    考慮事物的模糊性，用隸屬函數(shù)作為橋梁將其數(shù)量化，從而利用傳統(tǒng)的數(shù)學方法進行分析處理，模糊數(shù)學理論顯示出強大的生命力，其應(yīng)用范圍涉及自然科學、社會科學、工程技術(shù)、和國民經(jīng)濟等諸多領(lǐng)域。
    隨著工程中研究對象的復雜化，必然要遇到大量的模糊因素，而現(xiàn)代信息化、人工智能化的發(fā)展，也要對模糊信息進行識別和處理。由于工程優(yōu)化與現(xiàn)代各科學領(lǐng)域問相互交叉，新的設(shè)計理論和方法、新的技術(shù)不斷涌現(xiàn)，工程模糊優(yōu)化問題應(yīng)用將更趨于廣泛。
    (3)灰色優(yōu)化
    1982年，鄧聚龍教授創(chuàng)立了灰色系統(tǒng)理論?；疑感畔⒉煌耆?，灰色系統(tǒng)是指信息不完全的系統(tǒng)。社會、經(jīng)濟系統(tǒng)一般都是以“灰元”，“灰數(shù)”，“灰關(guān)系”為特征的灰色系統(tǒng)?；疑到y(tǒng)理論以其橫斷面大，滲透性強的特點，正在農(nóng)業(yè)、計劃、經(jīng)濟、社會、科教、生物、地質(zhì)、史學、軍事、行政等各個方面得到日益廣泛的應(yīng)用。當前，已有學者對其理論在輸氣管道的優(yōu)化設(shè)計，以及管道結(jié)構(gòu)的可靠性等方面進行了探討。
    我國輸氣管網(wǎng)布局規(guī)劃的研究尚處于初始階段，從數(shù)學的角度來看，輸氣管網(wǎng)、供水管網(wǎng)的布局規(guī)劃問題同屬網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃問題。因此，在進行輸氣網(wǎng)絡(luò)的布局研究時，可以借鑒供水管網(wǎng)布局規(guī)劃的一些技術(shù)方法。輸氣管道有著長距離、高輸送壓力、大口徑等特點，供水管網(wǎng)布局規(guī)劃的一些技術(shù)只能為輸氣管網(wǎng)布局規(guī)劃提供參考，所借鑒的只能是其分析、解決問題的方法體系，在實際應(yīng)用中還有較大差異^[1]。從現(xiàn)有的文獻來看，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在管網(wǎng)規(guī)劃中有著廣闊的應(yīng)用前景，應(yīng)加大力度進行研究，開發(fā)出以神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的規(guī)劃軟件。在今后的規(guī)劃工作中必須遵循規(guī)劃工作的原則即規(guī)劃工作應(yīng)具有先進性、整體性和持續(xù)性。大力開發(fā)新的規(guī)劃軟件，同時也要引入國外已經(jīng)成熟先進的規(guī)劃軟件對管網(wǎng)進行模擬計算分析，從而提高管網(wǎng)的綜合利用率，提高規(guī)劃設(shè)計和生產(chǎn)管理的水平。

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(本文作者：蘇欣張琳中國石油工程設(shè)計有限責任公司西南分公司)