摘要：結(jié)合AutoCAD的相關(guān)控件功能，開發(fā)出一套燃?xì)夤芫W(wǎng)分析系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有自動讀取GIS信息，可對AutoCAD格式文件靈活操作等特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對燃?xì)夤芫W(wǎng)進(jìn)行輸配模擬和優(yōu)化設(shè)計(jì)方面的計(jì)算分析。
關(guān)鍵詞：燃?xì)夤芫W(wǎng)；分析系統(tǒng)；地理信息系統(tǒng)；水力計(jì)算；輸配模擬；優(yōu)化設(shè)計(jì)
Development of Gas Network Analysis System
FENG Weicheng，LIANG Jinfeng，JIAO Gang，WU Weihua，ZHAO Xin
Abstract：A gas network analysis system is developed with control functions of AutoCA D.The system is characterized by automatic reading of GIS information.flexible manipulation of AutoCAD format files and so on.The calculation and analysis can be achieved in terms of transportation and distribution simulation and optimization design of gas network.
Key words：gas network；analysis system；GIS；hydraulic calculation；transportation and distribution simulation；optimization design
1 概述
燃?xì)廨斉湎到y(tǒng)隨著城市燃?xì)獾拇笠?guī)模使用逐步發(fā)展起來，但其面臨的問題很多，比如：管網(wǎng)設(shè)計(jì)采用人工選擇管徑和計(jì)算機(jī)進(jìn)行水力計(jì)算相結(jié)合的方法，未深入考慮管網(wǎng)造價(jià)等經(jīng)濟(jì)因素；在管網(wǎng)的擴(kuò)建改造方面，對其供氣可靠性的研究也很少。隨著城市燃?xì)夤芫W(wǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，對燃?xì)夤芫W(wǎng)投入的資金也越來越多，在保證用戶用氣壓力的前提下進(jìn)行燃?xì)夤芫W(wǎng)優(yōu)化，降低燃?xì)夤芫W(wǎng)的建造費(fèi)用、運(yùn)行費(fèi)用以及提高供氣系統(tǒng)的安全可靠性，已成為各燃?xì)馄髽I(yè)急需解決的重要問題。嚴(yán)銘卿等[1]采用支點(diǎn)負(fù)荷模式進(jìn)行管網(wǎng)水力計(jì)算，顯著克服了傳統(tǒng)節(jié)點(diǎn)負(fù)荷模式的缺點(diǎn)，對于管網(wǎng)水力計(jì)算方面的研究有明顯的意義。黃紅祥等[2]提出了按控制零點(diǎn)壓力進(jìn)行管徑優(yōu)化，彭世尼等[3]建立了城市燃?xì)夤芫W(wǎng)優(yōu)化模型，并將遺傳算法應(yīng)用到了管網(wǎng)優(yōu)化模型當(dāng)中，取得了很好的效果。
管網(wǎng)分析還有許多熟知的名稱，如管網(wǎng)模擬、管網(wǎng)平差。名詞雖然不同，實(shí)際上都是指通過真實(shí)系統(tǒng)的模型進(jìn)行實(shí)際系統(tǒng)的分析和處理，其目的在于了解真實(shí)系統(tǒng)在不同條件下的運(yùn)行情況，以及增加或刪掉一些條件后系統(tǒng)可能發(fā)生的變化[4]。已有不少學(xué)者在這方面進(jìn)行了相關(guān)研究[5～10]，值得借鑒。考慮目前燃?xì)馄髽I(yè)普遍使用SCADA、GIS等系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并結(jié)合AutoCAD的相關(guān)控件功能，開發(fā)出了一套燃?xì)夤芫W(wǎng)分析系統(tǒng)，對燃?xì)夤芫W(wǎng)進(jìn)行輸配模擬和優(yōu)化設(shè)計(jì)方面的計(jì)算分析。
2 系統(tǒng)工作流程
管網(wǎng)分析系統(tǒng)采用統(tǒng)一的用戶界面，實(shí)現(xiàn)燃?xì)夤芫W(wǎng)數(shù)據(jù)的導(dǎo)入、繪制修改、計(jì)算分析、成果顯示、文件管理等功能。系統(tǒng)的工作流程見圖1。
系統(tǒng)的工作流程分為模型創(chuàng)建和模型分析兩個(gè)主要步驟：
① 模型創(chuàng)建：既可以從地理信息系統(tǒng)導(dǎo)入現(xiàn)有的管網(wǎng)拓?fù)鋽?shù)據(jù)和管網(wǎng)基本屬性信息，也可以由用戶手動繪制管網(wǎng)，填入相關(guān)數(shù)據(jù)。
② 模型分析：是模型修正、模型計(jì)算、結(jié)果顯示的一個(gè)循環(huán)過程，根據(jù)現(xiàn)有模型進(jìn)行分析計(jì)算并檢查計(jì)算結(jié)果，如果結(jié)果不能滿足要求，則重新修正模型并進(jìn)行計(jì)算，直到符合要求為止。
3 系統(tǒng)基本功能
① 系統(tǒng)平臺
通過AutoCAD控件組態(tài)成一體化圖形用戶界面，所有相關(guān)管網(wǎng)分析和操作管理等均在此界面下進(jìn)行，并采用多文檔界面設(shè)計(jì)，可同時(shí)打開多個(gè)文件進(jìn)行操作。
② 數(shù)據(jù)共享
自動導(dǎo)入GIS的相關(guān)管網(wǎng)數(shù)據(jù)，為分析計(jì)算提供數(shù)據(jù)源。用戶可通過圖形界面進(jìn)行配置和修改需要導(dǎo)入的設(shè)備及管道類型等，并進(jìn)行顯示：
a. 動態(tài)標(biāo)注管道的流向、流量、管徑、管材，節(jié)點(diǎn)的壓力、名稱、類型等。
b. 按照元素類別進(jìn)行圖形顯示，不同級別的管道按不同顏色顯示，不同類型的節(jié)點(diǎn)和設(shè)備按不同的符號顯示。
c. 按照壓力和流量進(jìn)行圖形顯示，管道根據(jù)其流量所在的范圍，顯示不同的顏色；節(jié)點(diǎn)根據(jù)壓力顯示不同的顏色。
d. 管道根據(jù)其管徑顯示不同的顏色。
e. 管道根據(jù)其管材類型顯示不同的顏色。
③ 數(shù)據(jù)錄入
用戶可將AutoCAD格式文件在該系統(tǒng)中打開作為底圖，在系統(tǒng)界面中進(jìn)行管網(wǎng)相關(guān)數(shù)據(jù)的錄入，例如管網(wǎng)及其附屬節(jié)點(diǎn)、管道、調(diào)壓柜、氣源等信息，進(jìn)行模型創(chuàng)建。用戶可以任意修改管道和節(jié)點(diǎn)的空間位置，修改方法包括復(fù)制、延長、打斷、刪除、剪切、旋轉(zhuǎn)、移動、放大等，通過添加這些功能，可以方便地進(jìn)行管網(wǎng)拓?fù)潢P(guān)系的編輯。
④ 檢驗(yàn)工具
為保證模型分析計(jì)算的有效性，增加了對管網(wǎng)基本拓?fù)潢P(guān)系的校驗(yàn)功能，可對創(chuàng)建的模型進(jìn)行適當(dāng)修正，主要包括：
a. 管道合并：將屬性相同或符合規(guī)則的管道合并成一條管道。
b. 連通性檢查：檢查管道之間的拓?fù)浠蜻B通關(guān)系是否正確。
c. 重疊管道檢查：檢查是否有重疊或重合的管道。
d. 管道長度統(tǒng)計(jì)：統(tǒng)計(jì)所有管道的長度。
e. 設(shè)備數(shù)量：分類統(tǒng)計(jì)各類設(shè)備和節(jié)點(diǎn)的數(shù)量。
f. 屬性檢查：檢查導(dǎo)入數(shù)據(jù)的缺失情況，使計(jì)算用數(shù)據(jù)完整。
⑤ 分析計(jì)算
本系統(tǒng)的核心就是實(shí)現(xiàn)燃?xì)夤芫W(wǎng)輸配模擬和優(yōu)化設(shè)計(jì)兩大功能。
a. 輸配模擬：根據(jù)管網(wǎng)管徑、管長、氣源及用戶用氣量等信息，對管網(wǎng)進(jìn)行模擬計(jì)算，模擬出各節(jié)點(diǎn)的壓力及各管段的流量，以發(fā)現(xiàn)管網(wǎng)存在的壓力或流量瓶頸，由此確定管網(wǎng)系統(tǒng)改建的最優(yōu)方案，提高管網(wǎng)運(yùn)行效率。
b. 優(yōu)化沒計(jì)：根據(jù)給定的管網(wǎng)運(yùn)行要求，確定最優(yōu)的管網(wǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，利用遺傳算法[3]尋求最優(yōu)解，以得到最合理、經(jīng)濟(jì)的管徑配置方案。
4 系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例
① 輸配模擬
通過對某一中等城市管網(wǎng)主要節(jié)點(diǎn)的壓力、管段流量進(jìn)行模擬計(jì)算，不斷校核設(shè)計(jì)參數(shù)，提高模擬精度，使其達(dá)到工程需求。
② 優(yōu)化設(shè)計(jì)
將遺傳算法引入到城市燃?xì)夤芫W(wǎng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化中，以此來解決管網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)中管徑選擇與水力計(jì)算不能統(tǒng)一用計(jì)算機(jī)處理，以及管網(wǎng)管徑的優(yōu)化問題。采用文獻(xiàn)[3]中的工程實(shí)例進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果表明：應(yīng)用遺傳算法解決燃?xì)夤芫W(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)問題可行有效，求解結(jié)果符合實(shí)際。管網(wǎng)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，對管網(wǎng)工程的卓越運(yùn)營及規(guī)劃投資都起到重要作用。
5 結(jié)論
燃?xì)夤芫W(wǎng)分析系統(tǒng)不但能最大限度地利用GIS已有數(shù)據(jù)形成計(jì)算數(shù)據(jù)源，也可以通過圖形界面，進(jìn)行數(shù)據(jù)的錄入與更改，方便用戶操作，使管網(wǎng)分析計(jì)算圖形化。通過該系統(tǒng)，可對城市現(xiàn)有燃?xì)夤芫W(wǎng)進(jìn)行計(jì)算，綜合分析管網(wǎng)輸配的薄弱點(diǎn)、現(xiàn)有管網(wǎng)的供氣能力和可擴(kuò)建余地，以及擴(kuò)建改造后對整個(gè)城市管網(wǎng)供氣系統(tǒng)的影響，并給出改建管網(wǎng)管徑的最優(yōu)配置方案，節(jié)約管網(wǎng)的建造費(fèi)用。
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(本文作者：馮偉程 梁金鳳 焦崗 吳衛(wèi)華 趙鑫 新奧能源控股有限公司 河北廊坊 065000)
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