1、<p>　　城鎮(zhèn)燃氣管網(wǎng)優(yōu)化設計中的幾個問題</p><p>　　摘要：在對天然氣管網(wǎng)優(yōu)化問題進行描述和分析的基礎上,介紹了自20世紀80年代以來國內外的研究成果。針對傳統(tǒng)優(yōu)化方法收斂速度慢、易于陷入局部最優(yōu)解等缺點，建立能夠覆蓋管網(wǎng)規(guī)劃，設計和運行管理，開拓新的思路等多階段的優(yōu)化模型,將來的研究方向肯定是天然氣管網(wǎng)優(yōu)化問題。 </p><p>　　關鍵詞:天然氣；管網(wǎng)優(yōu)化設計；

2、研究 </p><p>　　中圖分類號： TF526+.4 文獻標識碼： A 文章編號： </p><p><b>　　引言 </b></p><p>　　20世紀中期,一些國家就開始了對天然氣管網(wǎng)系統(tǒng)最優(yōu)化的理論研究與應用探索。初期的研究工作都是在假定一些變量為已知的情況下,求解問題中的部分設計變量，就是對問題的局部進行優(yōu)化?，F(xiàn)針對天然氣管網(wǎng)

3、系統(tǒng)最優(yōu)化研究的典型理論方法進行分析。 </p><p>　　一、天然氣管網(wǎng)優(yōu)化設計問題的描述 </p><p>　　按照工程項目的循環(huán)過程,天然氣管網(wǎng)系統(tǒng)的優(yōu)化包括管網(wǎng)的布置、設計、運行管理以及后期的改革擴建等階段，所以天然氣管網(wǎng)系統(tǒng)的優(yōu)化是一項復雜的系統(tǒng)工程。管網(wǎng)的優(yōu)化設計通常是指在管網(wǎng)的布局規(guī)劃已經(jīng)確定的條件下,主要解決最優(yōu)化的管徑組合問題,即通過管網(wǎng)的水力計算來確定有關的技術參數(shù),

4、通過優(yōu)化設計找到價錢最低的設計方案。管網(wǎng)的優(yōu)化設計就是要使管網(wǎng)(包括管道和壓縮機網(wǎng)絡站)的投資建設費用最小化。管網(wǎng)的建設應該要求管道的強度能承受最大的工作壓力；進出站氣壓必須滿足條件，可以保證氣體在管道中正常流動；需要考慮管道的穩(wěn)定性，為了防止管道的徑向失穩(wěn)；另外還需要滿足設計變量的邊界條件等所構成的物理關系。 </p><p>　　因此,天然氣管網(wǎng)的優(yōu)化設計問題基本可以歸結為:根據(jù)管道出現(xiàn)的一系列約束限制條件,

5、以建設管網(wǎng)費用最小為目標函數(shù)進行優(yōu)化計算,得出最優(yōu)管徑組合以及相關的技術參數(shù)。 </p><p>　　二、天然氣管網(wǎng)優(yōu)化設計方法研究概況 </p><p>　　從20世紀60年代起,一些發(fā)達國家就開始了輸氣管道系統(tǒng)最優(yōu)化的理論研究和應用,在對輸氣管道干線研究基礎之上,研究人員也開始了對天然氣管網(wǎng)優(yōu)化設計的研究。國內的研究起步比較晚,但發(fā)展很快，部分人做了研究并取得了相應的勞動成果。由于管網(wǎng)

6、優(yōu)化設計被非線性有約束的混合離散設計變量優(yōu)化問題這個條件制約,所以為了得到快捷的優(yōu)化結果，就必須要選擇合理的優(yōu)化方法。 </p><p><b>　　1、變尺度法 </b></p><p>　　變尺度法不要求精確一維搜索就有二次截止，對目標函數(shù)性質不做太多要求等優(yōu)良特性，因為變尺度法具有統(tǒng)一的公式，變尺度法已被推廣成為控制優(yōu)化問題的一個求解方式。 </p>

7、<p>　　集輸管網(wǎng)的多目標優(yōu)化設計中,針對替換模型的特點，將多目標優(yōu)化問題轉化為標量優(yōu)化問題并給出替換模型,有約束優(yōu)化問題轉為無約束優(yōu)化問題需要用罰函數(shù),采用變尺度法求解，綜合上面的思想對長距離輸氣管道的經(jīng)濟模型進行了優(yōu)化設計，將設計變量(管徑)考慮為連續(xù)變量,通過罰函數(shù)將問題轉化為無約束優(yōu)化問題，用變尺度法對天然氣管網(wǎng)系統(tǒng)工藝參數(shù)和樹枝狀天然氣管網(wǎng)的優(yōu)化設計進行了研究。 </p><p>　　但

8、是,計算機的存儲量會限制其在求解高位問題上，而且需要目標函數(shù)具有可導性等因素影響，從而限制了其在優(yōu)化設計中的應用。 </p><p><b>　　2、復合形法 </b></p><p>　　復合形法不需要跟變尺度法一樣需要一維搜索，因此相對于變尺度法就相對適應范圍廣、編程簡單，沒有特殊的要求。 </p><p>　　建立了管道結構模糊優(yōu)化模型,

9、求解時將多目標模糊優(yōu)化模型轉為單目標模糊優(yōu)化模型,采用此方法進行了求解。但是這種方法不能用于解決具有等式約束優(yōu)化問題、因為收斂速度過慢等缺點，特別是處理混合或離散設計變量優(yōu)化問題時必須將離散設計變量作為連續(xù)變量來處理?，F(xiàn)在廣泛采用的是基于復合形法為主的混合離散復合形法，在一定程度上解決了這一問題。此方法提出一種約束條件和設計變量比較少的輸氣管道優(yōu)化設計新模式,被應用到輸油管道優(yōu)化設計，并采用了MDCP法求解，改進的MDCP法不僅提高了收

10、斂的速度，還提高了求解的成功率。 </p><p><b>　　3、遺傳算法 </b></p><p>　　天然氣管網(wǎng)設計參數(shù)優(yōu)化就是要在當管網(wǎng)布置已確定時尋找一組使目標函數(shù)最小的管段經(jīng)濟性管徑組合,管徑選自于標準系列(離散值)。根據(jù)天然氣管網(wǎng)結構特點,構建了遺傳算法中重要的適應度函數(shù),給出了管道編碼的方法。 </p><p>　　多相流動管網(wǎng)

11、模擬優(yōu)化計算的模型方程的建立，求解模型方程采用的是遺傳算法，對油田地面集輸管網(wǎng)優(yōu)化計算進行了研究；針對傳統(tǒng)優(yōu)化方法對管網(wǎng)優(yōu)化模型進行求解時，普遍的方法是先要假設管子的直徑是連續(xù)變量，同時在求解過程中還可能要對目標函數(shù)求導等不好的因素存在，采用遺傳算法對城市燃氣管網(wǎng)進行了優(yōu)化設計。但是，遺傳算法存在的缺陷就是針對于大型的非線性系統(tǒng)優(yōu)化的求解，例如局部收斂速度慢、達不到收斂全局最優(yōu)解等。為了彌補這些缺陷，許多文獻嘗試了其他算法來配合遺傳算法

12、求解優(yōu)化問題。MontoyaSJ等用遺傳算法與哈迪-克勞斯(Hard-Cross)方法相結合對所建立的天然氣管網(wǎng)優(yōu)化設計模型進行了求解，并且把這種優(yōu)化技術應用到實際中，結果非常好，管網(wǎng)的建設運行費用減少了很多，這樣既可以保證全局最優(yōu)解，還節(jié)省了經(jīng)濟。 </p><p>　　收斂速度快需要利用遺傳算法的廣義簡約梯度法和全局的優(yōu)化，將2者有機的結合起來，構造出一種混合遺傳算法。應用于優(yōu)化設計新建的環(huán)狀集水管網(wǎng)，根據(jù)收

13、斂速度的提高，證實了這種算法的可行性。但是，還沒有完全解決的是遺傳算法的全局優(yōu)化收斂性理論。目前，該領域的研究熱點依舊在克服遺傳學算法的早熟問題上。 </p><p><b>　　4、啟發(fā)式算法 </b></p><p>　　啟發(fā)式算法包括模擬退火、神經(jīng)網(wǎng)絡、禁忌搜索、進化計算和拉格朗日松弛等算法,這些算法涉及到神經(jīng)系統(tǒng)、生物進化、人工智能等概念,都是倚靠著直觀基礎而

14、構造的算法。啟發(fā)式算法具有簡單易行、比較直觀、速度快、多數(shù)情況下程序設計比較簡單等優(yōu)點，尤其是進化計算中遺傳算法的推廣應用引起了廣大設計者的興趣。目前,進化計算已經(jīng)廣泛應用到工程項目優(yōu)化設計當中,其中對遺傳算法的研究比較集中,主要針對其早熟收斂等問題。 </p><p><b>　　5、混沌優(yōu)化 </b></p><p>　　混沌運動具有多樣性、遍歷性、隨機性等特點，

15、但是混沌優(yōu)化方法的搜索過程按混沌運動自身的規(guī)律和特性進行?；煦鐑?yōu)化的搜索率高正是因為這三個特點,可以避免優(yōu)化陷入最優(yōu)解。其缺點是效果不是很理想。想要解決這個難題,如與線性搜索相結合來解決非線性約束優(yōu)化問題等。另外,利用混沌算法做到好的效果的典型就是解決遺傳算法早熟收斂的問題。 </p><p>　　6、其他優(yōu)化理論和方法 </p><p>　　對于天然氣管網(wǎng)優(yōu)化設計這類有非線性約束混合離散

16、變量優(yōu)化問題,傳統(tǒng)的方法無論是將離散變量連續(xù)化,還是將連續(xù)變量離散化均不易求得最優(yōu)化的解決。另外,許多方法還存在著對目標函數(shù)可導性收斂速度慢、要求比較嚴格、計算量超大等缺點,使其應用在一定程度上受到了限制。近年來,隨著計算機智能優(yōu)化的計算方法，為優(yōu)化設計提供了新的方向。 </p><p><b>　　結束語 </b></p><p>　　天然氣管網(wǎng)系統(tǒng)優(yōu)化是一項復雜的

17、系統(tǒng)工程,分級優(yōu)化所得到的結果只是各級問題的最優(yōu)解,并不一定能使整個系統(tǒng)達到最優(yōu)。天然氣管網(wǎng)優(yōu)化設計模型復雜,給求解帶來一定困難。天然氣管網(wǎng)優(yōu)化設計問題中設計變量數(shù)量和類型多,約束條件復雜。天然氣管網(wǎng)優(yōu)化設計技術還不盡成熟,所以還應不斷深入研究優(yōu)化模型的特點并與多種優(yōu)化方法相結合,從而不斷發(fā)展和完善天然氣管網(wǎng)優(yōu)化設計技術。 </p><p><b>　　參考文獻： </b></p>

18、;<p>　　[1]白建輝.天然氣管網(wǎng)最優(yōu)化設計概述[J].2006(06). </p><p>　　[2]陳進殿，汪玉春.天然氣管網(wǎng)系統(tǒng)最優(yōu)化研究[J].油氣儲運.2006（02）. </p><p>　　[3]李衛(wèi)華.天然氣管網(wǎng)系統(tǒng)設計優(yōu)化研究[J].2012（03）. </p><p>　　[4]王鑫.城鎮(zhèn)天然氣管網(wǎng)優(yōu)化設計研究[J].2010（