燃?xì)夤芫W(wǎng)故障管段隔離決策算法

摘 要

摘要：建立了燃?xì)夤芫W(wǎng)故障管段隔離決策算法，用于管段(或閥門(mén))發(fā)生故障時(shí)，為了從管網(wǎng)隔離故障管段(或閥門(mén))，確定需關(guān)閉的閥門(mén)。由該算法編制的程序計(jì)算結(jié)果可給出相應(yīng)的故障管段(
摘要：建立了燃?xì)夤芫W(wǎng)故障管段隔離決策算法，用于管段(或閥門(mén))發(fā)生故障時(shí)，為了從管網(wǎng)隔離故障管段(或閥門(mén))，確定需關(guān)閉的閥門(mén)。由該算法編制的程序計(jì)算結(jié)果可給出相應(yīng)的故障管段(或閥門(mén))隔離影響區(qū)、影響供氣量等?；谠撍惴ǎ肎IS的管網(wǎng)數(shù)據(jù)庫(kù)，可實(shí)現(xiàn)在線(xiàn)故障管段(或閥門(mén))隔離決策。
關(guān)鍵詞：燃?xì)夤芫W(wǎng)；流體管網(wǎng)；故障管段；故障閥門(mén)；管段隔離；決策；算法
Algorithm for Isolation Decision-making of Failure Section of Gas Network
YAN Min-qing
Abstract：The algorithm for isolation decision-making of failure section of gas network is created，and used to determine the valve needing to be closed in order to isolate failure section(or valve)at gas network in occurrence of section(or valve)failure. The influenced zones and influenced gas supply and so on due to isolation of failure section(or valve)can be given by calculation of the algorithm. Based on the algorithm the on-line isolation decision-making of failure section(or valve) can be attained by GIS database of gas network.
Key words：gas network；fluid network；failure section；failure valve；section isolation；decision-making；algorithm
1 概述
   愈來(lái)愈多燃?xì)夤镜娜細(xì)夤芫W(wǎng)系統(tǒng)配置了地理信息系統(tǒng)(GIS)。GIS為燃?xì)夤芫W(wǎng)輸配調(diào)度與管理提供了面向管網(wǎng)的信息管理，為燃?xì)夤芫W(wǎng)的運(yùn)行、管理提供管道信息庫(kù)、管網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)庫(kù)、管網(wǎng)信息數(shù)據(jù)庫(kù)，設(shè)備信息庫(kù)和管網(wǎng)信息管理平臺(tái)[1]。在其功能中包括故障管段隔離決策。
    當(dāng)管網(wǎng)中管段或閥門(mén)發(fā)生故障、泄漏時(shí)，借助GIS確定應(yīng)該關(guān)閉的閥門(mén)并給出因此而被影響或中斷供氣的供氣區(qū)域。為賦予GIS系統(tǒng)這種故障管段隔離決策功能，可以通過(guò)經(jīng)驗(yàn)的方法建立相應(yīng)的決策數(shù)據(jù)庫(kù)，但為使決策過(guò)程科學(xué)化，應(yīng)該研究應(yīng)用于GIS的管網(wǎng)故障管段隔離決策算法(簡(jiǎn)稱(chēng)管段隔離決策算法)。
    為隔離故障管段或閥門(mén)以便于對(duì)其進(jìn)行維修更換，需關(guān)閉管網(wǎng)中與故障管段或閥門(mén)相關(guān)的截?cái)嚅y門(mén)。這樣一組相關(guān)的截?cái)嚅y門(mén)，簡(jiǎn)稱(chēng)相關(guān)閥門(mén)。
    為將故障管段(或閥門(mén))所屬管段組從管網(wǎng)隔離，由指出的故障管段(或閥門(mén))確定應(yīng)關(guān)閉的相關(guān)閥門(mén)，通稱(chēng)為故障管段隔離決策。
    管網(wǎng)的各管段與接受此管段供氣的范圍可劃分為若干供氣區(qū)域(簡(jiǎn)稱(chēng)區(qū)域)。相應(yīng)于故障管段(或閥門(mén))，接受其供氣的若干供氣區(qū)域形成此管段(或閥門(mén))的隔離影響區(qū)。
    本文討論對(duì)有一定閥門(mén)配置的管網(wǎng)[2]，建立故障管段隔離決策算法，包括故障管段(或閥門(mén))隔離矩陣以及故障管段(或閥門(mén))隔離影響區(qū)矩陣，基于它們，在指出故障管段(或閥門(mén))時(shí)，迅速確定應(yīng)關(guān)閉的相關(guān)閥門(mén)，并給出受影響的供氣區(qū)域的報(bào)告。
2 故障管段隔離決策算法
2.1 管網(wǎng)編號(hào)及替代節(jié)點(diǎn)
    對(duì)一個(gè)燃?xì)夤芫W(wǎng)，為給出其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，需對(duì)其元件進(jìn)行編號(hào)，包括管段號(hào)、節(jié)點(diǎn)號(hào)、閥門(mén)號(hào)、管段組(通過(guò)對(duì)管網(wǎng)進(jìn)行閥門(mén)配置，用閥門(mén)將管網(wǎng)分隔為若干個(gè)有一定管段數(shù)的管段組實(shí)現(xiàn)區(qū)域隔離[2])號(hào)；對(duì)管網(wǎng)各管段的供氣區(qū)域也需按其劃分進(jìn)行編號(hào)。
    對(duì)于度數(shù)大于2的節(jié)點(diǎn)，若與該節(jié)點(diǎn)相連的各管段上的靠近節(jié)點(diǎn)的閥門(mén)數(shù)≥2，則將各閥門(mén)視為替代節(jié)點(diǎn)。對(duì)每一替代節(jié)點(diǎn)也需進(jìn)行編號(hào)。因此管網(wǎng)將具有一組節(jié)點(diǎn)和一組替代節(jié)點(diǎn)，其編號(hào)次序?yàn)椋合葘?duì)各節(jié)點(diǎn)編號(hào)，再對(duì)替代節(jié)點(diǎn)編號(hào)，以使條理清晰。
    若管段上的鄰近節(jié)點(diǎn)的閥門(mén)設(shè)為替代節(jié)點(diǎn)，則以其代替此管段上的閥門(mén)所鄰近的節(jié)點(diǎn)作為此管段的端點(diǎn)。
    筆者提出的這一替代節(jié)點(diǎn)概念是成功建立管段隔離決策算法的關(guān)鍵。
2.2 管網(wǎng)的關(guān)聯(lián)矩陣和管段-供氣區(qū)域關(guān)聯(lián)矩陣
    為建立管段隔離決策算法，首先列出若干表明管網(wǎng)拓?fù)潢P(guān)系的關(guān)聯(lián)矩陣以及表明管網(wǎng)的管段與供氣區(qū)域關(guān)系的關(guān)聯(lián)矩陣。
    筆者已在文獻(xiàn)[2]中提出對(duì)管網(wǎng)的截?cái)嚅y門(mén)進(jìn)行規(guī)則配置的方法。相應(yīng)于管網(wǎng)m級(jí)規(guī)則配置，管網(wǎng)的管段被截?cái)嚅y門(mén)分隔成管段數(shù)為m的管段隔離組(簡(jiǎn)稱(chēng)管段組)。
   ① 管段組-管段關(guān)聯(lián)矩陣A
    A=[ai,j]S×M    (1)
式中A——管段組-管段關(guān)聯(lián)矩陣
    ai,j——矩陣A元素，管段j屬于管段組i，則ai,j=1，否則ai,j=0
    i——管段組號(hào)
    j一管段號(hào)
    S——管段組數(shù)
    M——管網(wǎng)管段數(shù)
② 管段-節(jié)點(diǎn)關(guān)聯(lián)矩陣B
     B=[bj,k]M×(N+P)    (2)
式中B——管段-節(jié)點(diǎn)關(guān)聯(lián)矩陣，本式所指節(jié)點(diǎn)包含替代節(jié)點(diǎn)
    bj,k——矩陣B元素，節(jié)點(diǎn)或替代節(jié)點(diǎn)k屬于管段j，則bj,k =1，否則bj,k =0
    k——節(jié)點(diǎn)或替代節(jié)點(diǎn)號(hào)
    N——管網(wǎng)節(jié)點(diǎn)數(shù)
    P——管網(wǎng)替代節(jié)點(diǎn)數(shù)
    ③ 節(jié)點(diǎn)-閥門(mén)關(guān)聯(lián)矩陣C
    C=[ck,t](N+P)×V    (3)
式中C——節(jié)點(diǎn)-閥門(mén)關(guān)聯(lián)矩陣，本式所指節(jié)點(diǎn)包含替代節(jié)點(diǎn)
    ck,t——矩陣C元素，t閥門(mén)在k節(jié)點(diǎn)相連的管段上，且靠近k節(jié)點(diǎn)，則ck,t=1，否則ck,t=0
    t——閥門(mén)號(hào)
    V——閥門(mén)數(shù)
    ④ 管段-供氣區(qū)域關(guān)聯(lián)矩陣R
    R=[rj,u]M×Q    (4)
式中R——管段-供氣區(qū)域關(guān)聯(lián)矩陣
    rj,u——矩陣R元素，供氣區(qū)域u屬于管段j的隔離影響區(qū)，則rj,u=1，否則rj,u=0
    u——供氣區(qū)域號(hào)
    Q——區(qū)域數(shù)
2.3 管段隔離決策矩陣及管段隔離影響區(qū)矩陣
    利用管網(wǎng)的關(guān)聯(lián)矩陣推導(dǎo)用于故障管段隔離決策的矩陣，以及推導(dǎo)用于確定故障管段與隔離影響區(qū)關(guān)系的關(guān)聯(lián)矩陣。
   ① 管段隔離決策矩陣F
    F=ATABC    (5)
    F=[fj,t]M×V    (6)
式中F——管段隔離決策矩陣
    fj,t——矩陣F元素，對(duì)應(yīng)于故障管段j，屬于需關(guān)閥的閥門(mén)，有fj,t≥1，否則fj,t =0
    矩陣F即給出了管網(wǎng)故障隔離決策算法。
    由矩陣F，指定故障管段號(hào)j，對(duì)應(yīng)于j行有若干個(gè)列，其元素fj,t≥1，各列號(hào)即是為了隔離編號(hào)為j的管段需關(guān)閉的相關(guān)閥門(mén)號(hào)。
   ② 管段隔離影響區(qū)矩陣Z
    Z=ATAR    (7)
    Z=[zj,u]M×Q    (8)
式中Z——管段隔離影響區(qū)矩陣
    zj,u——矩陣Z元素，對(duì)應(yīng)于故障管段j，屬于隔離影響區(qū)的區(qū)域，有zj,u=1，否則zj,u=0
   在隔離影響區(qū)矩陣的基礎(chǔ)上，可以表達(dá)出隔離影響區(qū)用戶(hù)數(shù)、影響供氣的用氣量等相關(guān)信息。
3 應(yīng)用實(shí)例
    如圖1所示管網(wǎng)，管段數(shù)M=10，節(jié)點(diǎn)數(shù)N=9，替代節(jié)點(diǎn)數(shù)P=2(閥門(mén)5、6處)，閥門(mén)數(shù)V=8，管段組數(shù)S=5，區(qū)域數(shù)Q=15。
 
   已知管網(wǎng)關(guān)聯(lián)矩陣A、B、C及管段-供氣區(qū)域關(guān)聯(lián)矩陣R，并計(jì)算得到矩陣F、Z。
 
    由指定的故障管段號(hào)即矩陣F行號(hào)j，得到矩陣元素fj,t≥1的列號(hào)t即為應(yīng)關(guān)閉的相關(guān)閥門(mén)號(hào)，例如j=6，t=1，4，6。
    ① 由矩陣F看到，同一管段組的管段有相同的相關(guān)閥門(mén)集合，例如管段1與管段2有相同的相關(guān)閥門(mén)集合{4，5}，管段8與管段10有相同的相關(guān)閥門(mén)集合{1，2，3}。
    ② 由矩陣F看到，對(duì)于閥門(mén)配置級(jí)別m=2的規(guī)則配置管網(wǎng)，最大相關(guān)閥門(mén)數(shù)為4，例如為了隔離故障管段5，需關(guān)閉閥門(mén)5、6、7、8。
 
    由指定故障管段號(hào)j即矩陣Z行號(hào)j，得到矩陣元素zj,u≥1的列號(hào)M即為影響區(qū)的區(qū)域號(hào)。
   由矩陣Z看到：
   ① 同管段組管段有相同的影響區(qū)集合，如管段1與管段2有相同的影響區(qū)集合{1，2，3，5}，管段4與管段5有相同的影響區(qū)集合{4，7，10}。
    ② 矩陣元素z=2表示區(qū)域與2根管段有關(guān)，如z4,4=2，z5,4=2，即第4區(qū)域與4、5兩管段有關(guān)。類(lèi)似有：z8,8=2，z10,8=2。
4 閥門(mén)隔離決策矩陣
    閥門(mén)發(fā)生故障時(shí)，對(duì)該閥門(mén)的處置會(huì)影響到它連接的兩組管道[2]?？梢灶?lèi)似于管段隔離決策矩陣及管段隔離影響區(qū)矩陣的推導(dǎo)，推導(dǎo)閥門(mén)隔離決策矩陣及閥門(mén)隔離影響區(qū)矩陣。
    ① 閥門(mén)隔離決策矩陣K
    記OT=CTBTAT    (9)
    有K=OTABC    (10)
    K=[kh,t]V×V    (11)
式中K——閥門(mén)隔離決策矩陣
    kh,t——矩陣K元素，對(duì)應(yīng)于故障閥門(mén)h的若干個(gè)需關(guān)閥的閥門(mén)，有kh,t≥1，否則kh,t=0
    由矩陣K，指定故障閥門(mén)號(hào)h，對(duì)應(yīng)于h行有若干個(gè)列，其元素kh,t≥1，各列號(hào)即是為了隔離編號(hào)為h的閥門(mén)，需關(guān)閉的相關(guān)閥門(mén)號(hào)。
    ② 閥門(mén)隔離影響區(qū)矩陣Y
    Y=0TAR    (12)
    Y=[yh,u]V×Q    (13)
式中Y—一閥門(mén)隔離影響區(qū)矩陣
    yh,u——矩陣Y元素，對(duì)閥門(mén)號(hào)h，受其影響的供氣區(qū)域u，則yh,u=1，否則yh,u=0
    同樣，在閥門(mén)隔離影響區(qū)矩陣的基礎(chǔ)上，可以表達(dá)出影響區(qū)用戶(hù)數(shù)，影響供氣的用氣量等相關(guān)信息。
5 結(jié)論
    ① 由得到的故障管段(或閥門(mén))隔離決策矩陣及管段(或閥門(mén))隔離影響區(qū)矩陣構(gòu)成了故障管段(或閥門(mén))隔離決策算法。可以編制程序，由指定故障管段(或閥門(mén))號(hào)可獲知相應(yīng)的需關(guān)閉的相關(guān)閥門(mén)，以及由此而受影響的供氣區(qū)域。
    ② 基于GIS的管網(wǎng)數(shù)據(jù)庫(kù)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)在線(xiàn)的故障管段(或閥門(mén))隔離決策功能(例如可由隔離決策算法的程序段創(chuàng)建一個(gè)Matlab服務(wù)器對(duì)象)，在管網(wǎng)運(yùn)行、調(diào)度和管理中應(yīng)用。
    ③ 故障管段隔離決策算法將管網(wǎng)管段隔離問(wèn)題用科學(xué)的方式加以表達(dá)，也是筆者關(guān)于管網(wǎng)閥門(mén)配置研究工作的延伸。本成果不限于燃?xì)夤芫W(wǎng)，也適于其他流體管網(wǎng)。
參考文獻(xiàn)：
[1] 嚴(yán)銘卿，宓亢琪，田貫三，等.燃?xì)夤こ淘O(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2009。
[2] 嚴(yán)銘卿.燃?xì)夤芫W(wǎng)閥門(mén)規(guī)則配置[J].煤氣與熱力，2009，29(10)：B01-B07.
 
(本文作者：嚴(yán)銘卿 中國(guó)市政工程華北設(shè)計(jì)研究總院 天津 300074)