上海市北燃?xì)怃N(xiāo)售有限公司 方淑芬

圍繞著服務(wù)于燃?xì)廨斉涔芾淼闹髦?，誕生了很多應(yīng)用于燃?xì)廨斉涔芫W(wǎng)安全運(yùn)行管理的系統(tǒng)，如燃?xì)忸A(yù)警系統(tǒng)、SCADA、GIS(地理信息系統(tǒng))及燃?xì)夤芫W(wǎng)巡檢等系統(tǒng)，包括輸配系統(tǒng)壓力監(jiān)測(cè)管理、日常巡檢監(jiān)管、應(yīng)急搶修管理等方面。這些系統(tǒng)的應(yīng)用顯著提升了管網(wǎng)實(shí)際運(yùn)營(yíng)管理水平，燃?xì)夤据斉涔芾碇鸩綌[脫了經(jīng)驗(yàn)管理和事后管理的模式，轉(zhuǎn)化成事前主動(dòng)預(yù)防管控。近年來(lái)伴隨著人工智能理念的逐步滲透，“智能管網(wǎng)” “智能調(diào)度”順勢(shì)而生，相應(yīng)地對(duì)燃?xì)夤芫W(wǎng)的規(guī)劃、運(yùn)行和管理又提出了更高的要求。

市北燃?xì)夤据爡^(qū)現(xiàn)有的高中低壓燃?xì)夤艿酪殉^(guò)8 700 km，各壓力級(jí)制調(diào)壓器3 500余座。管網(wǎng)正常運(yùn)行是保障燃?xì)夤?yīng)的關(guān)鍵，而壓力和流量數(shù)據(jù)則是燃?xì)夤芫W(wǎng)正常運(yùn)行的直觀體現(xiàn)。目前公司系統(tǒng)數(shù)據(jù)顯示暫時(shí)主要是單個(gè)壓力級(jí)制調(diào)壓器處燃?xì)獾膲毫筒糠至髁?，?shù)據(jù)分析基本也只是簡(jiǎn)單的統(tǒng)計(jì)和計(jì)算，從燃?xì)夤芾碚叩慕嵌容^難對(duì)整個(gè)或局部區(qū)域燃?xì)夤芫W(wǎng)的運(yùn)行狀況有一個(gè)整體、直觀的把控。因此，立足于目前燃?xì)夤芫W(wǎng)現(xiàn)狀，結(jié)合管網(wǎng)運(yùn)行的需求，采用互聯(lián)網(wǎng)與大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，進(jìn)一步挖掘系統(tǒng)采集到的大量數(shù)據(jù)的價(jià)值，探索制作一套城市燃?xì)夤芫W(wǎng)供氣平衡及智能調(diào)度系統(tǒng)，輔助燃?xì)庖?guī)劃和輸配運(yùn)行，協(xié)調(diào)管網(wǎng)運(yùn)行、壓力動(dòng)態(tài)平衡和優(yōu)化管網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)是十分必要的。

1 系統(tǒng)功能基本要求

燃?xì)夤芫W(wǎng)供氣平衡及智能調(diào)度系統(tǒng)需具備以下功能：

(1)基本設(shè)備查詢和瀏覽功能。

(2)根據(jù)管網(wǎng)流量變化分析預(yù)測(cè)管網(wǎng)的壓力變化，指導(dǎo)管網(wǎng)規(guī)劃布局。

(3)實(shí)時(shí)顯示流量的分布以及燃?xì)獾牧飨?，分析管網(wǎng)的供氣平衡狀態(tài)。

(4)實(shí)時(shí)顯示壓力，并具有預(yù)測(cè)未來(lái)一周壓力值的功能，用以指導(dǎo)管網(wǎng)運(yùn)行。

2 系統(tǒng)模型構(gòu)建

市北燃?xì)夤緦氬X(qián)路調(diào)壓站和永盛路調(diào)壓站管網(wǎng)相對(duì)比較獨(dú)立，且壓力和流量數(shù)據(jù)相對(duì)完整，因此選取這2個(gè)調(diào)壓站供氣源的周邊高中壓供氣管道作為研究對(duì)象。燃?xì)夤芫W(wǎng)供氣平衡及智能調(diào)度系統(tǒng)主要建立在壓力-流量模型和壓力預(yù)測(cè)模型的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)歷史大數(shù)據(jù)的梳理和分析，結(jié)合輸配運(yùn)行實(shí)際情況，再直觀展現(xiàn)管網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)，并根據(jù)運(yùn)行需要自主設(shè)定以了不同顏色區(qū)分的管網(wǎng)運(yùn)行壓力范圍和壓降區(qū)間。

2.1 壓力-流量模型

壓力-流量模型根據(jù)調(diào)壓站處的壓力和流量結(jié)合遺傳算法計(jì)算出每根管道各節(jié)點(diǎn)處的壓力和流量情況，前提是假設(shè)管道內(nèi)氣體滿足穩(wěn)態(tài)工況基本流量公式，整個(gè)管網(wǎng)滿足流量守恒定律：調(diào)壓站輸出流量等于各用戶使用流量的總和；各節(jié)點(diǎn)輸入流量等于該節(jié)點(diǎn)輸出的流量總和。

通過(guò)遺傳算法，根據(jù)基本流量公式，運(yùn)用評(píng)價(jià)函數(shù)f(x)等于各使用流量的總和減去輸出流量，將管道各個(gè)節(jié)點(diǎn)的壓力p和各分用戶的使用流量F使用關(guān)聯(lián)起來(lái)。

f(x)評(píng)價(jià)函數(shù)=∑F使用-F輸出

由于研究對(duì)象是高中壓管網(wǎng)，因此p的隨機(jī)范圍選取p調(diào)壓站為240 kPa。使用評(píng)價(jià)函數(shù)評(píng)估每代種群的適應(yīng)度，選擇適應(yīng)度高的個(gè)體，即將評(píng)價(jià)函數(shù)f(x)接近 0的個(gè)體進(jìn)行保留，對(duì)其中部分增大評(píng)價(jià)函數(shù)的節(jié)點(diǎn)p重新取值。通過(guò)比較總流量誤差最小的節(jié)點(diǎn)壓力分布情況，找出壓力誤差較大的個(gè)別節(jié)點(diǎn)，修改壓力或直接替換為其他情況下該節(jié)點(diǎn)流量誤差較小時(shí)的壓力(即遺傳算法中的交叉變異)，從而進(jìn)化出新的壓力分布情況作為種群，在滿足評(píng)價(jià)函數(shù)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行選擇、進(jìn)化、不斷迭代，最終尋找到滿足實(shí)際情況的最優(yōu)解，完成搭建。

導(dǎo)入寶錢(qián)和永盛區(qū)域的管道信息到遺傳算法系統(tǒng)，包含管道材質(zhì)、管道直徑、管道長(zhǎng)度、管道坐標(biāo)(連接情況)等進(jìn)行迭代訓(xùn)練。系統(tǒng)訓(xùn)練效果如圖1所示。可以得出，隨著系統(tǒng)訓(xùn)練迭代代數(shù)的增加，流量誤差不斷降低收斂，與真實(shí)值的差距逐步趨向于0，說(shuō)明系統(tǒng)可靠性高。

圖1 系統(tǒng)訓(xùn)練效果

2.2 壓力預(yù)測(cè)模型

數(shù)學(xué)計(jì)算系統(tǒng)LSTM擅長(zhǎng)處理和時(shí)間序列相關(guān)的序列數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)歷史數(shù)據(jù)的分析，尋找到數(shù)據(jù)之間的相關(guān)性，從而預(yù)測(cè)未來(lái)數(shù)據(jù)。具體使用時(shí)，結(jié)合具體調(diào)壓器連續(xù)7日的壓力、溫度、天氣等數(shù)據(jù)對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練，用歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，調(diào)整中間LSTM的層數(shù)和每層的神經(jīng)元數(shù)目，得到未來(lái)一周管網(wǎng)壓力的預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)，然后用下一周的數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。圖2是編號(hào)G-18913調(diào)壓器連續(xù)7日進(jìn)口壓力p預(yù)測(cè)值與真實(shí)值的對(duì)比，決定系數(shù)R2均大于0.9，說(shuō)明擬合度高，預(yù)測(cè)出的數(shù)據(jù)可信度高。

圖2 G-18913調(diào)壓器進(jìn)口壓力預(yù)測(cè)值與真實(shí)值的對(duì)比

3 系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例

3.1 查詢和瀏覽功能

燃?xì)夤芫W(wǎng)供氣平衡及智能調(diào)度系統(tǒng)結(jié)合公司原有的GIS系統(tǒng)數(shù)據(jù)，利用系統(tǒng)提供的查詢和瀏覽功能，通過(guò)菜單欄展示或隱藏對(duì)應(yīng)的設(shè)備圖層，如高中壓供氣管道、調(diào)壓站、高中壓管線等。同時(shí)，系統(tǒng)具有屬性查詢功能、自動(dòng)定位和測(cè)距功能；可查詢選定管道或某個(gè)點(diǎn)的具體屬性，如管道氣體壓力、燃?xì)忸?lèi)型、口徑、壁厚、管道長(zhǎng)度、風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)等，從而更好地為管網(wǎng)規(guī)劃和輸配運(yùn)行服務(wù)。

3.2 指導(dǎo)管網(wǎng)規(guī)劃布局

公司現(xiàn)行新建住宅小區(qū)及單位燃?xì)馀涮坠こ痰恼髟円庖?jiàn)、管道預(yù)排立項(xiàng)申請(qǐng)審批工作，主要根據(jù)該用氣點(diǎn)壓力及流量需求，考慮周邊調(diào)壓器進(jìn)口壓力及該區(qū)域燃?xì)夤芫W(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)，保留一定的冗余量設(shè)計(jì)安排氣源接入點(diǎn)，但耗時(shí)較長(zhǎng)。使用燃?xì)夤芫W(wǎng)供氣平衡及智能調(diào)度系統(tǒng)可便捷的處理此類(lèi)情況。為直觀展示，系統(tǒng)中以不同顏色區(qū)分管道的壓力降，壓力降從高到低依次以紅、黃、綠表示供應(yīng)緊張、一般和充裕3種狀態(tài)，管道欠壓則以灰色表示。具體紅、黃、綠閾值可根據(jù)需要設(shè)定。該系統(tǒng)可用于以下工作：

(1)在新用戶發(fā)展或者老用戶擴(kuò)容審核過(guò)程中，通過(guò)輸入相應(yīng)數(shù)值，便可得知原有管道結(jié)構(gòu)是否具備為其供應(yīng)的能力。操作人員可根據(jù)顏色直觀判斷該管道運(yùn)行情況，黃色或綠色可知該管網(wǎng)壓力滿足需求，紅色部分應(yīng)引起關(guān)注。

(2)對(duì)區(qū)域局部管網(wǎng)進(jìn)行管道連通、擴(kuò)徑，甚至刪減等管網(wǎng)優(yōu)化提供決策參考。以解決欠壓進(jìn)行管道連通為例：模擬管道壓力不足(含緊張)時(shí)，系統(tǒng)可從任意指定點(diǎn)添加管道至該用氣管道，并同時(shí)顯示添加管道后的壓力分布和壓降情況，在滿足管道運(yùn)行負(fù)荷的前提下，可結(jié)合管道長(zhǎng)度、口徑、施工的便捷性等因素綜合考慮經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)的方案。

3.3 實(shí)時(shí)顯示流量及流向

系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)顯示燃?xì)饬髁糠植肌⑷細(xì)饬髁考皦毫ζ胶恻c(diǎn)的功能，可以用來(lái)分析管網(wǎng)的供氣平衡狀態(tài)。上述功能可用于以下具體工作：

(1)指導(dǎo)規(guī)劃實(shí)施，進(jìn)而優(yōu)化調(diào)壓站負(fù)荷率。由于管網(wǎng)結(jié)構(gòu)、用氣點(diǎn)分布及需求的不均衡，2個(gè)氣源點(diǎn)的流量負(fù)荷可能存在差異，這樣的差異可能導(dǎo)致2個(gè)調(diào)壓站的流量出現(xiàn)不均衡現(xiàn)象。若某1個(gè)調(diào)壓站出現(xiàn)負(fù)荷率過(guò)大，對(duì)設(shè)備本體造成損耗過(guò)大，這種情況下規(guī)劃及調(diào)整部分管網(wǎng)結(jié)構(gòu)時(shí)可通過(guò)分析氣體流向、流量分布，結(jié)合平衡點(diǎn)的位置，在保障供應(yīng)的前提下，調(diào)整管網(wǎng)結(jié)構(gòu)，優(yōu)化氣源點(diǎn)的流量分布和流向，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)調(diào)整負(fù)荷率的效果。

(2)為應(yīng)急管理提供支撐。可根據(jù)平衡點(diǎn)分布、氣體流向和平衡點(diǎn)的位置制定系列保障供應(yīng)的應(yīng)急預(yù)案，提高應(yīng)急應(yīng)對(duì)的能力。如2個(gè)調(diào)壓站在實(shí)際供應(yīng)狀態(tài)中存在冗余不足的問(wèn)題，那么在運(yùn)行過(guò)程中，運(yùn)維單位可通過(guò)壓力平衡點(diǎn)了解2個(gè)氣源大致供應(yīng)的范圍，以便于在突發(fā)情況下做出合理的應(yīng)急措施。此外，在正常供應(yīng)狀態(tài)下，如2個(gè)氣源負(fù)責(zé)的區(qū)域承擔(dān)比例為 2:1；異常工況情況下，運(yùn)維單位可以根據(jù)平衡點(diǎn)或者平衡地帶，為了確保某 1個(gè)氣源點(diǎn)下游供應(yīng)穩(wěn)定，利用閥門(mén)啟閉操作對(duì)管網(wǎng)進(jìn)行臨時(shí)分割。這樣不會(huì)因?yàn)槟硞€(gè)氣源故障停止運(yùn)行，導(dǎo)致另一個(gè)氣源點(diǎn)供應(yīng)能力無(wú)法滿足，最終導(dǎo)致全區(qū)域運(yùn)行脫壓，產(chǎn)生更為惡劣的供應(yīng)事故。

3.4 實(shí)時(shí)顯示壓力及一周預(yù)測(cè)

系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)顯示壓力的功能，以等高線的形式將該區(qū)域壓力分布情況進(jìn)行展示，方便管理者和操作者直觀掌握該區(qū)域的整體供應(yīng)情況。

此外系統(tǒng)具有壓力預(yù)測(cè)功能，顯示選定區(qū)域或管線未來(lái)一周的預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)，使用時(shí)可直觀地觀測(cè)到選定區(qū)域的整體壓力分布情況，并提前預(yù)知未來(lái)一周的壓力情況，以便做好相應(yīng)的應(yīng)對(duì)措施，為輸配運(yùn)行管理提供參考。

4 結(jié)語(yǔ)

運(yùn)用燃?xì)夤芫W(wǎng)供氣平衡及智能調(diào)度系統(tǒng)，能為燃?xì)夤咎峁?shí)時(shí)壓力流量數(shù)據(jù)，可彌補(bǔ)當(dāng)下流量測(cè)量數(shù)據(jù)的不足。同時(shí)，系統(tǒng)具有管道和流量調(diào)整的模擬計(jì)算，實(shí)時(shí)顯示流量和燃?xì)饬飨?、預(yù)測(cè)未來(lái)一周壓力的功能，以及燃?xì)馄胶恻c(diǎn)的功能，可協(xié)助調(diào)整優(yōu)化管網(wǎng)的供氣平衡狀態(tài)，提前掌握未來(lái)壓力的變化趨勢(shì)，即對(duì)將出現(xiàn)的異常情況做好相應(yīng)的應(yīng)對(duì)措施，為整體規(guī)劃和管網(wǎng)布局提供建設(shè)性建議。