基于遗传算法的城市燃气管网最优化布局-研究

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1、武汉理工大学硕士学位论文第1章绪论1．1城市燃气管网优化设计发展的现状和意义随着天然气资源的开发利用，天然气已成为大中城市的主要气源，在城市利用天然气的工程总体规划中，燃气工程是城市的重要建设内容之一。而对燃气工程建设起指导作用的则是根据城市总体规划设计进行的燃气专项总体规划。燃气工程建设的迅速发展使得城市燃气管网优化设计的科学化更加迫切【l】。目前我国大部分的燃气公司和设计院对城市燃气管网的设计主要包括对新建城市燃气管网的设计和对老旧城区原有燃气管网系统的改造，大多是针对管网参数(主要是管径)的优化设计，而布局的设计主要是依靠工程设计人员的实际经验。随着我国城市化建设的进程不断加快，国家不

2、断加大对城市燃气管网工程的建设，在这一历史背景下，由于城市燃气管网工程建设的投资十分巨大，而且工程建成后不能轻易改建或扩建，所以若采用的设计方案不合理，造成管网建成后需要改建，就会造成人力、财力、物力的巨大浪费。对城市燃气管网的优化设计日益受到人们的重视，但就目前来看，国内外对城市燃气管网优化设计的研究还处于起步阶段，且大多数是以树状管网作为研究对象，而对给水管网优化设计的研究理论上已较为成熟，研究成果也颇多，其中很多研究成果对燃气管网具有很强的借鉴性。遗传算法在多年来的研究中已证明了它在解决这一类非线性工程最优化问题方面的优势，与其他算法相比，遗传算法可得到全局最优解，这是其他算法所无法比

3、拟的。从这一角度来说，本文将遗传算法引入到城市燃气管网的布局优化设计中，并考虑对燃气管网布局和参数进行整体性的优化，对燃气管网布局优化设计的研究具有重要的借鉴意义。1．2国内外燃气管网优化设计研究的发展概况城市燃气管网的优化设计，通常包括两方面内容：管网布局优化设计和参数优化设计。大多数研究只是针对其中的一个方面进行优化设计，要么对管网布局做优化设计，将管网参数设置成约束条件，要么是在燃气管网布局已确定的基础上对管网参数进行优化设计。而将管网的布局优化和参数优化同时结合1武汉理工大学硕士学位论文起来进行考虑的比较少。目前对城市燃气管网优化设计的研究大多是以树状燃气管网作为对象，而非城市实际建

4、设的环状。由于环状管网的布局和参数，以及不同参数之间联系的复杂性，使得对环状管网优化设计的研究只能停留在布局确定的基础上对管道管径的优化。因此得到的优化成果在实际工程应用中价值不大。上个世纪60年代开始，国外便有很多学者开始针对输气管道优化设计问题进行理论研究【2~51。1970年，B．Rothfarb利用动态规划法，开发了一种合并技术使可能的管径组合数与节点数之间大体上呈线性关系而不是按指数规律增加【6】。1972年，美国纽约大学张国希教授提出Stoner算法，通过引入外点(称为Stoner点)，使求得的网络最短树总长要小于或等于只考虑固定点的常用图论方法求得的最短树总长【丌。1978年，

5、Edgar等人首先将广义简约梯度法应用于天然气输送网络的最优设计【8J。1983年，Goldberg将遗传算法用于管道系统的优化和机器学习。该系统模拟了从西南向东北运输天然气的管道系统【9J。1990年，Simposon和Dandy开始把应用遗传算法最优化技术进行配水系统优化设计列为重要研究课题进行研究。1992年，他们开始应用遗传算法最优化技术进行管径设计问题的测试【10】。1993年，Simposon、Dandy和Murphy等人在继续研究如何提高遗传算法最优化技术能力的同时，开始发表关于遗传算法最优化技术及其在实际配水系统优化中的应用方面的研究成果【ll】【l21。1995年，遗传算法

6、最优化技术的能力才得到充分提高，可有效地用于分析复杂的配水系统规划和设计问题【13~15】。我国对管网的优化设计研究是从80年代开始的，网络模型大多是针对树状管网而建立。通常，对于树状管网网络模型求解采用的优化算法有图论【16】中求无向网络D=(V，E，W)最小生成树法、DOskra算法和动态规划法。最小生成树法是将管网看作无向网络图，求该图的最小生成树，常用的经典算法有Prime算法、Kruskal算法、Stoner算法。Prime算法和Kruskal算法都需要判断圈，另外需要在图形上实现，无法采用计算机程序进行运算，效率不高，速度较慢。Stoner算法则是目前公认的求解最小树最好的方法。

7、Stoner算法是由美国纽约大学的张国希教授于1972年提出的，对具有较大规模的网络最短树问题的解决十分有效。但是Stoner算法应用时需要引入外点，因而要求地理限制不能太严，适用于气田集输管网等野外管线的布局。而在城市燃气管网优化布局设计中，其布局特点与集输管网等野外施工管线有很大的不同，它的布局受到城市街道分布等地理条件的限制以及其他城市燃气设施布置的影响。同时城市燃2武汉理工大学硕士学位论文气管网的敷设