燃氣管網故障管段隔離決策算法

摘 要

摘要：建立了燃氣管網故障管段隔離決策算法，用于管段(或閥門)發生故障時，為了從管網隔離故障管段(或閥門)，確定需關閉的閥門。由該算法編制的程序計算結果可給出相應的故障管段(
摘要：建立了燃氣管網故障管段隔離決策算法，用于管段(或閥門)發生故障時，為了從管網隔離故障管段(或閥門)，確定需關閉的閥門。由該算法編制的程序計算結果可給出相應的故障管段(或閥門)隔離影響區、影響供氣量等?；谠撍惴?，利用GIS的管網數據庫，可實現在線故障管段(或閥門)隔離決策。
關鍵詞：燃氣管網；流體管網；故障管段；故障閥門；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
   愈來愈多燃氣公司的燃氣管網系統配置了地理信息系統(GIS)。GIS為燃氣管網輸配調度與管理提供了面向管網的信息管理，為燃氣管網的運行、管理提供管道信息庫、管網拓撲結構庫、管網信息數據庫，設備信息庫和管網信息管理平臺[1]。在其功能中包括故障管段隔離決策。
    當管網中管段或閥門發生故障、泄漏時，借助GIS確定應該關閉的閥門并給出因此而被影響或中斷供氣的供氣區域。為賦予GIS系統這種故障管段隔離決策功能，可以通過經驗的方法建立相應的決策數據庫，但為使決策過程科學化，應該研究應用于GIS的管網故障管段隔離決策算法(簡稱管段隔離決策算法)。
    為隔離故障管段或閥門以便于對其進行維修更換，需關閉管網中與故障管段或閥門相關的截斷閥門。這樣一組相關的截斷閥門，簡稱相關閥門。
    為將故障管段(或閥門)所屬管段組從管網隔離，由指出的故障管段(或閥門)確定應關閉的相關閥門，通稱為故障管段隔離決策。
    管網的各管段與接受此管段供氣的范圍可劃分為若干供氣區域(簡稱區域)。相應于故障管段(或閥門)，接受其供氣的若干供氣區域形成此管段(或閥門)的隔離影響區。
    本文討論對有一定閥門配置的管網[2]，建立故障管段隔離決策算法，包括故障管段(或閥門)隔離矩陣以及故障管段(或閥門)隔離影響區矩陣，基于它們，在指出故障管段(或閥門)時，迅速確定應關閉的相關閥門，并給出受影響的供氣區域的報告。
2 故障管段隔離決策算法
2.1 管網編號及替代節點
    對一個燃氣管網，為給出其拓撲結構，需對其元件進行編號，包括管段號、節點號、閥門號、管段組(通過對管網進行閥門配置，用閥門將管網分隔為若干個有一定管段數的管段組實現區域隔離[2])號；對管網各管段的供氣區域也需按其劃分進行編號。
    對于度數大于2的節點，若與該節點相連的各管段上的靠近節點的閥門數≥2，則將各閥門視為替代節點。對每一替代節點也需進行編號。因此管網將具有一組節點和一組替代節點，其編號次序為：先對各節點編號，再對替代節點編號，以使條理清晰。
    若管段上的鄰近節點的閥門設為替代節點，則以其代替此管段上的閥門所鄰近的節點作為此管段的端點。
    筆者提出的這一替代節點概念是成功建立管段隔離決策算法的關鍵。
2.2 管網的關聯矩陣和管段-供氣區域關聯矩陣
    為建立管段隔離決策算法，首先列出若干表明管網拓撲關系的關聯矩陣以及表明管網的管段與供氣區域關系的關聯矩陣。
    筆者已在文獻[2]中提出對管網的截斷閥門進行規則配置的方法。相應于管網m級規則配置，管網的管段被截斷閥門分隔成管段數為m的管段隔離組(簡稱管段組)。
   ① 管段組-管段關聯矩陣A
    A=[ai,j]S×M    (1)
式中A——管段組-管段關聯矩陣
    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
    j一管段號
    S——管段組數
    M——管網管段數
② 管段-節點關聯矩陣B
     B=[bj,k]M×(N+P)    (2)
式中B——管段-節點關聯矩陣，本式所指節點包含替代節點
    bj,k——矩陣B元素，節點或替代節點k屬于管段j，則bj,k =1，否則bj,k =0
    k——節點或替代節點號
    N——管網節點數
    P——管網替代節點數
    ③ 節點-閥門關聯矩陣C
    C=[ck,t](N+P)×V    (3)
式中C——節點-閥門關聯矩陣，本式所指節點包含替代節點
    ck,t——矩陣C元素，t閥門在k節點相連的管段上，且靠近k節點，則ck,t=1，否則ck,t=0
    t——閥門號
    V——閥門數
    ④ 管段-供氣區域關聯矩陣R
    R=[rj,u]M×Q    (4)
式中R——管段-供氣區域關聯矩陣
    rj,u——矩陣R元素，供氣區域u屬于管段j的隔離影響區，則rj,u=1，否則rj,u=0
    u——供氣區域號
    Q——區域數
2.3 管段隔離決策矩陣及管段隔離影響區矩陣
    利用管網的關聯矩陣推導用于故障管段隔離決策的矩陣，以及推導用于確定故障管段與隔離影響區關系的關聯矩陣。
   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，對應于故障管段j，屬于需關閥的閥門，有fj,t≥1，否則fj,t =0
    矩陣F即給出了管網故障隔離決策算法。
    由矩陣F，指定故障管段號j，對應于j行有若干個列，其元素fj,t≥1，各列號即是為了隔離編號為j的管段需關閉的相關閥門號。
   ② 管段隔離影響區矩陣Z
    Z=ATAR    (7)
    Z=[zj,u]M×Q    (8)
式中Z——管段隔離影響區矩陣
    zj,u——矩陣Z元素，對應于故障管段j，屬于隔離影響區的區域，有zj,u=1，否則zj,u=0
   在隔離影響區矩陣的基礎上，可以表達出隔離影響區用戶數、影響供氣的用氣量等相關信息。
3 應用實例
    如圖1所示管網，管段數M=10，節點數N=9，替代節點數P=2(閥門5、6處)，閥門數V=8，管段組數S=5，區域數Q=15。
 
   已知管網關聯矩陣A、B、C及管段-供氣區域關聯矩陣R，并計算得到矩陣F、Z。
 
    由指定的故障管段號即矩陣F行號j，得到矩陣元素fj,t≥1的列號t即為應關閉的相關閥門號，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閥門集合，例如管段1與管段2有相同的相關閥門集合{4，5}，管段8與管段10有相同的相關閥門集合{1，2，3}。
    ② 由矩陣F看到，對于閥門配置級別m=2的規則配置管網，最大相關閥門數為4，例如為了隔離故障管段5，需關閉閥門5、6、7、8。
 
    由指定故障管段號j即矩陣Z行號j，得到矩陣元素zj,u≥1的列號M即為影響區的區域號。
   由矩陣Z看到：
   ① 同管段組管段有相同的影響區集合，如管段1與管段2有相同的影響區集合{1，2，3，5}，管段4與管段5有相同的影響區集合{4，7，10}。
    ② 矩陣元素z=2表示區域與2根管段有關，如z4,4=2，z5,4=2，即第4區域與4、5兩管段有關。類似有：z8,8=2，z10,8=2。
4 閥門隔離決策矩陣
    閥門發生故障時，對該閥門的處置會影響到它連接的兩組管道[2]。可以類似于管段隔離決策矩陣及管段隔離影響區矩陣的推導，推導閥門隔離決策矩陣及閥門隔離影響區矩陣。
    ① 閥門隔離決策矩陣K
    記OT=CTBTAT    (9)
    有K=OTABC    (10)
    K=[kh,t]V×V    (11)
式中K——閥門隔離決策矩陣
    kh,t——矩陣K元素，對應于故障閥門h的若干個需關閥的閥門，有kh,t≥1，否則kh,t=0
    由矩陣K，指定故障閥門號h，對應于h行有若干個列，其元素kh,t≥1，各列號即是為了隔離編號為h的閥門，需關閉的相關閥門號。
    ② 閥門隔離影響區矩陣Y
    Y=0TAR    (12)
    Y=[yh,u]V×Q    (13)
式中Y—一閥門隔離影響區矩陣
    yh,u——矩陣Y元素，對閥門號h，受其影響的供氣區域u，則yh,u=1，否則yh,u=0
    同樣，在閥門隔離影響區矩陣的基礎上，可以表達出影響區用戶數，影響供氣的用氣量等相關信息。
5 結論
    ① 由得到的故障管段(或閥門)隔離決策矩陣及管段(或閥門)隔離影響區矩陣構成了故障管段(或閥門)隔離決策算法?？梢跃幹瞥绦颍芍付ü收瞎芏?或閥門)號可獲知相應的需關閉的相關閥門，以及由此而受影響的供氣區域。
    ② 基于GIS的管網數據庫平臺，實現在線的故障管段(或閥門)隔離決策功能(例如可由隔離決策算法的程序段創建一個Matlab服務器對象)，在管網運行、調度和管理中應用。
    ③ 故障管段隔離決策算法將管網管段隔離問題用科學的方式加以表達，也是筆者關于管網閥門配置研究工作的延伸。本成果不限于燃氣管網，也適于其他流體管網。
參考文獻：
[1] 嚴銘卿，宓亢琪，田貫三，等.燃氣工程設計手冊[M].北京：中國建筑工業出版社，2009。
[2] 嚴銘卿.燃氣管網閥門規則配置[J].煤氣與熱力，2009，29(10)：B01-B07.
 
(本文作者：嚴銘卿 中國市政工程華北設計研究總院 天津 300074)