燃气管网故障管段隔离决策算法

摘 要

摘要：建立了燃气管网故障管段隔离决策算法，用于管段(或阀门)发生故障时，为了从管网隔离故障管段(或阀门)，确定需关闭的阀门。由该算法编制的程序计算结果可给出相应的故障管段(
摘要：建立了燃气管网故障管段隔离决策算法，用于管段(或阀门)发生故障时，为了从管网隔离故障管段(或阀门)，确定需关闭的阀门。由该算法编制的程序计算结果可给出相应的故障管段(或阀门)隔离影响区、影响供气量等。基于该算法，利用GIS的管网数据库，可实现在线故障管段(或阀门)隔离决策。
关键词：燃气管网；流体管网；故障管段；故障阀门；管段隔离；决策；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
   愈来愈多燃气公司的燃气管网系统配置了地理信息系统(GIS)。GIS为燃气管网输配调度与管理提供了面向管网的信息管理，为燃气管网的运行、管理提供管道信息库、管网拓扑结构库、管网信息数据库，设备信息库和管网信息管理平台[1]。在其功能中包括故障管段隔离决策。
    当管网中管段或阀门发生故障、泄漏时，借助GIS确定应该关闭的阀门并给出因此而被影响或中断供气的供气区域。为赋予GIS系统这种故障管段隔离决策功能，可以通过经验的方法建立相应的决策数据库，但为使决策过程科学化，应该研究应用于GIS的管网故障管段隔离决策算法(简称管段隔离决策算法)。
    为隔离故障管段或阀门以便于对其进行维修更换，需关闭管网中与故障管段或阀门相关的截断阀门。这样一组相关的截断阀门，简称相关阀门。
    为将故障管段(或阀门)所属管段组从管网隔离，由指出的故障管段(或阀门)确定应关闭的相关阀门，通称为故障管段隔离决策。
    管网的各管段与接受此管段供气的范围可划分为若干供气区域(简称区域)。相应于故障管段(或阀门)，接受其供气的若干供气区域形成此管段(或阀门)的隔离影响区。
    本文讨论对有一定阀门配置的管网[2]，建立故障管段隔离决策算法，包括故障管段(或阀门)隔离矩阵以及故障管段(或阀门)隔离影响区矩阵，基于它们，在指出故障管段(或阀门)时，迅速确定应关闭的相关阀门，并给出受影响的供气区域的报告。
2 故障管段隔离决策算法
2.1 管网编号及替代节点
    对一个燃气管网，为给出其拓扑结构，需对其元件进行编号，包括管段号、节点号、阀门号、管段组(通过对管网进行阀门配置，用阀门将管网分隔为若干个有一定管段数的管段组实现区域隔离[2])号；对管网各管段的供气区域也需按其划分进行编号。
    对于度数大于2的节点，若与该节点相连的各管段上的靠近节点的阀门数≥2，则将各阀门视为替代节点。对每一替代节点也需进行编号。因此管网将具有一组节点和一组替代节点，其编号次序为：先对各节点编号，再对替代节点编号，以使条理清晰。
    若管段上的邻近节点的阀门设为替代节点，则以其代替此管段上的阀门所邻近的节点作为此管段的端点。
    笔者提出的这一替代节点概念是成功建立管段隔离决策算法的关键。
2.2 管网的关联矩阵和管段-供气区域关联矩阵
    为建立管段隔离决策算法，首先列出若干表明管网拓扑关系的关联矩阵以及表明管网的管段与供气区域关系的关联矩阵。
    笔者已在文献[2]中提出对管网的截断阀门进行规则配置的方法。相应于管网m级规则配置，管网的管段被截断阀门分隔成管段数为m的管段隔离组(简称管段组)。
   ① 管段组-管段关联矩阵A
    A=[ai,j]S×M    (1)
式中A——管段组-管段关联矩阵
    ai,j——矩阵A元素，管段j属于管段组i，则ai,j=1，否则ai,j=0
    i——管段组号
    j一管段号
    S——管段组数
    M——管网管段数
② 管段-节点关联矩阵B
     B=[bj,k]M×(N+P)    (2)
式中B——管段-节点关联矩阵，本式所指节点包含替代节点
    bj,k——矩阵B元素，节点或替代节点k属于管段j，则bj,k =1，否则bj,k =0
    k——节点或替代节点号
    N——管网节点数
    P——管网替代节点数
    ③ 节点-阀门关联矩阵C
    C=[ck,t](N+P)×V    (3)
式中C——节点-阀门关联矩阵，本式所指节点包含替代节点
    ck,t——矩阵C元素，t阀门在k节点相连的管段上，且靠近k节点，则ck,t=1，否则ck,t=0
    t——阀门号
    V——阀门数
    ④ 管段-供气区域关联矩阵R
    R=[rj,u]M×Q    (4)
式中R——管段-供气区域关联矩阵
    rj,u——矩阵R元素，供气区域u属于管段j的隔离影响区，则rj,u=1，否则rj,u=0
    u——供气区域号
    Q——区域数
2.3 管段隔离决策矩阵及管段隔离影响区矩阵
    利用管网的关联矩阵推导用于故障管段隔离决策的矩阵，以及推导用于确定故障管段与隔离影响区关系的关联矩阵。
   ① 管段隔离决策矩阵F
    F=ATABC    (5)
    F=[fj,t]M×V    (6)
式中F——管段隔离决策矩阵
    fj,t——矩阵F元素，对应于故障管段j，属于需关阀的阀门，有fj,t≥1，否则fj,t =0
    矩阵F即给出了管网故障隔离决策算法。
    由矩阵F，指定故障管段号j，对应于j行有若干个列，其元素fj,t≥1，各列号即是为了隔离编号为j的管段需关闭的相关阀门号。
   ② 管段隔离影响区矩阵Z
    Z=ATAR    (7)
    Z=[zj,u]M×Q    (8)
式中Z——管段隔离影响区矩阵
    zj,u——矩阵Z元素，对应于故障管段j，属于隔离影响区的区域，有zj,u=1，否则zj,u=0
   在隔离影响区矩阵的基础上，可以表达出隔离影响区用户数、影响供气的用气量等相关信息。
3 应用实例
    如图1所示管网，管段数M=10，节点数N=9，替代节点数P=2(阀门5、6处)，阀门数V=8，管段组数S=5，区域数Q=15。
 
   已知管网关联矩阵A、B、C及管段-供气区域关联矩阵R，并计算得到矩阵F、Z。
 
    由指定的故障管段号即矩阵F行号j，得到矩阵元素fj,t≥1的列号t即为应关闭的相关阀门号，例如j=6，t=1，4，6。
    ① 由矩阵F看到，同一管段组的管段有相同的相关阀门集合，例如管段1与管段2有相同的相关阀门集合{4，5}，管段8与管段10有相同的相关阀门集合{1，2，3}。
    ② 由矩阵F看到，对于阀门配置级别m=2的规则配置管网，最大相关阀门数为4，例如为了隔离故障管段5，需关闭阀门5、6、7、8。
 
    由指定故障管段号j即矩阵Z行号j，得到矩阵元素zj,u≥1的列号M即为影响区的区域号。
   由矩阵Z看到：
   ① 同管段组管段有相同的影响区集合，如管段1与管段2有相同的影响区集合{1，2，3，5}，管段4与管段5有相同的影响区集合{4，7，10}。
    ② 矩阵元素z=2表示区域与2根管段有关，如z4,4=2，z5,4=2，即第4区域与4、5两管段有关。类似有：z8,8=2，z10,8=2。
4 阀门隔离决策矩阵
    阀门发生故障时，对该阀门的处置会影响到它连接的两组管道[2]。可以类似于管段隔离决策矩阵及管段隔离影响区矩阵的推导，推导阀门隔离决策矩阵及阀门隔离影响区矩阵。
    ① 阀门隔离决策矩阵K
    记OT=CTBTAT    (9)
    有K=OTABC    (10)
    K=[kh,t]V×V    (11)
式中K——阀门隔离决策矩阵
    kh,t——矩阵K元素，对应于故障阀门h的若干个需关阀的阀门，有kh,t≥1，否则kh,t=0
    由矩阵K，指定故障阀门号h，对应于h行有若干个列，其元素kh,t≥1，各列号即是为了隔离编号为h的阀门，需关闭的相关阀门号。
    ② 阀门隔离影响区矩阵Y
    Y=0TAR    (12)
    Y=[yh,u]V×Q    (13)
式中Y—一阀门隔离影响区矩阵
    yh,u——矩阵Y元素，对阀门号h，受其影响的供气区域u，则yh,u=1，否则yh,u=0
    同样，在阀门隔离影响区矩阵的基础上，可以表达出影响区用户数，影响供气的用气量等相关信息。
5 结论
    ① 由得到的故障管段(或阀门)隔离决策矩阵及管段(或阀门)隔离影响区矩阵构成了故障管段(或阀门)隔离决策算法。可以编制程序，由指定故障管段(或阀门)号可获知相应的需关闭的相关阀门，以及由此而受影响的供气区域。
    ② 基于GIS的管网数据库平台，实现在线的故障管段(或阀门)隔离决策功能(例如可由隔离决策算法的程序段创建一个Matlab服务器对象)，在管网运行、调度和管理中应用。
    ③ 故障管段隔离决策算法将管网管段隔离问题用科学的方式加以表达，也是笔者关于管网阀门配置研究工作的延伸。本成果不限于燃气管网，也适于其他流体管网。
参考文献：
[1] 严铭卿，宓亢琪，田贯三，等.燃气工程设计手册[M].北京：中国建筑工业出版社，2009。
[2] 严铭卿.燃气管网阀门规则配置[J].煤气与热力，2009，29(10)：B01-B07.
 
(本文作者：严铭卿 中国市政工程华北设计研究总院 天津 300074)