張益炬

(西南石油大學研究生院,四川成都 610500)

天然氣管網(wǎng)優(yōu)化設計方法研究探析

張益炬

(西南石油大學研究生院,四川成都 610500)

本文對天然氣管網(wǎng)優(yōu)化設計的問題進行了描述。對目前解決這類維數(shù)很大有約束的非線性最優(yōu)化問題的八種常用方法進行了歸納總結,討論分析了這些方法的優(yōu)缺點,對于各種在方法在實際應用中相互結合,取長補短提高算法的尋優(yōu)性能有一定的參考意義。

優(yōu)化方法 天然氣管網(wǎng) 遺傳算法

1 引言

管網(wǎng)的優(yōu)化設計通常是指在管網(wǎng)的布局規(guī)劃已經(jīng)確定的條件下，主要解決管徑最優(yōu)組合問題，即通過管網(wǎng)的水力計算來確定有關的技術參數(shù)，通過優(yōu)化設計尋求系統(tǒng)造價最低的設計方案。天然氣管網(wǎng)的優(yōu)化設計問題基本可以歸結為：根據(jù)管道的穩(wěn)定性、強度、進出站壓力的約束以及設計變量的邊界約束等一些限制條件，以建設管網(wǎng)費用最小為目標函數(shù)進行優(yōu)化計算，得出最優(yōu)管徑組合以及相關的技術參數(shù)。

2 天然氣管網(wǎng)優(yōu)化設計方法介紹分析

求解非線性規(guī)劃問題有兩類：一類就是化非線性為線性進行求解，另一類為直接求解。選擇合理的優(yōu)化方法才能快速、準確地獲得優(yōu)化結果。文中對目前所采用的各個優(yōu)化方法特點進行歸納總結，在選擇過程中應揚長避短。(1)變尺度算法已被推廣成為解決約束優(yōu)化問題的一個方法，它有統(tǒng)一計算公式，不需要精確以為搜索即可二次截止，且對目標函數(shù)性質(zhì)要求不高，但是在求解高維問題時，目標函數(shù)必須可導并會受到計算機內(nèi)存的限制。(2)罰函數(shù)算法(序列無約束極小化方法)原理簡單易懂，程序設計比較簡單懲罰因子選取過大會使計算數(shù)值溢出，較早收斂局部最小解，選取過小則可能得不到最優(yōu)解，廣泛地與具有較強尋優(yōu)能力的遺傳算法結合，提高優(yōu)化的全局收斂性能和優(yōu)化效率。(3)復合形算法無需目標函數(shù)的導數(shù)，不進行一維搜索，程序編寫簡單，計算量較大，收斂速度較慢，不適用于高維問題的求解，目前廣泛采用基于該算法為主導混合離散復合型求法(MDCP)。(4)遺傳算法搜索效率高，提高了不陷入局部最優(yōu)解的可能性，搜索過程是隨機的且對搜索空間無特殊要求，其全局優(yōu)化收斂性理論尚未得到完全解決，其相應的早熟問題尚待進一步研究解決，被廣泛應用于管網(wǎng)優(yōu)化設計當中去。(5)啟發(fā)式算法簡單直觀易行，速度快，效率高，程序設計編寫比較簡單，不能一定保證收斂到最優(yōu)解，表現(xiàn)不穩(wěn)定，對于不同問題的不同例子可能會有不同的計算效果，包括禁忌搜索、進化計算、模擬退火、拉格朗日松弛、神經(jīng)網(wǎng)絡等算法，是一定的直觀基礎而建構的算法。目前其中的進化算法以以廣泛地應用于工程項目優(yōu)化設計當中。(6)群體智能算法有較強的結合性，易于結合于其它算法，搜索效率較低，尋優(yōu)能力有待研究提高，易陷入局部最優(yōu)解而停滯搜索，該算法是受自然界中螞蟻搜索事物行為而啟發(fā)提出的一種智能優(yōu)化計算。其收斂性和連續(xù)空間尋優(yōu)能力一直是該領域研究的核心問題。目前還沒有人在管網(wǎng)優(yōu)化設計中運用。(7)微粒群優(yōu)化算法對目標函數(shù)的性質(zhì)沒有特殊要求，算法簡單，只需調(diào)整較少的參數(shù)即可容易實現(xiàn)，計算速度慢，效率較低，易陷入局部最優(yōu)，后期迭代效率較低。該算法源于對鳥的不是行為的研究，利用該算法和其他算法相結合來解決工程的實際問題。目前還沒有人在管網(wǎng)優(yōu)化設計中運用。(8)混沌優(yōu)化算法具有遍歷性、規(guī)律性、隨機性，搜素效率較高避免陷入局部最優(yōu)解，優(yōu)化的效果比較粗糙，不理想。該算法按照混沌運動自身的規(guī)律和特性進行搜索優(yōu)化，目前已經(jīng)有人將該算法運用于原油管道系統(tǒng)優(yōu)化設計中。

3 結論與建議

(1)對于天然氣管網(wǎng)優(yōu)化設計問題涉及到約束條件和設計變量的類型和數(shù)量的復雜性，這使得傳統(tǒng)的解決方法已不能滿足其解決的要求。筆者認為對于解決不同問題不的同特性，在現(xiàn)有算法的基礎上，可以試圖使用相應具體的算法，并采用一些新興的智能算法的有機結合和互補的方式達到更好的求解效果。同時，筆者也建議嘗試把具有不同特點的優(yōu)化設計方法和優(yōu)化模型進行已達到更理想的求解效果。

(2)目前，分級優(yōu)化只能得到局部問題的最優(yōu)解，這并不意味著能是整個天然氣管網(wǎng)系統(tǒng)達到整體上的最優(yōu)解。我們可以考慮各級協(xié)調(diào)模式，從系統(tǒng)論的觀點來建立從整體上能優(yōu)化整個管網(wǎng)系統(tǒng)的統(tǒng)一模型。

(3)天然氣管網(wǎng)優(yōu)化設計模型的復雜性使得有一些難以解決的問題存在。從目前發(fā)表的論文分析，天然氣管網(wǎng)優(yōu)化技術尚未成熟，筆者認為，解決這樣一個大項目的問題，可以從兩個角度去考慮，第一點就是找到適當有效的優(yōu)化方法求解最優(yōu)化設計模型；第二要建立一個更準確，更符合實際需要，更容易解決的數(shù)學模型，這是一個不能被忽略的重點。例如我們可以從模糊數(shù)學角度考慮模糊優(yōu)化設計模型或建立擴展混合網(wǎng)絡模型[HY-PIPENET]。

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