朱宏震，于明帥，陳 浩，尹朝輝，梁 辰

（華東理工大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200237）

石油作為一個(gè)國家最重要的戰(zhàn)略性資源，對(duì)國家的經(jīng)濟(jì)建設(shè)，以及政治軍事安全起著至關(guān)重要的作用[1]。對(duì)于煉油企業(yè)，原油作業(yè)過程是石油供應(yīng)鏈的重要組成環(huán)節(jié)，包括原油采購、原油分配、原油運(yùn)輸、原油儲(chǔ)存和原油調(diào)合等多個(gè)環(huán)節(jié)。其中，原油運(yùn)輸涉及原油在碼頭罐區(qū)和廠內(nèi)罐區(qū)之間的管道輸送過程，是原油作業(yè)過程中至關(guān)重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。合理的原油運(yùn)輸方案是煉廠上下游裝置連續(xù)平穩(wěn)運(yùn)行的前提，也是煉廠效益提升的重要保證。

1 原油運(yùn)輸現(xiàn)狀

原油運(yùn)輸?shù)闹饕蝿?wù)是將原油按照調(diào)合方案有序地輸送至調(diào)合區(qū)，此外，還會(huì)執(zhí)行諸如倒灌、壓罐等內(nèi)部轉(zhuǎn)移原油的任務(wù)。在實(shí)際生產(chǎn)過程中，當(dāng)原油調(diào)合區(qū)的操作人員設(shè)計(jì)好原油調(diào)合方案后，會(huì)將方案提交至負(fù)責(zé)原油運(yùn)輸?shù)恼{(diào)度人員進(jìn)行實(shí)現(xiàn)；調(diào)度人員會(huì)游覽相關(guān)設(shè)備（如罐區(qū)、泵房等）的工藝流程圖，人工地尋找一條符合要求的原油運(yùn)輸路徑，由此可見，當(dāng)前，原油在罐區(qū)的移動(dòng)路徑規(guī)劃高度依賴于調(diào)度人員的人工經(jīng)驗(yàn)[2]。然而，依靠人工進(jìn)行路徑規(guī)劃的方式不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且還存在問題。

1.1 缺乏系統(tǒng)性的規(guī)劃方法

基于人工經(jīng)驗(yàn)的原油移動(dòng)路徑規(guī)劃方法不夠系統(tǒng)化和規(guī)范化，缺乏標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)劃方法和指導(dǎo)原則，導(dǎo)致規(guī)劃結(jié)果良莠不齊，無法保證穩(wěn)定性[2]。

1.2 調(diào)度計(jì)劃的精度不高

目前原油調(diào)度計(jì)劃中的路徑規(guī)劃缺乏對(duì)生產(chǎn)實(shí)際情況的精準(zhǔn)預(yù)測和響應(yīng)，無法及時(shí)調(diào)整和優(yōu)化路徑，而人工規(guī)劃難以兼顧路徑長短和功耗等目標(biāo)，導(dǎo)致調(diào)度計(jì)劃的精度不高，效率低下[3]。

1.3 沒有充分考慮多種約束條件

目前原油移動(dòng)路徑規(guī)劃往往只考慮到單一的約束條件，如管道容量，而沒有充分考慮到其他約束條件，如設(shè)備狀況、安全性等，規(guī)劃方案常常沒有可執(zhí)行性[4]。

綜上所述，當(dāng)前基于人工經(jīng)驗(yàn)的原油移動(dòng)路徑規(guī)劃存在多種問題和挑戰(zhàn)，需要借助新的優(yōu)化方法和技術(shù)進(jìn)行解決和優(yōu)化。鑒此，本文建立了原油運(yùn)輸管道數(shù)字化模型，提出了一種基于深度優(yōu)先搜索（Depth-firstsearch，DFS）的原油運(yùn)輸路徑規(guī)劃方法，并開發(fā)了原油運(yùn)輸路徑規(guī)劃可視化系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了原油運(yùn)輸路徑的智能化規(guī)劃，對(duì)煉油企業(yè)提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本、保障作業(yè)安全等具有重要意義[5]。

2 原油運(yùn)輸路徑規(guī)劃系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

該系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)的功能包括：根據(jù)原油運(yùn)輸任務(wù)（例如，A 罐以某種流量輸送原油至B 調(diào)合區(qū)），自動(dòng)給出一系列符合要求的原油運(yùn)輸路徑，這個(gè)原油運(yùn)輸路徑需要具體到閥門、管道、泵等實(shí)體，確保能夠明確指導(dǎo)現(xiàn)場調(diào)度人員的操作。該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具體包括3 部分研究內(nèi)容。

一是為原油運(yùn)輸?shù)墓艿肋M(jìn)行數(shù)字化建模。

二是設(shè)計(jì)一種搜索符合要求路徑的路徑搜索算法。

三是為了滿足實(shí)際應(yīng)用需要，系統(tǒng)應(yīng)具有可視化功能。

原油運(yùn)輸路徑規(guī)劃系統(tǒng)主要功能如圖1 所示。

根據(jù)上述研究內(nèi)容，首先，需將原油運(yùn)輸工藝流程圖轉(zhuǎn)換為一種計(jì)算機(jī)可以識(shí)別的數(shù)據(jù)格式，建立基于原油罐區(qū)之間管道運(yùn)輸?shù)臄?shù)字化模型；其次，針對(duì)數(shù)字化模型設(shè)計(jì)原油運(yùn)輸路徑搜索算法；最后，開發(fā)原油運(yùn)輸路徑規(guī)劃可視化系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)運(yùn)輸路徑的實(shí)時(shí)顯示。

2.1 數(shù)字化建模

由于計(jì)算機(jī)無法直接識(shí)別工藝流程圖或者設(shè)備實(shí)體，所以需要將其轉(zhuǎn)換為一種計(jì)算機(jī)可以識(shí)別的數(shù)據(jù)格式。本文使用JSON（一種輕量級(jí)的數(shù)據(jù)交換格式）作為數(shù)據(jù)載體，其格式可以認(rèn)為是可以無限互相嵌套的字典和列表。其具體結(jié)構(gòu)分為3 個(gè)大類：頂點(diǎn)、邊、實(shí)體。

其中，頂點(diǎn)和邊是圖的組成部分，是搜索路徑的基礎(chǔ)。然而，圖論和煉油工業(yè)對(duì)原油管道和實(shí)際設(shè)備的抽象方法有所差異，例如在圖2 中有4 條卸油線，這4 條卸油線在工藝流程圖中與多條管線有交點(diǎn)，這與圖論中邊（即連接2 個(gè)頂點(diǎn)的線）的定義不同。

圖2 原油運(yùn)輸結(jié)構(gòu)圖

為了解決這個(gè)問題，本文采取的方案是按照搜索的需要定義頂點(diǎn)和邊，然后通過其屬性father關(guān)聯(lián)到實(shí)體設(shè)備上。該操作解決了數(shù)據(jù)解耦的問題，這是因?yàn)轫旤c(diǎn)和邊是相對(duì)不會(huì)擴(kuò)展屬性的部分，處理這一部分的代碼可以相對(duì)穩(wěn)定，而實(shí)體部分根據(jù)實(shí)際需求，需要經(jīng)常對(duì)屬性進(jìn)行擴(kuò)展。其具體結(jié)構(gòu)如圖3—圖5所示。

圖3 頂點(diǎn)結(jié)構(gòu)

圖4 邊結(jié)構(gòu)

圖5 實(shí)體結(jié)構(gòu)

2.1.1 頂點(diǎn)vertexs

1）name：名稱，是自定義的名稱，僅作為程序標(biāo)號(hào)。

2）father：父類，該點(diǎn)實(shí)體的名稱，比如一個(gè)油罐、泵等，可以為None（這通常意味著該頂點(diǎn)僅是一個(gè)交點(diǎn)，并沒有實(shí)際實(shí)體，本文用“C+數(shù)字”表示）。

2.1.2 邊edges——連接2 個(gè)頂點(diǎn)的邊

1）name：名稱，是自定義的名稱，僅作為程序標(biāo)號(hào)。

2）nodes：[A，B] 中A、B 為路徑的2 點(diǎn)，為節(jié)點(diǎn)的name。

3）direction：路徑的方向，由于部分管道只允許原油單項(xiàng)流過，所以圖必須是一個(gè)有向圖。

0：雙向。

1：A->B。

2：B->A。

2.1.3 實(shí)體substances——實(shí)際設(shè)備中的單元

1）name：實(shí)體的名稱，根據(jù)工藝流程圖命名。

2）class：具體類別，油罐、泵、閥門和管道等，可以根據(jù)實(shí)際情況靈活擴(kuò)充，也可以根據(jù)實(shí)際需求創(chuàng)建，例如子管道等并不存在于工藝流程圖的類別，可作為中介實(shí)現(xiàn)某些作用。

3）parameters：一個(gè)字典，根據(jù)該實(shí)體類別決定其中的參數(shù)，例如管道上的泵、泵的揚(yáng)程和流量等。

2.2 路徑搜索算法

算法部分，本文采用深度優(yōu)先搜索（Depth-firstsearch，DFS）算法和剪枝操作。DFS 屬于圖算法的一種，也是對(duì)一個(gè)連通圖進(jìn)行遍歷的算法。其思想是從一個(gè)頂點(diǎn)開始，沿著一條路線一直走到底，如果發(fā)現(xiàn)不能到達(dá)目標(biāo)，即返回到走不通節(jié)點(diǎn)的上一個(gè)節(jié)點(diǎn)，然后嘗試從另一條路開始走到底，每個(gè)節(jié)點(diǎn)只可以訪問一次。DFS 可以遍歷圖存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，確保不會(huì)產(chǎn)生遺漏；剪枝則是停止針對(duì)不合條件的路徑進(jìn)行搜索，以減少程序運(yùn)行時(shí)間。

2.2.1 讀取數(shù)據(jù)

統(tǒng)籌推進(jìn)，振興鄉(xiāng)村。在做好項(xiàng)目區(qū)建設(shè)的同時(shí)，增加發(fā)展要素，努力推進(jìn)鄉(xiāng)村振興樣板區(qū)、綠色產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)、生態(tài)文明示范區(qū)、美好生活共享區(qū)建設(shè)。

Python 可以很方便地讀取JSON 文件為字典和列表的嵌套。如圖6 所示。

圖6 讀取JSON 文件

2.2.2 生成圖

圖的表示方式有2 種：鄰接矩陣和鄰接表[6]，前者適合存儲(chǔ)邊密度高的圖，后者適合存儲(chǔ)邊較少的圖?？紤]到原油管道的特性，連接是比較稀疏的，所以選擇使用鄰接表。鄰接表結(jié)構(gòu)如圖7 所示。

圖7 鄰接表結(jié)構(gòu)

2.2.3 搜索算法

本次任務(wù)的搜索可以抽象為搜索2 個(gè)頂點(diǎn)之間的所有符合條件的路徑，并將該路徑進(jìn)行存儲(chǔ)。為此，本文選擇的算法是DFS，并通過剪枝提前刪除不符合限制條件的路徑，減少搜索量。搜索的進(jìn)程可以看作是從樹根出發(fā)，遍歷一棵倒置樹（搜索樹）的過程。由于本次搜索路徑不僅要存儲(chǔ)頂點(diǎn)，還要存儲(chǔ)邊，這為之后的代碼增加了一定的復(fù)雜度，因此，將遞歸形式轉(zhuǎn)換為循環(huán)形式，以增加內(nèi)存的使用效率。使用collections 模塊中的deque（）生成棧，將頂點(diǎn)和邊一同推入，所以每次出棧次數(shù)都為2 次（除了首個(gè)頂點(diǎn)）。在遍歷全部頂點(diǎn)時(shí)，加入剪枝操作，使用break 退出本次搜索，從而繼續(xù)進(jìn)行下一次搜索。所謂剪枝，就是通過某些判斷，避免一些不必要的遍歷過程，形象地說，就是剪去搜索樹中的某些枝條[7]。本文所采用的剪枝主要是可行性剪枝，即停止搜索已不符合條件的路徑，從而繼續(xù)選擇別的路徑。限制條件包括：①不包含環(huán)路；②經(jīng)過的最大油罐數(shù)量；③經(jīng)過的最大泵數(shù)量。

其中，不包含環(huán)路這一點(diǎn)最為重要，若不加上則會(huì)導(dǎo)致死循環(huán)，后2 個(gè)限制條件可以大量降低搜索路徑數(shù)量，避免一些明顯不合理的路徑，如圖8 所示。加上對(duì)路徑經(jīng)過的油泵和油罐數(shù)量限制后，路徑數(shù)量大大減少。最后將路徑用字符串表示，存入Paths 列表中。

圖8 2 種路徑數(shù)量結(jié)果

這樣，獲得了所有符合條件的路徑，然后使用min（Paths，key=len）函數(shù)，將len 函數(shù)傳遞給key 參數(shù)，最后根據(jù)路徑中每個(gè)單元運(yùn)輸耗時(shí)，計(jì)算總耗時(shí)，選取總耗時(shí)最短的路徑，即所求最優(yōu)路徑。

2.2.4 保存數(shù)據(jù)

使用update 語句將DFS 搜索得到的最優(yōu)結(jié)果保存到相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫中。

2.3 可視化系統(tǒng)搭建

設(shè)計(jì)具有可視化功能的原油運(yùn)輸路徑規(guī)劃系統(tǒng)，使調(diào)度人員能夠直觀地搜索路徑。該系統(tǒng)主要包括以下功能。

一是為了符合工廠實(shí)際需求，必須是桌面端或者Web 端。

二是能圖形化地顯示管道結(jié)構(gòu)圖，并在上面顯示搜索到的路徑。

三是可以直接輸入原油運(yùn)輸任務(wù)，然后在管道結(jié)構(gòu)圖上顯示搜索到的路徑。

本文采用Web 端系統(tǒng)，并采用Node.js 環(huán)境、Express 框架、Ajax 等相關(guān)技術(shù)進(jìn)行可視化系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)[8]。

2.3.1 界面設(shè)計(jì)

為使調(diào)度人員操作方便，原油任務(wù)起點(diǎn)與終點(diǎn)采用下拉列表的格式，通過配合使用。使用標(biāo)簽，設(shè)置其類型為submit 為操作人員添加提交數(shù)據(jù)和獲取結(jié)果的按鈕，同時(shí)使用CSS 效果對(duì)其進(jìn)行美化操作。效果如圖9—圖11 所示。

圖9 起點(diǎn)列表圖

圖10 終點(diǎn)列表

圖11 操作按鈕

考慮到原油運(yùn)輸管道的復(fù)雜性，調(diào)度人員會(huì)經(jīng)常對(duì)界面進(jìn)行縮放，為了在這個(gè)過程中不使圖形失真，本系統(tǒng)采用矢量圖而非位圖進(jìn)行設(shè)計(jì)。通過

圖12 原油運(yùn)輸管道

2.3.2 數(shù)據(jù)交互

Express 是基于內(nèi)置HTTP 模塊進(jìn)一步封裝的模塊，能夠極大提高開發(fā)效率。通過Express，可快速創(chuàng)建一個(gè)Web 網(wǎng)站的服務(wù)器，調(diào)用app.listen（）方法在8080 端口啟動(dòng)服務(wù)器。再通過express.static（）方法創(chuàng)建一個(gè)靜態(tài)資源服務(wù)器，將上文設(shè)計(jì)完成的HTML 文件對(duì)外開放訪問。

編寫GET 接口使服務(wù)器從客戶端獲取到調(diào)度人員發(fā)來的起點(diǎn)與終點(diǎn)數(shù)據(jù)，同時(shí)把起點(diǎn)與終點(diǎn)2 個(gè)數(shù)據(jù)存入MySQL 數(shù)據(jù)庫的表格；編寫POST 接口將服務(wù)器從數(shù)據(jù)庫相關(guān)表格中獲得的搜索結(jié)果發(fā)送給客戶端。在服務(wù)器中加入bodyparser.urlencoded（）來解析application/x-www-form-urlencoded 格式的表單數(shù)據(jù)，加入bodyparser.json（）來解析并返回JSON 格式的數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)傳輸過程中，由于瀏覽器只允許和同一域名服務(wù)器通信[9]，會(huì)出現(xiàn)不支持跨域請(qǐng)求的問題，因此，在本系統(tǒng)開發(fā)中導(dǎo)入cors 中間件來解決跨域的問題。

在前端，對(duì)數(shù)據(jù)提交和搜索結(jié)果按鈕綁定點(diǎn)擊事件，使用jQuery 中的Ajax 方法進(jìn)行異步傳輸、發(fā)送、接收數(shù)據(jù)。為了使搜索得到的結(jié)果顯示在Web 頁面中，在獲取數(shù)據(jù)按鈕請(qǐng)求成功地回調(diào)函數(shù)中使用text（）將res.data.path 中數(shù)據(jù)渲染到前端頁面上。同時(shí)根據(jù)res.data.path 中路徑的信息遍歷原油運(yùn)輸管道，依據(jù)每個(gè)管道的class 屬性使用setAttribute（）方法把對(duì)應(yīng)的路徑顏色改變。本文設(shè)計(jì)了一個(gè)刷新函數(shù)，使已經(jīng)改變顏色的路徑恢復(fù)成原始顏色，通過在搜索路徑按鈕中調(diào)用該函數(shù)，使之自動(dòng)刷新。這樣，調(diào)度人員在進(jìn)行多次作業(yè)時(shí)，不需要手動(dòng)刷新，操作更加便捷。

2.3.3 Node.js 調(diào)用Python 腳本

在客戶端發(fā)送來數(shù)據(jù)之后，需要調(diào)用執(zhí)行Python腳本來進(jìn)行搜索，本系統(tǒng)使用Node.js 提供子進(jìn)程實(shí)現(xiàn)腳本的自動(dòng)運(yùn)行。具體使用child_process 子進(jìn)程執(zhí)行Python 程序，并將其放在POST 接口函數(shù)中，這樣每調(diào)用一次接口，就執(zhí)行一次，實(shí)現(xiàn)了路徑的自動(dòng)搜索。

3 系統(tǒng)測試和分析

在本章中，基于所開發(fā)的原油運(yùn)輸路徑規(guī)劃系統(tǒng)進(jìn)行測試和分析。

首先，測試從T51 罐向原油調(diào)合區(qū)A 進(jìn)行路徑搜索，結(jié)果如圖13 所示。由結(jié)果可知，文本結(jié)果與上文Python 運(yùn)行得到的結(jié)果一致，結(jié)合原油管道，突出顯示的正是文本中所給出的路徑，故結(jié)果正確且為最優(yōu)路徑。為避免測試結(jié)果的偶然性，再進(jìn)行一組測試，由T53 罐向#A 調(diào)合區(qū)B 進(jìn)行路徑搜索，結(jié)果如圖14 所示，經(jīng)過驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)結(jié)果正確且為最優(yōu)路徑。

圖13 第一次測試結(jié)果

圖14 第二次測試結(jié)果

4 結(jié)束語

本文針對(duì)煉油企業(yè)原油作業(yè)過程中原油運(yùn)輸路徑智能化規(guī)劃的實(shí)際需求，聚焦原油運(yùn)輸路徑規(guī)劃關(guān)鍵技術(shù)及系統(tǒng)開發(fā)。首先，本文采用JSON 作為數(shù)據(jù)載體，其具體結(jié)構(gòu)由頂點(diǎn)、邊、實(shí)體3 部分組成，實(shí)現(xiàn)了原油運(yùn)輸管道的數(shù)字化建模。其次，提出了一種基于DFS的原油運(yùn)輸路徑規(guī)劃方法，并引入剪枝策略，實(shí)現(xiàn)了對(duì)原油運(yùn)輸最優(yōu)路徑的高效搜索。最后，基于Node.js 環(huán)境、Express 框架、Ajax 等相關(guān)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了基于Web 端的原油運(yùn)輸路徑規(guī)劃可視化系統(tǒng)開發(fā)，經(jīng)測試，本系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確地找到罐到原油調(diào)合區(qū)的最短路徑，極大地提升了調(diào)度人員的工作效率。