專利名稱：一種基于遺傳算法的蒸汽管網摩阻系數辨識系統的制作方法
一種基于遺傳算法的蒸汽管網摩阻系數辨識系統技術領域
本發明屬于蒸汽管網參數辨識計算技術領域，特別是提供一種基于遺傳算法的蒸汽管網摩阻系數辨識系統，實現了快速準確的管網摩阻系數辨識。
背景技術：
在蒸汽管網實際運行過程中，隨著其改造、老化、運行工況的改變，管網內的摩阻系數將不斷變化，計算誤差較大且無法進行在線測量。在管網水力熱力計算過程中，摩阻系數受到管壁物理特性、流體性質以及流態變化的影響，因此在動態過程中很難保證對管網摩阻系數的較好估計。為了達到實際管網真實的計算效果，并為管網的正常設計、運營、管理及壓力流量的實時控制和準確計量提供理論依據，管網摩阻系數的辨識校正便顯得非常重要。辨識本質上就是在輸入輸出測量數據的基礎上求解系統模型或模型中未知參數的過程。蒸汽管網計算模型可廣泛地應用于蒸汽管網的分析、設計、運行和維護等方面。與蒸汽管網有關的投資等許多重大的決策也是以水力熱力模型為基礎的，因此需要管網水力熱力模型與管網實際運行盡可能吻合。但管網模型是模擬真實蒸汽管網運行的數學模型，無論模型多么復雜，它也只是對真實管網運行的近似估計。為了使模型的預測值跟實際值更為接近，需對蒸汽管網的模型進行校正。
辨識校正管網參數是在建立系統水力熱力耦合方程組的基礎上，采用合適的準則函數，利用不同的數值計算方法進行辨識校正。模型的校核是管網計算的重要部分，蒸汽管網水力熱力耦合模型是基于管網監測點的壓力、流量進行校核。管網模型校核是相當復雜的課題，主要有人工校核和自動校核兩種方案。方法有靈敏度分析法、解析方法、求解管網非線性方程法和最優化方法。目前在蒸汽管網的參數校正研究上所做工作不多，需要在此方向開展更多的研究。結合蒸汽管網的特點與計算需要，選擇節點壓力與管段流量作為監測數據，建立基于最小二乘原理的熱網阻力特性辨識數學模型。數學模型的求解方法有遺傳算法、螞蟻算法、粒子群算法等通過迭代求解逐步逼近最優解。隨著計算機數值求解技術、自動控制技術的不斷完善和發展，辨識校正管網中摩阻系數成為可能。辨識校正管網摩阻系數需要盡可能多的實測數據，并且保證測量數據相關性盡可能小，以減小辨識校正的誤差。
本發明將建立一種快速準確的蒸汽管網摩阻系數辨識計算方法，可實時校核管網計算模型，從而使得管網模型計算更加準確，切合生產運行實際。發明內容
本發明的目的在于提供一種基于遺傳算法的蒸汽管網摩阻系數辨識系統，實現了快速準確的蒸汽管網摩阻系數辨識計算。使得管網模型計算更加準確，更加有助于對管網的分析和維護。用于管道摩阻系數校核的傳統優化數學模型一般都是利用節點壓力或者管段流量來進行校核，即在滿足管網本身的水力熱力平衡(包括壓降方程、溫降方程、節點連續性方程、能量方程以及虛環方程等)和參數本身的取值范圍的約束條件下，尋找最優的待校核參數取值。使得管網節點壓力或管道流量實測值與計算值之間的平方和所構成的目標函數值為最小。
本發明硬件系統包括關系數據庫服務器，實時數據庫服務器，應用服務器，工程師站。關系數據庫服務器與工程師站和應用服務器相連，應用服務器除與關系數據庫服務器相連外，還與實時數據庫和工程師站相連，保持三者之間數據交換。應用模塊包括關系數據庫，數據采集模塊，數據結果顯示模塊，水力熱力耦合計算模塊和管網磨阻系數辨識模塊。 其中數據結果顯示模塊部署在工程師站，管網水力熱力耦合計算模塊和磨阻系數辨識模塊部署在應用服務器，關系數據庫部署在關系數據庫服務器，數據采集模塊部署在實時數據庫。
關系數據庫是顯示模塊與耦合計算模塊、磨阻系數辨識模塊之間的數據通訊媒介。耦合計算模型與磨阻辨識程序將計算結果寫入關系數據庫，顯示模塊再從關系數據庫中讀出并予以顯示；
關系數據庫存儲用于模型計算、模型辨識、數據顯示的數據。包括管點信息，管段信息，水力熱力耦合模型計算結果，摩阻系數辨識結果等信息。
數據采集模塊由實時數據庫和現場采集儀表以及傳輸網絡組成；現場采集儀表將信息實時傳入實時數據庫中，并有數據采集模塊根據要求相管網耦合計算模型提供數據。
數據結果顯示模塊數據接口部分，為模型計算提供數據輸入功能，包括讀取數據文件，直接讀取GIS信息功能；計算結果的顯示對模型計算結果實現多種方式顯示，包括圖表顯示和圖形顯示；
管網水力熱力耦合計算模塊包括1、建立多氣源管網拓撲模型結構，并對管網結構進行合理適當的串聯、并聯簡化，便于模型計算；2、基于IF97公式，水力學熱力學定律， 以及基爾霍夫定律建立蒸汽管網水力熱力耦合計算模型；3、通過牛頓-拉夫遜法求解管網水力熱力模型，通過壓降計算公式，將節點流量連續方程組表示為以管段壓降為未知量的方程組；之后，利用環路壓降能量方程，將方程中的管段壓降表示為管段始段、末段壓力的差值，得到關于節點壓力的非線性方程組；利用泰勒公式將方程組線性化，并對其求解，得到獨立節點壓力的修正量。采用同樣流程，可得到獨立節點溫度的修正量。隨后迭代求解獨立節點壓力、溫度，管段壓降、溫降，管段流量和參考節點流量，直到滿足精度要求。
管網摩阻系數辨識模塊
1、建立摩阻系數辨識方程
辨識思路最優化模型思路是在滿足管網本身的水力熱力平衡和校核參數本身的取值范圍等約束條件下，建立基于最小二乘原理的參數辨識數學模型，尋找最優的待校核參數的取值，使得由管網實測值與計算值之差的平方和所構成的目標函數值為最小。顯然， 該問題為復雜約束的非線性規劃問題，其復雜程度正比于管網的規模。為了得到更多的校正數據，采用多工況分析的方法，利用遺傳算法對蒸汽管網摩阻系數進行優化校正目標函數為
權利要求
1.一種基于遺傳算法的蒸汽管網摩阻系數辨識系統，其特征在于，包括關系數據庫服務器，實時數據庫服務器，應用服務器，工程師站及應用模塊，關系數據庫服務器與工程師站和應用服務器相連，應用服務器除與關系數據庫服務器相連外， 還與實時數據庫和工程師站相連，保持三者之間數據交換；應用模塊包括關系數據庫，數據采集模塊，數據結果顯示模塊，水力熱力耦合計算模塊和管網磨阻系數辨識模塊；其中數據結果顯示模塊部署在工程師站，管網水力熱力耦合計算模塊和磨阻系數辨識模塊部署在應用服務器，關系數據庫部署在關系數據庫服務器，數據采集模塊部署在實時數據庫；關系數據庫是顯示模塊與耦合計算模塊、磨阻系數辨識模塊之間的數據通訊媒介；耦合計算模型與磨阻辨識程序將計算結果寫入關系數據庫，顯示模塊再從關系數據庫中讀出并予以顯示。
2.根據權利要求1所述的辨識系統，其特征在于，所述的關系數據庫存儲用于模型計算、模型辨識、數據顯示的數據；數據包括管點信息，管段信息，水力熱力耦合模型計算結果，摩阻系數辨識結果。
3.根據權利要求1所述的辨識系統，其特征在于，所述的數據采集模塊由實時數據庫和現場采集儀表以及傳輸網絡組成；現場采集儀表將信息實時傳入實時數據庫中，并有數據采集模塊根據要求相管網耦合計算模型提供數據。
4.根據權利要求1所述的辨識系統，其特征在于，所述的數據結果顯示模塊的數據接口部分，為模型計算提供數據輸入功能，數據輸入功能包括讀取數據文件，直接讀取GIS信息功能；計算結果的顯示對模型計算結果實現圖表顯示和圖形顯示。
5.根據權利要求1所述的辨識系統，其特征在于，所述的管網水力熱力耦合計算模塊的功能包括(1)建立多氣源管網拓撲模型結構，并對管網結構進行合理適當的串聯、并聯簡化，便于模型計算；(2)基于IF97公式，水力學熱力學定律，以及基爾霍夫定律建立蒸汽管網水力熱力耦合計算模型；(3)通過牛頓-拉夫遜法求解管網水力熱力模型，通過壓降計算公式，將節點流量連續方程組表示為以管段壓降為未知量的方程組；之后，利用環路壓降能量方程，將方程中的管段壓降表示為管段始段、末段壓力的差值，得到關于節點壓力的非線性方程組；利用泰勒公式將方程組線性化，并對其求解，得到獨立節點壓力的修正量；采用同樣流程，得到獨立節點溫度的修正量；隨后迭代求解獨立節點壓力、溫度，管段壓降、溫降，管段流量和參考節點流量，直到滿足精度要求。
6.根據權利要求1所述的辨識系統，其特征在于，所述的管網摩阻系數辨識模塊的功能包括(1)建立摩阻系數辨識方程辨識思路最優化模型思路是在滿足管網本身的水力熱力平衡和校核參數本身的取值范圍等約束條件下，建立基于最小二乘原理的參數辨識數學模型，尋找最優的待校核參數的取值，使得由管網實測值與計算值之差的平方和所構成的目標函數值為最小；利用遺傳算法對蒸汽管網摩阻系數進行優化校正目標函數為
全文摘要
一種基于遺傳算法的蒸汽管網摩阻系數辨識系統，屬于蒸汽管網參數辨識計算技術領域。包括關系數據庫服務器，實時數據庫服務器，應用服務器，工程師站及應用模塊。關系數據庫服務器與工程師站和應用服務器相連，應用服務器除與關系數據庫服務器相連外，還與實時數據庫和工程師站相連，保持三者之間數據交換。應用模塊包括關系數據庫，數據采集模塊，數據結果顯示模塊，水力熱力耦合計算模塊和管網磨阻系數辨識模塊。優點在于，以管網節點壓力或管道流量實測值與計算值之間的平方和所構成的目標函數為準則函數，實現了快速準確的蒸汽管網摩阻系數辨識計算，使得管網模型計算更加準確，更加有助于對管網的分析和維護。
文檔編號G06F19/00GK102508988SQ20111028874
公開日2012年6月20日 申請日期2011年9月26日 優先權日2011年9月26日
發明者余志剛, 傅登明, 孫彥廣, 徐化巖, 曾玉嬌, 朱寅, 蘇勝石, 馬湧, 黃霜梅 申請人:冶金自動化研究設計院