基於tbb的並行遺傳算法蒸汽管網模型自動校準系統的製作方法
2023-09-17 14:16:00
專利名稱：基於tbb的並行遺傳算法蒸汽管網模型自動校準系統的製作方法
技術領域：
本發明屬於蒸汽管網模型校準計算技術領域，特別是提供一種基於TBB(Threading Building Blocks )並行遺傳算法的蒸汽管網模型校準系統,實現了快速準確的管網模型計算精度校準辨識。
背景技術：
在蒸汽管網實際運行過程中，由於蒸汽管網結構複雜，管壁粗糙度、管道保溫情況等難以準確取值，隨著其改造、老化、運行工況的改變，管網內的物理參數將不斷變化，計算誤差較大且無法進行在線測量。在管網模型計算過程中，壓降修正係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壓降係數的較好估計。同時管道溫降修正係數和流量因子修正係數也需及時校準。為使管網模型計算結果更佳接近實際運行工況，並為管網的正常設計、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，管網模型係數校準便顯得非常重要。校準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於蒸汽管網的分析、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儘可能吻合。但管網模型是模擬真實蒸汽管網運行的數學模型，無論模型多麼複雜，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準。管網模型校準是在建立耦合方程組的基礎上，採用合適的準則函數，利用不同的數值計算方法進行校準辨識。模型的校核是管網計算的重要部分，蒸汽管網耦合模型是基於管網監測點的壓力、流量進行校核。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，建立基於最小二乘原理的管網計算校準數學模型。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，管網模型自動校準成為可能。模型校準需要儘可能多的實測數據，並且保證測量數據相關性儘可能小，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模型自動校準計算方法，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
本發明的目的在於提供一種基於TBB的並行遺傳算法蒸汽管網模型自動校準系統，實現了快速準確的蒸汽管網模型計算。使得管網模型計算更加準確，更加有助於對管網的分析和維護。用於模型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)和參數本身的取值範圍的約束條件下，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。
本發明硬體系統包括關係資料庫伺服器，實時資料庫伺服器，應用伺服器，工程師站。關係資料庫伺服器與工程師站和應用伺服器相連，應用伺服器除與關係資料庫伺服器相連外，還與實時資料庫和工程師站相連，保持三者之間數據交換。應用模塊包括關係資料庫，數據採集模塊，數據結果顯示模塊，水力熱力耦合計算模塊和管網模型自動校準模塊。其中數據結果顯示模塊部署在工程師站，管網耦合計算模塊和模型自動校準模塊部署在應用伺服器，關係資料庫部署在關係資料庫伺服器，數據採集模塊部署在實時資料庫。關係資料庫是顯示模塊與耦合計算模塊、模型自動校準模塊之間的數據通訊媒介。耦合計算模型與自動校準程序將計算結果寫入關係資料庫，顯示模塊再從關係資料庫中讀出並予以顯示。關係資料庫存儲用於模型計算、模型校準、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，模型校準結果等信息。數據採集模塊由實時資料庫和現場採集儀表以及傳輸網絡組成；現場採集儀表將信息實時傳入實時資料庫中，並有數據採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；管網耦合計算模塊包括I、建立多氣源管網拓撲模型結構，並對管網結構進行合理適當的串聯、並聯簡化，便於模型計算；2、基於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；之後，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，得到關於節點壓力的非線性方程組；利用泰勒公式將方程組線性化，並對其求解，得到獨立節點壓力的修正量。採用同樣流程，可得到獨立節點溫度的修正量。隨後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。管網模型校準模塊I、建立模型校準目標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範圍等約束條件下，建立基於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，該問題為複雜約束的非線性規劃問題，其複雜程度正比於管網的規模。為了得到更多的校正數據，採用多工況分析的方法，利用並行遺傳算法對蒸汽管網校準優化目標函數為
權利要求
1.一種基於TBB的並行遺傳算法蒸汽管網模型自動校準系統，其特徵在於，包括關係資料庫伺服器，實時資料庫伺服器，應用伺服器，工程師站；關係資料庫伺服器與工程師站和應用伺服器相連，應用伺服器除與關係資料庫伺服器相連外，還與實時資料庫和工程師站相連，保持三者之間數據交換；應用模塊包括關係資料庫，數據採集模塊，數據結果顯示模塊，水力熱力耦合計算模塊和管網模型自動校準模塊；其中數據結果顯示模塊部署在工程師站，管網耦合計算模塊和模型自動校準模塊部署在應用伺服器，關係資料庫部署在關係資料庫伺服器，數據採集模塊部署在實時資料庫； 關係資料庫是顯示模塊與耦合計算模塊、模型自動校準模塊之間的數據通訊媒介；耦合計算模型與自動校準程序將計算結果寫入關係資料庫，顯示模塊再從關係資料庫中讀出並予以顯示。
2.根據權利要求I所述的系統，其特徵在於， 所述的關係資料庫存儲用於模型計算、模型校準、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，模型校準結果等信息； 所述的數據採集模塊由實時資料庫和現場採集儀表以及傳輸網絡組成；現場採集儀表將信息實時傳入實時資料庫中，並有數據採集模塊根據要求相管網耦合計算模型提供數據； 所述的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。
3.根據權利要求I所述的系統，其特徵在於，所述的管網耦合計算模塊的功能為 建立多氣源管網拓撲模型結構，並對管網結構進行合理適當的串聯、並聯簡化，便於模型計算； 基於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； 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；之後，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，得到關於節點壓力的非線性方程組；利用泰勒公式將方程組線性化，並對其求解，得到獨立節點壓力的修正量；採用同樣流程，得到獨立節點溫度的修正量；隨後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。
4.根據權利要求I所述的系統，其特徵在於，所述的管網模型校準模塊的功能為 建立模型校準目標方程在滿足管網本身的水力熱力平衡和校核參數本身的取值範圍約束條件下，建立基於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；利用並行遺傳算法對蒸汽管網校準優化目標函數為
5.根據權利要求4所述的系統，其特徵在於，所述的TBB是一個開源的C++模板庫，它能將線程抽象成任務，然後創建可靠、可移植且可擴展的並行應用程式；使用TBB編寫基於任務的並行應用程式，有助於提高跨多核平臺上運行的可擴展軟體的開發效率；與本地線程和線程封裝器其他線程化方法相比，它能夠充分利用多核平臺的並行性能，是執行並行應用程式最高效的方式，TBB有以下三個功能 TBB對線程進行抽象，將其提高到任務的高度，簡化了並行應用程式的開發工作；基於TBB開發的應用程式的性能，隨著處理器內核數量的增加而自動提升； TBB能夠減少死鎖和資源競爭等常見線程錯誤，提供了一個跨平臺的並行解決方案。遺傳算法是一個概率算法，對串行算法作些必要的改變，將整個種群分成P個子種群，每一子種群由一個單一的進程負責；各進程獨立地完成串行遺傳算法的整個過程，唯一不同的是選擇函數；各進程作選擇操作時，首先計算各子種群內的局部累積適應度，然後根據遷移策略確定局部累積適應度選擇若干個體，按固定規則輪流發送到其他進程；同時，按照該規則相應地從其他進程獲取若干用來進行交流的個體；獲取到個體後，先將其暫存；然後按串行算法中的選擇機制從原子種群中選擇進行進化的母體；最後再用之前暫存的個體完成進程間的種群交流；根據遷移策略對每一個待交流的個體交流策略如下 隨機地從本地的待進化母體種群內抽取與之進行交流的母體；比較本地個體與傳送過來的待交流個體，選取適應度高者作為最終母體； 各進程在每一次進化過程中，均分別保留各自的局部最優解，用來在下一次進化中替換局部最差的個體；各進程均完成所預定的進化迭代後，最後對各進程的局部最優解進行歸約，從而得到整個算法的全局最優解。
6.根據權利要求I所述的系統，其特徵在於，所述的管網模型自動校準步驟如下 (1)確定目標函數，基於最小二乘法，建立壓力、溫度和流量實測值與計算值的平方和為目標函數的適應度函數； (2)對管段局部壓降、溫降、流量因子係數進行編碼，確定染色體長度及初始種群大小；根據粗粒度並行算法，對種群進行劃分； (3)對每一種群中個體首先按照遷移策略進行中群間的交換，然後進行目標函數計算，得到適應度值，然後進行評價，滿足計算精度則結束，不滿足進入下一步； (4)對染色體進行選擇操作，採用隨機遍曆法，按隨機產生的選擇概率進行個體適應度選擇，大於此概率則被選中； (5)對染色體進行交叉操作，為提高尋優速度，採用兩點交叉策略； (6)對染色體進行變異操作，以概率0.001進行變異操作，在初始階段增加變異概率，結束階段減小變異概率，這樣更容易提高搜索速度；得到新的種群後返回步驟(3)。
全文摘要
一種基於TBB的並行遺傳算法蒸汽管網模型自動校準系統，屬於蒸汽管網模型校準計算技術領域。硬體系統包括關係資料庫伺服器，實時資料庫伺服器，應用伺服器，工程師站。關係資料庫伺服器與工程師站和應用伺服器相連，應用伺服器除與關係資料庫伺服器相連外，還與實時資料庫和工程師站相連，保持三者之間數據交換。應用模塊包括關係資料庫，數據採集模塊，數據結果顯示模塊，水力熱力耦合計算模塊和管網模型自動校準模塊。優點在於，實現了快速準確的蒸汽管網模型計算。使得管網模型計算更加準確，更加有助於對管網的分析和維護。
文檔編號G06N3/12GK102867090SQ20121033883
公開日2013年1月9日 申請日期2012年9月13日 優先權日2012年9月13日
發明者馬湧, 孫彥廣, 於立業, 蘇勝石, 朱寅, 徐化巖, 曾玉嬌, 張鵬飛 申請人:冶金自動化研究設計院, 上海金自天正信息技術有限公司