專利名稱：優(yōu)化氫氣管線系統(tǒng)的操作的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
通常，氫氣管線系統(tǒng)提供了一種連續(xù)的管道，包括諸如閥門、壓縮機(jī)站、通信系統(tǒng) 和儀表等等的設(shè)備，以將氫氣從一點(diǎn)輸送到另一點(diǎn)，通過從制造或處理的一個(gè)點(diǎn)輸送到另 一點(diǎn)或使用點(diǎn)。
背景技術(shù)：
優(yōu)化氫氣管線系統(tǒng)的操作是復(fù)雜的任務(wù)。特別地，優(yōu)化管線系統(tǒng)以解決各個(gè)節(jié)點(diǎn) 的功率成本、允許可再配置的元件(例如，可作用為在管線的特定節(jié)點(diǎn)處增加壓力或流量 或減小壓力或流量的管線原件)以及滿足在各節(jié)點(diǎn)處的合約規(guī)定的輸出和壓力要求，這已 經(jīng)被證明是困難的任務(wù)。此外，各種不同的源可以將氫氣以不同的純度水平引入到管線中； 輸入饋給(feed)(以及輸出饋給)的純度差異復(fù)雜化了優(yōu)化過程。商業(yè)可得的管線優(yōu)化系 統(tǒng)通常不能對(duì)于配置復(fù)雜的管線系統(tǒng)提供滿意的方案。特別是，商業(yè)可得的管線優(yōu)化系統(tǒng) 對(duì)于可能影響操作管線的操作成本的各種因素是無用的。替代地，這樣的系統(tǒng)通常會(huì)約束 各種變量，并在假設(shè)可以單獨(dú)優(yōu)化其他方面的情況下尋求優(yōu)化管線系統(tǒng)的單獨(dú)的方面。通 常，這導(dǎo)致次最優(yōu)解。此外，即使在當(dāng)前系統(tǒng)已經(jīng)證明能夠識(shí)別高質(zhì)量方案的情況下，該系 統(tǒng)通常也不能以合理的時(shí)間量進(jìn)行識(shí)別。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的實(shí)施例提供了一種用于識(shí)別基于各種操作約束操作氫氣管線的低成本 方案的優(yōu)化系統(tǒng)，以及操作該系統(tǒng)涉及的細(xì)微差別。本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例包括一種優(yōu)化氫氣管線網(wǎng)絡(luò)的操作的計(jì)算機(jī)實(shí)施的方法。所 述方法通常包括讀取一組輸入數(shù)據(jù)，所述輸入數(shù)據(jù)描述了氫氣管線、被配置為將氫氣引入 到所述氫氣管線中的多個(gè)氫氣產(chǎn)生源、被配置為從所述管線去除氫氣的多個(gè)氫氣消耗裝 置、在優(yōu)化進(jìn)程(rim)中使用的多個(gè)優(yōu)化參數(shù)以及一個(gè)或多個(gè)優(yōu)化進(jìn)程結(jié)束條件。所述方 法還包括產(chǎn)生方案群，其中每個(gè)方案規(guī)定了所述氫氣管線、所述多個(gè)氫氣產(chǎn)生源以及所述 多個(gè)氫氣消耗裝置的可行的操作狀態(tài)。所述方法還包括評(píng)估所述方案群中的每個(gè)方案以為 每個(gè)方案產(chǎn)生評(píng)估分以及對(duì)所述多個(gè)方案重復(fù)進(jìn)行遺傳(genetic)優(yōu)化過程以進(jìn)化所述 方案群直到滿足所述結(jié)束條件中的一個(gè)。所述方法還包括從所述進(jìn)化的方案群選擇所述 方案中的一個(gè)，其中所述選擇的方案相對(duì)于在所述進(jìn)化的方案群中的方案具有最高評(píng)估分 數(shù)。所述方法還包括對(duì)所述選擇的方案應(yīng)用一個(gè)或多個(gè)試探，其中應(yīng)用每個(gè)試探以進(jìn)一步 優(yōu)化在所述選擇的方案中規(guī)定的所述氫氣管線的所述操作狀態(tài)。在特定的實(shí)施例中，所述遺傳優(yōu)化過程規(guī)定通過所述管線的氫流量和通過所述管 線的環(huán)路段的流量分配，以及其中一旦通過所述遺傳優(yōu)化過程分配了氫氣流量便使用直接 壓力優(yōu)化技術(shù)來優(yōu)化壓力。所述氫氣產(chǎn)生源可包括一個(gè)或多個(gè)蒸汽甲烷重整單元、一個(gè)或 多個(gè)廢氣處理單元、一個(gè)或多個(gè)存儲(chǔ)設(shè)備(例如鹽丘、蓄水層、掩埋存儲(chǔ)罐)以及一個(gè)或多 個(gè)第三方供應(yīng)源。
另外，進(jìn)行所述遺傳優(yōu)化過程的步驟可自身包括修改由所述群中的至少一個(gè)方 案規(guī)定的所述可行操作狀態(tài)的至少一個(gè)方面；根據(jù)由所述修改的方案規(guī)定的所述操作狀態(tài) 模擬所述氫氣管線網(wǎng)絡(luò)的所述操作并評(píng)估所述修改的方案的所述性能。所述遺傳優(yōu)化過程 還包括將所述修改的方案添加到所述群并從所述群中選擇從所述方案群中去除的方案。此 外，使用來自存儲(chǔ)了所述管線系統(tǒng)的當(dāng)前操作狀態(tài)的管理控制和數(shù)據(jù)采集(SCADA)管線狀 態(tài)數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)來產(chǎn)生所述組的輸入數(shù)據(jù)。


為了進(jìn)一步了解本發(fā)明的主旨和目的，可以結(jié)合附圖參考下列詳細(xì)的描述，其中 相似的元件被賦予相同或類似的參考號(hào)，以及其中圖1為示例了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的氫氣管線系統(tǒng)的部件的框圖；圖2示例了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的用于優(yōu)化在圖1中示出的實(shí)例氫氣管線系 統(tǒng)的操作方面的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的部件；圖3示例了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的配置為優(yōu)化在圖1中示出的實(shí)例氫氣管線 系統(tǒng)的操作方面的氫氣管線優(yōu)化程序的部件；圖4示例了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的用于描述氫氣管線系統(tǒng)的配置和優(yōu)化參 數(shù)的輸入文件的實(shí)例；圖5A-5B示例了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的由圖2示出的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)提供的實(shí)例 圖形用戶界面；圖6示例了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的氫氣管線優(yōu)化程序的優(yōu)化模塊的部件；圖7為示例了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的用于優(yōu)化氫氣管線系統(tǒng)的操作的方法 的流程圖；圖8示例了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的用于模擬進(jìn)化過程以優(yōu)化氫氣管線的操 作的方法；以及圖9示例了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的由圖2示出的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)提供的實(shí)例圖形 用戶界面。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明的實(shí)施例提供了一種計(jì)算機(jī)化的優(yōu)化系統(tǒng)，其被配置為優(yōu)化氫氣產(chǎn)生、處 理以及輸送網(wǎng)絡(luò)的操作。這樣的網(wǎng)絡(luò)典型地包括物理設(shè)備、站(plant)以及管線的聯(lián)合體， 包括制造、存儲(chǔ)以及分配設(shè)施。氫氣優(yōu)化系統(tǒng)提供了一種對(duì)這樣的氫氣網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化氫氣的制 造和分配的軟件系統(tǒng)。通常，這里使用的術(shù)語“優(yōu)化”描述了通常在功率要求或其他操作成 本方面優(yōu)于其他情況的管線操作狀態(tài)的改變。然而，注意，本發(fā)明的實(shí)施例不需要識(shí)別配置 氫氣管線的最優(yōu)或最佳方案。替代地，術(shù)語優(yōu)化通常表示以合理的時(shí)間量找到對(duì)困難問題 的可接受的解決方案。在這里公開的可以使用優(yōu)化系統(tǒng)做出的優(yōu)化實(shí)例包括，例如，通過尋找有效的設(shè) 備設(shè)定來減少功率成本；選擇饋給以支持要求的純度水平；建模并優(yōu)化多步壓縮機(jī)；最小 化必付合約和其他類型的供給合同的損失；以及滿足對(duì)系統(tǒng)操作的其他約束。由此，使用這 里所公開的優(yōu)化系統(tǒng)的至少一個(gè)實(shí)施例來最小化操作氫氣管線網(wǎng)絡(luò)所需的功率成本，并同時(shí)向位于管線的各節(jié)點(diǎn)處的消耗裝置提供合約規(guī)定的出口壓力(材料流量)。在一個(gè)實(shí)施例中，操作約束可包括“硬”約束和“軟”約束。硬約束規(guī)定了如果優(yōu) 化程序產(chǎn)生的方案被認(rèn)為是可行的則優(yōu)化問題的方案必須滿足的要求。相反地，違背硬約 束會(huì)使方案是不可行的。硬約束的實(shí)例包括最大和最小壓力和流量；調(diào)節(jié)器的最大閥門 開口 ；氣體饋給的選擇；需要開啟或關(guān)閉的站的選擇；以及對(duì)壓縮機(jī)模型的再循環(huán)限制。軟 約束的一個(gè)實(shí)例包括其中管線操作者必須負(fù)擔(dān)可得的產(chǎn)品或材料的費(fèi)用而不論使用與否 的“必付”協(xié)議。在軟約束的情況下，如果特定的管線配置的其他效率(efficiency)補(bǔ)償 了招致的損失，那么該配置是可接受的，甚至是優(yōu)選的。圖1為示例了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的氫氣管線網(wǎng)絡(luò)100的部件的框圖。如 所示，氫氣管線110連接各種不同的節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)能夠向管線110引入氫氣或從管線110 提取氫氣。示例性地，連接到管線Iio的節(jié)點(diǎn)包括消耗裝置節(jié)點(diǎn)105、蒸汽甲烷重整器節(jié)點(diǎn) 122、廢氣處理節(jié)點(diǎn)135、第三方供應(yīng)節(jié)點(diǎn)140以及穹頂存儲(chǔ)器145。消耗裝置節(jié)點(diǎn)105^均被連接到管線110并能夠從管線110提取氫氣。典型地， 管線操作者確保每個(gè)消耗裝置105"在其到管線的各自的連接處具有最小氫氣壓力。同樣 消耗裝置105"還要求(和約定)不同級(jí)別的氫氣純度。氫氣樣品的純度為是樣品中氫氣 的體積百分比的測(cè)量。相似地，引入到管線110的不同的氫氣源具有不同的純度級(jí)別。在 一個(gè)實(shí)施例中，氫氣優(yōu)化器系統(tǒng)被配置為評(píng)估各種可行的管線配置以向消耗裝置105提供 所要求的氫氣產(chǎn)品的壓力、體積或純度。附加地(或可選地)，一些消耗裝置(例如，消耗裝置1053)從消耗裝置穹頂存儲(chǔ) 腔155提取氫氣，管線操作者能夠在合約限制內(nèi)當(dāng)消耗裝置10 從其穹頂存儲(chǔ)器155或從 管線110提取氫氣時(shí)進(jìn)行控制。在這樣的背景下，氫氣優(yōu)化器系統(tǒng)被配置為考慮向消耗裝 置10 供給所要求的壓力或體積的氫氣產(chǎn)品的各種選項(xiàng)，包括使消耗裝置10 從自身的穹 頂存儲(chǔ)器巧5提取氫氣。如所示，管線系統(tǒng)110包括多個(gè)不同類型的氫氣源，包括蒸汽甲烷重整器節(jié)點(diǎn) 122、廢氣處理節(jié)點(diǎn)135、第三方供給節(jié)點(diǎn)140以及穹頂存儲(chǔ)器145，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以將氫氣 壓力引入到管線110。應(yīng)該理解，蒸汽甲烷重整器122或“SMR”為從天然氣源120和水蒸氣 產(chǎn)生氫氣的設(shè)備的一部分。相似地，HyCo站125表示可以使用合成氣處理來產(chǎn)生氫氣或一 氧化碳的氫氣產(chǎn)生站。管線110中的其他氫氣源包括廢氣源13(V2。一些工業(yè)處理作為副產(chǎn)品產(chǎn)生變化 的量和純度的氫氣。在該情況下，廢氣處理節(jié)點(diǎn)135提供HPU站，其用于從來自廢氣源130" 的廢蒸汽(否則僅僅會(huì)被認(rèn)為是廢蒸汽)提取氫氣。HPU站為利用HPU設(shè)備的氫氣產(chǎn)生站， 將氫氣饋給作為輸入，并產(chǎn)生具有更高的純度和壓力的氫氣。通常，饋給表示用于HPU站的 氣體的源。饋給可輸入可能具有低純度級(jí)別的氫氣，或輸入用于提取或純化氫氣的其他氣 體。除了氫氣產(chǎn)生節(jié)點(diǎn)之外，輸入到管線110的其他源包括氫氣存儲(chǔ)器，例如，穹頂存儲(chǔ)器 145，以及氫氣的第三方供給140，其通?；诠芫€操作者與第三方氫氣提供商之間達(dá)成的 必付協(xié)議而購(gòu)買。圖1還示出了管線控制中心150，其提供用于監(jiān)視管線操作的各方面的操作控制 中心。在一個(gè)實(shí)施例中，管線控制中線150包括氫氣優(yōu)化器系統(tǒng)，其用于識(shí)別滿足壓力和流 量要求并同時(shí)最小化操作成本的可行管線狀態(tài)。
圖2示例了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的用于優(yōu)化在圖1中示出的氫氣管線系統(tǒng)的 操作方面的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)215的部件。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)215為管線控制中心150的一部分。如所 示，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)215通過網(wǎng)絡(luò)205與SCADA系統(tǒng)210通信。應(yīng)該理解，SCADA系統(tǒng)210 (系統(tǒng) 控制和數(shù)據(jù)采集的簡(jiǎn)稱)提供了從傳感器收集與管線110的操作狀態(tài)有關(guān)的數(shù)據(jù)并將其發(fā) 送到用于管理和控制的中心計(jì)算機(jī)的處理控制應(yīng)用。在一個(gè)實(shí)施例中，從SCADA系統(tǒng)210獲 得的管線系統(tǒng)100的操作狀態(tài)被用作到氫氣優(yōu)化器系統(tǒng)的輸入。例如，在每次轉(zhuǎn)移(shift) 的開始，管線控制中心150的氫氣操著者產(chǎn)生描述管線系統(tǒng)100的當(dāng)前狀態(tài)的文件。優(yōu)化 器使用輸入文件運(yùn)行并產(chǎn)生方案。該方案規(guī)定了滿足操作約束同時(shí)最小化操作成本的用于 站生產(chǎn)、管線狀態(tài)等等的設(shè)定。操作者審查該方案，并確定是否實(shí)施該方案。通常，操作者 會(huì)實(shí)施該方案。然而，在新的方案要求對(duì)站和管線的設(shè)備設(shè)定進(jìn)行實(shí)質(zhì)改變而僅獲得相對(duì) 小量的利益時(shí)，操作者會(huì)忽略該系統(tǒng)的方案。示例地，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)215包括CPU、存儲(chǔ)裝置225 (例如，硬盤驅(qū)動(dòng)器或網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)器 空間)和存儲(chǔ)器230。此外，存儲(chǔ)器230包括氫氣管線優(yōu)化器程序M0。如這里所述，氫氣 管線優(yōu)化器程序240提供了優(yōu)化氫氣在氫氣管線系統(tǒng)100上的產(chǎn)生和分配的軟件系統(tǒng)。計(jì) 算機(jī)系統(tǒng)215還包括網(wǎng)絡(luò)接口對(duì)5，用于將計(jì)算機(jī)系統(tǒng)215連接到網(wǎng)絡(luò)205和輸入/輸出裝 置(例如，鍵盤、鼠標(biāo)以及LCD或CRT顯示監(jiān)視器)。當(dāng)然，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將認(rèn)識(shí) 到，圖2中示例的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)215被簡(jiǎn)化以突出本發(fā)明的方面。本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例被實(shí)施為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)使用的程序產(chǎn)品。程序產(chǎn)品的程序限定 了實(shí)施例的功能(包括這里描述的方法)并可以被包含在各種計(jì)算機(jī)可讀的存儲(chǔ)介質(zhì)中。 示例的計(jì)算機(jī)可讀的存儲(chǔ)介質(zhì)包括，但不限于(i)在其上永久存儲(chǔ)信息的不可寫存儲(chǔ)介 質(zhì)(例如，在計(jì)算機(jī)內(nèi)的只讀存儲(chǔ)裝置，例如，可通過⑶-ROM驅(qū)動(dòng)器讀取的⑶-ROM盤和通 過DVD播放器讀取的DVD)；以及(ii)在其上存儲(chǔ)可改變的信息的可寫存儲(chǔ)介質(zhì)(例如，磁 盤驅(qū)動(dòng)器內(nèi)的軟盤、硬盤驅(qū)動(dòng)器或隨機(jī)存取存儲(chǔ)器)。當(dāng)執(zhí)行實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的功能的計(jì)算機(jī)可 讀的指令時(shí)，該計(jì)算機(jī)可讀的存儲(chǔ)介質(zhì)為本發(fā)明的實(shí)施例。其他介質(zhì)包括通信介質(zhì)，通過該 通信介質(zhì)將信息傳送到計(jì)算機(jī)，例如，通過計(jì)算機(jī)或電話網(wǎng)絡(luò)，包括無線通信網(wǎng)絡(luò)。后一實(shí) 施例具體包括將信息發(fā)送到互聯(lián)網(wǎng)和其他網(wǎng)絡(luò)或從互聯(lián)網(wǎng)和其他網(wǎng)絡(luò)接收。當(dāng)執(zhí)行實(shí)現(xiàn)本 發(fā)明的功能的計(jì)算機(jī)可讀的指令時(shí)，該通信介質(zhì)為本發(fā)明的實(shí)施例。寬泛地，這里將計(jì)算機(jī) 可讀的介質(zhì)和通信介質(zhì)稱為計(jì)算機(jī)可讀的介質(zhì)。圖3示例了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的配置為優(yōu)化在圖1中示出的實(shí)例氫氣管線 系統(tǒng)100的操作方面的氫氣管線優(yōu)化器240的部件。如所示，氫氣管線優(yōu)化程序240包括輸 入模塊305、優(yōu)化模塊310以及輸出模塊315。另外，圖3示例了輸入數(shù)據(jù)文件320，其被用 于描述管線部件和供給到氫氣管線優(yōu)化器MO的優(yōu)化參數(shù)。在一個(gè)實(shí)施例中，通過描述作 為氫氣管線系統(tǒng)100的各部分的各種元件的XML語法來編寫輸入文件320。應(yīng)該理解，XML 文件為根據(jù)特定語法構(gòu)建的文本文件，該特定語法被定義為在跨平臺(tái)應(yīng)用之間傳遞數(shù)據(jù)。輸入模塊305被配置為讀取包括在輸入文件320中的管線、站、設(shè)備、用戶要求、用 戶提供的偏好以及優(yōu)化算法的用戶配置的描述。輸入模塊305還讀取描述管線系統(tǒng)100的 拓?fù)浜蜖顟B(tài)、對(duì)管線操作的約束以及給定優(yōu)化進(jìn)程的目標(biāo)的輸入文件320。例如，輸入文件 320規(guī)定了優(yōu)化進(jìn)程的長(zhǎng)度、在提供方案時(shí)保持的約束、以及在該優(yōu)化進(jìn)程期間是否讀取和 使用預(yù)先產(chǎn)生的方案。
在一個(gè)實(shí)施例中，輸入模塊305還被配置為進(jìn)行多個(gè)測(cè)試以在數(shù)據(jù)輸入模塊已經(jīng) 在輸入文件320中讀取信息之后驗(yàn)證所分析的當(dāng)前管線系統(tǒng)的數(shù)據(jù)。該驗(yàn)證包括例如XML 驗(yàn)證失??；節(jié)點(diǎn)壓力最小和最大失配；節(jié)點(diǎn)名稱與管線元件數(shù)據(jù)之間的失配，例如，元件具 有來自節(jié)點(diǎn)和至節(jié)點(diǎn)的相同的失配；管線錯(cuò)誤，例如，在一個(gè)段內(nèi)的斷開的管線或兩組點(diǎn)； 以及不可能的優(yōu)化目標(biāo)，例如，消耗裝置載荷大于可供給的源。如果輸入模塊305檢測(cè)出重 要數(shù)據(jù)驗(yàn)證失敗(例如，造成XML文件不能被解析的問題)，那么系統(tǒng)在用戶界面中通知該 事件并中斷操作。在似乎不尋常但卻可行的條件的情況下，例如，負(fù)功率成本，系統(tǒng)被配置 為向用戶界面發(fā)送警告，將注解寫入進(jìn)程日志報(bào)告并繼續(xù)處理。優(yōu)化模塊310被配置為搜索從輸入文件320中讀入的問題的高質(zhì)量、可行的方案。 在一個(gè)實(shí)施例中，優(yōu)化模塊310被配置為進(jìn)行遺傳算法以搜索用于操作氫氣管線系統(tǒng)100 的“最優(yōu)”方案。遺傳算法通過使用大量的備選方案模擬進(jìn)化過程來優(yōu)化管線狀態(tài)的方案。 典型地，遺傳算法“進(jìn)化”方案群以通過交叉改良(cross-breed)這些方案、變化這些方案 以及相比于較差方案給予該群中的較佳方案更多的“培育”機(jī)會(huì)來產(chǎn)生越來越好的方案。將 在下面結(jié)合圖6-7更詳細(xì)地描述優(yōu)化模塊310的操作。輸出模塊315被配置為向用戶產(chǎn)生多個(gè)報(bào)告并書寫描述給定優(yōu)化進(jìn)程的結(jié)果 (即，優(yōu)化模塊310為給定組的輸入文件320產(chǎn)生的結(jié)果)的日志文件。例如，輸出模塊320 被配置為產(chǎn)生描述最佳方案及其評(píng)估的XML文件；產(chǎn)生描述該進(jìn)程花費(fèi)多長(zhǎng)時(shí)間、優(yōu)化參 數(shù)是什么、管線段是哪些等等的“分析者的總結(jié)(Analyst’ s Summary) ”文本文件；產(chǎn)生描 述在優(yōu)化進(jìn)程期間出現(xiàn)的任何不尋常的條件或可疑數(shù)據(jù)錯(cuò)誤的報(bào)告。圖4示例了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的用于描述氫氣管線系統(tǒng)100的配置和優(yōu)化 參數(shù)的輸入文件320的實(shí)例。如所示，輸入文件320包括管線系統(tǒng)文件405和優(yōu)化參數(shù)文 件430。管線系統(tǒng)文件405用于描述管線系統(tǒng)100的物理結(jié)構(gòu)和特性。示例性地，管線系 統(tǒng)文件405包括站模塊部件410、管線元件部件415、管線節(jié)點(diǎn)部件420、以及天然氣合約部 件425。優(yōu)化參數(shù)文件430還包括優(yōu)化參數(shù)部件435和消耗裝置約束部件440。使用部件 410-425和435-440為優(yōu)化模塊310提供將被優(yōu)化的管線系統(tǒng)的描述。例如，圖5A-5B示例 了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的顯示以320示出的實(shí)例輸入文件組的內(nèi)容的圖形用戶界面。 首先，圖5A示出了顯示站模塊部件410的內(nèi)容的⑶I屏幕500。在該實(shí)例中，工作空間區(qū)域 505允許用戶通過部件410-425和435-440導(dǎo)航以評(píng)閱輸入文件320的內(nèi)容。示例性地，工 作空間505的站元件515被選擇。結(jié)果，窗口(pane)示出了在輸入文件320中包括的通過 站類型組織的站的列表。在該情況下，SMR(蒸汽甲烷重整器)被選擇，以及窗口 510示出 與該特定的管線設(shè)備塊有關(guān)的細(xì)節(jié)。圖5B示出了用于編輯優(yōu)化情景(scenario)的⑶I屏幕550。情景允許用戶通過 一組用戶可以對(duì)提供到優(yōu)化模塊310的參數(shù)做出改變的編輯器來觀看管線系統(tǒng)100。每個(gè) 情景規(guī)定了在優(yōu)化進(jìn)程期間將被優(yōu)化的管線系統(tǒng)100的完整操作環(huán)境。例如，具體的窗口 560示出了在給定優(yōu)化進(jìn)程被修改的SMR壓縮機(jī)的參數(shù)。在該特定實(shí)例中，“壓縮機(jī)_A ”和 “壓縮機(jī)—B”具有設(shè)定到“可用”的狀態(tài)。在一個(gè)實(shí)施例中，給定情景的參數(shù)從SCADA系統(tǒng) 獲取。也就是，優(yōu)化參數(shù)基于管線系統(tǒng)100當(dāng)時(shí)的“實(shí)況”狀態(tài)。在這樣的情況下，什么制 造設(shè)備可用、當(dāng)前流行的什么電力成本、已經(jīng)參加了什么必付合約被并入到給定情景中。一 旦完成，用戶還可以將情景發(fā)送到優(yōu)化器。當(dāng)優(yōu)化器完成運(yùn)行時(shí)，其可以被配置為將方案加載到編輯器中并允許用戶評(píng)閱在優(yōu)化進(jìn)程期間找到的最佳方案的設(shè)定。例如，工作空間 資源管理器(explorer) 570包括允許用戶評(píng)閱作為給定方案的一部分的每個(gè)優(yōu)化參數(shù)、節(jié) 點(diǎn)、元件、站和天然氣合約的設(shè)定的方案文件夾575。圖6示例了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的氫氣管線優(yōu)化程序320的優(yōu)化模塊310的 部件。如所示，優(yōu)化模塊310包括全局搜索模塊605、外部模擬模塊610、內(nèi)部模擬模塊615 以及方案評(píng)估模塊620。全局搜索模塊605提供了優(yōu)化模塊的部件，該部件被配置為驅(qū)動(dòng)對(duì) 輸入文件所描述的問題的具有充分質(zhì)量的可行方案的搜索。在一個(gè)實(shí)施例中，全局搜索模塊進(jìn)行配置為“進(jìn)化”方案群的遺傳算法來改善與時(shí) 間相關(guān)的方案的質(zhì)量。當(dāng)產(chǎn)生新的方案時(shí)，外部模擬模塊610和內(nèi)部模擬模塊615被配置 為使用給定方案的設(shè)定模擬管線系統(tǒng)的操作。例如，外部模擬模塊610基于給定方案的設(shè) 定模擬通過管線的流量。如果存在任何流量違規(guī)，對(duì)于當(dāng)前的方案，模擬結(jié)束。也就是，流 量違規(guī)使方案不可行，由此該方案被放棄而不會(huì)被進(jìn)一步處理。另外，如果流量傳播模擬指 示出方案不包括任何流量違規(guī)，那么該方案被傳送到內(nèi)部模擬模塊615。在一個(gè)實(shí)施例中， 內(nèi)部模擬模塊615被配置為在通過外部模擬模塊610執(zhí)行的流量傳播模擬期間優(yōu)化確定的 管線中的壓力，可能地使用直接壓力優(yōu)化技術(shù)改變管線的某些部件的某些壓力。該直接壓 力優(yōu)化技術(shù)被配置為設(shè)定作為管線的一部的環(huán)路中的壓力。應(yīng)該理解，如果環(huán)路的輸出壓 力是已知的，可以直接計(jì)算其他節(jié)點(diǎn)的壓力而不用通過優(yōu)化算法尋找。因?yàn)橹苯佑?jì)算壓力 比使用優(yōu)化算法更快，因此使用直接壓力優(yōu)化技術(shù)可以降低全局搜索模塊605所需要的優(yōu) 化的量，由此急劇降低了需要全局搜索模塊605運(yùn)行的時(shí)間。此外，直接壓力優(yōu)化技術(shù)通過 確保整個(gè)管線可能的最小壓力還改善了方案質(zhì)量。該直接壓力優(yōu)化技術(shù)基于以下事實(shí)，如 果全局遺傳算法規(guī)定了流量和通過環(huán)路的流量分配，而一旦為給定的可行方案分配了流量 就使用直接壓力優(yōu)化技術(shù)方法優(yōu)化壓力，便可以簡(jiǎn)化優(yōu)化任務(wù)。在由模擬模塊610和615執(zhí)行的模擬階段之后，如果確定的方案是可行的，方案評(píng) 估模塊620被配置為評(píng)估該可行方案的質(zhì)量。在一個(gè)實(shí)施例中，從方案得到的模擬的氫氣 網(wǎng)絡(luò)的評(píng)估關(guān)注操作模擬的管線和模擬的站的估計(jì)的成本。以及操作成本被計(jì)算為管線的 每個(gè)部件的操作成本和站及其設(shè)備的成本的總和。圖7為示例了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的用于優(yōu)化氫氣管線系統(tǒng)的操作的方法 700的流程圖。如所示，方法700開始于步驟705，在其中，全局搜索模塊605識(shí)別給定優(yōu)化 進(jìn)程的一組結(jié)束條件。通常，結(jié)束條件指示優(yōu)化模塊應(yīng)該何時(shí)停止“進(jìn)化”方案群并輸出至 此產(chǎn)生的最佳方案。為了讀取結(jié)束條件，全局搜索模塊605檢查由輸入模塊305產(chǎn)生的輸入 數(shù)據(jù)。在一個(gè)實(shí)施例中，用戶在輸入文件320中規(guī)定一個(gè)或多個(gè)結(jié)束條件。如果規(guī)定了多于 一個(gè)的結(jié)束條件，全局搜索模塊605當(dāng)其中的任何一個(gè)條件被滿足時(shí)結(jié)束?？赡艿慕Y(jié)束條 件的實(shí)例包括產(chǎn)生的方案的最大數(shù)目、最大時(shí)鐘時(shí)間以及方案質(zhì)量。如果激活了產(chǎn)生的方 案的最大數(shù)目條件，全局搜索模塊605將在其已經(jīng)產(chǎn)生并評(píng)估特定數(shù)目的方案時(shí)結(jié)束。如 果激活了花費(fèi)的時(shí)鐘時(shí)間的最大量條件，全局搜索模塊605將在其已經(jīng)在優(yōu)化中花費(fèi)了該 量的時(shí)鐘時(shí)間之后結(jié)束。如果激活了方案質(zhì)量條件，當(dāng)全局搜索模塊605在給定數(shù)目的迭 代之后不能改善方案質(zhì)量時(shí)，或直到找到具有特定質(zhì)量的方案(例如，具有最小操作成本、 復(fù)雜性、可行性等等)，全局搜索模塊605結(jié)束。還可以由輸入文件320規(guī)定改善的標(biāo)準(zhǔn)。 另外，用戶可以在優(yōu)化進(jìn)程期間在特定點(diǎn)手動(dòng)終止優(yōu)化進(jìn)程。
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在步驟710，全局搜索模塊605可初始化優(yōu)化進(jìn)程。為了初始化，全局搜索模塊605 產(chǎn)生支撐優(yōu)化進(jìn)程所需的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，初始化任何需要初始化的方案修改過程，并存儲(chǔ)用于 改善在進(jìn)化模擬期間產(chǎn)生的方案的試探(heuristic)過程(例如分析管線拓?fù)?的信息。 在步驟715，全局搜索模塊605產(chǎn)生初始方案群。在一個(gè)實(shí)施例中，全局搜索模塊605產(chǎn)生 零個(gè)或多個(gè)查找方案，并還產(chǎn)生多個(gè)初始的、隨機(jī)產(chǎn)生的方案以產(chǎn)生初始方案群。典型地， 用戶規(guī)定被放入隨后由遺傳算法進(jìn)化的初始群中的查找方案。查找方案由用戶輸入，從數(shù) 據(jù)文件獲取或被試探式地產(chǎn)生(例如，基于專業(yè)知識(shí))。如果全局搜索模塊605從開始就訪 問到非常良好的查找方案，則可以加速優(yōu)化，但其同樣會(huì)使優(yōu)化偏向該查找方案而偏離方 案搜索空間的其他潛在更佳的區(qū)域。此外，在一個(gè)實(shí)施例中，全局搜索模塊605可基于先前的方案或基于與人們所使 用的那些相似的方案產(chǎn)生試探而產(chǎn)生“智能查找(smart seed)”。智能查找可包括在系統(tǒng) 的先前進(jìn)程中產(chǎn)生的方案。包括由先前優(yōu)化進(jìn)程輸出的先前方案是有用的或有害的。假設(shè) 先前的方案是最優(yōu)或接近最優(yōu)的，那么如果管線條件和優(yōu)化要求與先前優(yōu)化進(jìn)程相同，便 可以顯著縮短優(yōu)化過程。另一方面，如果已經(jīng)改變了管線條件，因?yàn)槠渖霞?jí)評(píng)價(jià)和其細(xì)微調(diào) 整的特性會(huì)使其去除本來在之前有機(jī)會(huì)適應(yīng)當(dāng)前問題的其他沒有得到很好發(fā)展的方案，因 而在初始群中包括先前方案會(huì)使當(dāng)前進(jìn)程沿次最優(yōu)方向偏移。因?yàn)樵趦?yōu)化進(jìn)程中包括先 前方案是有用的，以及因?yàn)楹雎园ㄏ惹胺桨敢彩怯杏玫?，在一個(gè)實(shí)施例中，全局搜索模塊 605可進(jìn)行使用不同隨機(jī)查找的兩個(gè)并行優(yōu)化進(jìn)程，一個(gè)在群中包括先前方案，而另一個(gè)在 群中則不包括先前方案。在該情況下，來自每個(gè)并行優(yōu)化進(jìn)程的方案可彼此比較，其中的最 佳方案被作為優(yōu)化過程的最終方案輸出。除了使用在先前進(jìn)程中產(chǎn)生的方案來查找方案群之外，輸入文件320中的任何查 找方案都可以被包括在查找群中。例如，用戶可能希望向優(yōu)化過程提供與當(dāng)前識(shí)別的方案 不同的樣本方案。例如，隨時(shí)間建立針對(duì)先前問題的方案的數(shù)據(jù)庫，以及如果使用匹配算法 來匹配管線的當(dāng)前狀態(tài)和其對(duì)先前狀態(tài)的要求，那么使用與當(dāng)前狀態(tài)相似的一個(gè)或多個(gè)先 前狀態(tài)的方案來查找當(dāng)前群是合理的。方案的初始群還包括隨機(jī)產(chǎn)生的方案。因此，在一個(gè)實(shí)施例中，全局搜索模塊605 產(chǎn)生滿足問題的約束的多個(gè)隨機(jī)方案，以便填充優(yōu)化器使用的方案群。該方案群提供了大 量的不同方案，以允許優(yōu)化器在優(yōu)化過程的開始使用寬范圍的方案。在步驟720，全局搜索模塊605使用遺傳算法模擬進(jìn)化過程以產(chǎn)生新的方案。如 所述，遺傳算法是有時(shí)以“計(jì)算機(jī)上的進(jìn)化(evolution on a computer) ”為特征的優(yōu)化技 術(shù)。遺傳算法保持方案群，并通過“變化”和“交叉改良”過程從舊方案產(chǎn)生新方案。發(fā)現(xiàn)的 最佳個(gè)體可能比較差的個(gè)體具有更多的產(chǎn)生結(jié)果，因此方案群傾向于隨著算法的進(jìn)行而越 來越好。目標(biāo)函數(shù)(即，遺傳算法正在求解的問題)為最小化氫氣網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)元件(包 括站)的操作成本的總和。方案的操作成本包括所有站、壓縮機(jī)、增壓器(booster)等等成 本的總和。在一個(gè)實(shí)施例中，如果方案是可行的(即，方案沒有違背任何硬約束)，來自目標(biāo) 函數(shù)的最終分?jǐn)?shù)為實(shí)際操作成本。下面結(jié)合圖8描述在步驟720處進(jìn)行的操作。此外，在一個(gè)實(shí)施例中，每個(gè)方案被生成為串聯(lián)的兩個(gè)列表。首先是依賴于站類型 的站產(chǎn)生流量的列表，每個(gè)站具有一個(gè)或兩個(gè)輸出流量，以及其次是管線環(huán)路節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn) 壓力列表。這些壓力不必影響方案的成本，但會(huì)影響方案的可行性。因此，具有其站產(chǎn)生流量和節(jié)點(diǎn)壓力的列表的每個(gè)方案包含在優(yōu)化器的控制下的所有變量，并且設(shè)定這些變量的 值是優(yōu)化過程的目地。例如，站流量列表提供了在優(yōu)化器的控制下的每個(gè)站的一個(gè)或兩個(gè) 輸出流量的列表，每個(gè)都提供了該方案的各站的氫氣流量的氫氣壓力。站流量列表通常不 包括任何的其流量已經(jīng)被用戶固定為硬流量值的站的流量，因?yàn)檫@些流量值未被確定作為 優(yōu)化過程的一部分。全局搜索模塊605產(chǎn)生、修改以及保持該形式的方案結(jié)構(gòu)，但全局搜索 模塊605發(fā)現(xiàn)算法結(jié)束時(shí)返回最佳方案。在已經(jīng)達(dá)成了在步驟705處規(guī)定的結(jié)束條件中的一個(gè)時(shí)，全局搜索模塊605已經(jīng) 產(chǎn)生并進(jìn)化了多代的方案。在步驟725，實(shí)施一個(gè)以上的試探以改善最佳方案。也就是，在 725處，對(duì)于具有改善該方案的總質(zhì)量的已知修改的各個(gè)條件，抽查該方案。通常，試探提供 了一般良好工作的經(jīng)驗(yàn)法則(rule of thumb)。試探通常基于現(xiàn)有經(jīng)驗(yàn)。氫氣管線優(yōu)化器 使用的試探的實(shí)例為“如果在管線的一區(qū)域中的壓力既不是最大壓力也不是最小壓力則考 慮提高或降低該壓力，如果這會(huì)降低成本并改善鄰近的管線區(qū)域的性能?！?。在步驟730，返 回最佳方案(可能被一個(gè)或多個(gè)試探修改)作為優(yōu)化進(jìn)程的結(jié)果。圖8示例了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的用于模擬進(jìn)化過程以優(yōu)化氫氣管線的操 作的方法800。方法800示例了被一次次重復(fù)(在標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)程中通常成千上萬次)的優(yōu)化算 法的行為的循環(huán)以找到管線優(yōu)化問題的高性能方案。如上所述，全局搜索模塊通過初始群 查找。在步驟805，全局搜索模塊選擇用于修改群中的一個(gè)方案的方案修改技術(shù)。例如，該 修改技術(shù)可修改方案中一些小百分比的壓力。然而，搜索具有隨機(jī)改變的較佳方案不會(huì)像 使用定向試探的搜索一樣快速或有效，同時(shí)，試探會(huì)使群沿給定方向進(jìn)化而忽略其他潛在 較優(yōu)的進(jìn)化路徑。因此，在一個(gè)實(shí)施例中，全局搜索模塊605可包括非試探(即，隨機(jī))和 試探(即，非隨機(jī))方法以修改方案。方案修改技術(shù)的實(shí)例包括·隨機(jī)改變。該方法對(duì)方案中的一個(gè)參數(shù)施加隨機(jī)變化。 流量交換。該方法將來自昂貴的站的流量移動(dòng)到廉價(jià)的站。該修改器涉及增加 較廉價(jià)的站的生產(chǎn)而減小較昂貴的站的生產(chǎn)。流量交換修改器考慮當(dāng)前的生產(chǎn)價(jià)格和管線 的子網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。如果在產(chǎn)生轉(zhuǎn)移生產(chǎn)的備選時(shí)未考慮該信息，那么修改器將流量從昂貴生 產(chǎn)設(shè)備轉(zhuǎn)移到更廉價(jià)的設(shè)備一轉(zhuǎn)移很可能增加總生產(chǎn)成本。 對(duì)兩個(gè)方案進(jìn)行交叉改良。該方法選擇兩個(gè)方案并通過交叉改良這兩個(gè)初始方 案產(chǎn)生新的方案。組合兩個(gè)初始方案的不同部分以產(chǎn)生新的方案。例如，可以使用兩個(gè)方 案中的參數(shù)值的列表以逐字段(field)確定兩個(gè)初始方案中的哪個(gè)為新方案貢獻(xiàn)了其自 身的值。以該方式，方案組合以形成結(jié)合了兩個(gè)初始方案的有益特征的新方案。相比于其中重復(fù)應(yīng)用單個(gè)試探直到不能實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的改進(jìn)為止的技術(shù)，使用多種 技術(shù)修改方案的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)為，這些方案修改技術(shù)中的任一種具有在給定優(yōu)化循環(huán)的任何次 中被選中的機(jī)會(huì)，因此，不依賴單一的技術(shù)。替代地，存在不同方案群，其中的任一個(gè)方案具 有應(yīng)用到該方案以嘗試改變?cè)摲桨傅娜魏涡薷募夹g(shù)。根據(jù)至少一些實(shí)施例，全局搜索模塊 605考慮成千上萬的這些應(yīng)用的能力結(jié)合在一組要應(yīng)用的修改技術(shù)中包括專業(yè)人士的試 探，這導(dǎo)致了極為強(qiáng)大的對(duì)可能的方案的空間的搜索，并產(chǎn)生了到高性能方案的收斂，而不 會(huì)不適當(dāng)?shù)乇蝗魏谓o定的試探所偏移。注意，在一個(gè)實(shí)施例中，全局搜索模塊605可概率地選擇這些修改器中的一個(gè)。對(duì) 于這一點(diǎn)，要使用的概率通過使用包括在系統(tǒng)中的默認(rèn)值設(shè)定，或如果用戶不考慮默認(rèn)值則由用戶通過輸入文件設(shè)定。雖然任何修改器具有被選的機(jī)會(huì)，其中的一些比其他具有更 高的選中概率。設(shè)定概率與優(yōu)化器產(chǎn)生的方案類型的試驗(yàn)和分析有關(guān)。在步驟810，全局搜索模塊605從群中選擇用于修改的一個(gè)或多個(gè)方案。一旦在步 驟805選擇了修改技術(shù)，全局搜索模塊605確定所選擇的修改技術(shù)需要一個(gè)還是兩個(gè)方案 作為輸入。大多數(shù)修改僅需要一個(gè)，但例如交叉改良技術(shù)需要兩個(gè)。在一個(gè)實(shí)施例中，使用有時(shí)稱為有序輪盤技術(shù)(ranked roulette wheel technique)的技術(shù)來從方案的一般群中選擇被選擇為要修改的方案。該技術(shù)被描述為“有 序”，是因?yàn)橐詮淖罴逊桨傅阶畈罘桨傅拇涡驅(qū)⒎桨溉褐械姆桨阜诸悶榱斜?。然后根?jù)分 級(jí)為列表中的每個(gè)方案分配權(quán)重。也就是，具有較佳的“擬合度”分?jǐn)?shù)的方案在排序上高于 具有較低的“擬合度”分?jǐn)?shù)的方案。這些權(quán)重線性減小。例如，具有10的降低排序和100 的開始權(quán)重，群中的前12個(gè)成員可以具有的權(quán)重為100、90、80、70、60、50、40、30、20、10、1、 1、…。使用這些權(quán)重來偏移選擇過程以便最佳個(gè)體最可能被選擇而不是最差個(gè)體。打個(gè) 比方，一個(gè)輪盤具有用于群的每個(gè)成員的槽。然而，該槽并不具有相等的尺寸，每個(gè)方案的 槽與方案的權(quán)重(如上面計(jì)算的)成比例。以該方式設(shè)定，計(jì)算機(jī)化的“球”被旋轉(zhuǎn)，并選擇在其槽中有球著陸的個(gè)體。當(dāng)需 要方案時(shí)，群中的最佳個(gè)體(具有100的權(quán)重和槽尺寸)相對(duì)于具有1的權(quán)重和槽尺寸的 較差個(gè)體100倍地可能被選中。在步驟815中，復(fù)制選擇的方案以產(chǎn)生與初始方案相同的新方案。然后將修改過 程施加到新方案以便其是初始方案的修改版本。例如，一些修改為極小地改變管線中壓力， 一個(gè)位置改變一點(diǎn)。一些修改是顯著的，例如，將流量從一個(gè)站移動(dòng)到另一個(gè)。該方案被復(fù) 制，以便該方案和該方案的“母方案”可以被保留在群中。如果修改是好的修改，母方案可 能最終會(huì)被從群中消除而新的方案及其衍生方案會(huì)被包括在群中。如果修改產(chǎn)生了差的方 案，那么新的方案可能會(huì)被從群中清除，而初始方案被保留并具有被修改以產(chǎn)生另一新方 案的潛力。在步驟820中，模擬模塊610和615使用在步驟815中產(chǎn)生的該復(fù)制的、修改的 方案來模擬氫氣管線的性能。另外，如上所述，模擬模塊610和615還使用直接壓力優(yōu)化技 術(shù)來進(jìn)一步優(yōu)化方案。在步驟825，評(píng)估模塊620評(píng)估新方案的性能。如所述，評(píng)估源于方案的模擬的氫 氣網(wǎng)絡(luò)關(guān)注模擬的管線和模擬的站的操作的成本。以及，操作成本是管線的每個(gè)部件的操 作成本和站及其設(shè)備的成本的總和。在步驟830，由評(píng)估模塊620產(chǎn)生的新方案(如果可 行)及其評(píng)估分?jǐn)?shù)被插入到群中。在一個(gè)實(shí)施例中，以經(jīng)分類的次序保持群，因此根據(jù)其評(píng) 估分?jǐn)?shù)來設(shè)置新的方案。在步驟835中，全局搜索模塊605可刪除群的成員，以便在優(yōu)化過程的每個(gè)循環(huán)中 群的尺寸保持恒定。在一個(gè)實(shí)施例中，通過輪盤選擇方法使用每個(gè)群成員的排序評(píng)價(jià)的反 順序來選擇成員，這可以高度可能地但不能確保地在每個(gè)循環(huán)中刪除群的最差分?jǐn)?shù)成員。 在步驟640，全局搜索模塊605確定是否已經(jīng)滿足了任一結(jié)束條件。如果是，方法800結(jié)束 并返回到方法700的步驟725。如果不是，進(jìn)行另一代進(jìn)化過程。圖9示例了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的由圖2示出的氫氣管線優(yōu)化器240提供 的實(shí)例圖形用戶界面900。圖形用戶界面900示出了在完成優(yōu)化進(jìn)程之后呈現(xiàn)給用戶的結(jié) 果。如所示，圖形用戶界面900包括工作空間資源管理器905，其允許用戶使用項(xiàng)目標(biāo)記
14(tab) 906瀏覽作為操作進(jìn)程的主體的管線系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)；允許用戶使用情景標(biāo)記907瀏覽被 作優(yōu)化進(jìn)程的一部分的可編輯的參數(shù)；以及允許用戶使用方案標(biāo)記908瀏覽由全局搜索模 塊進(jìn)行上述操作而產(chǎn)生的方案。示例性地，方案標(biāo)記908被突出顯示，以及具體窗口 915表 示在優(yōu)化進(jìn)程期間識(shí)別的方案的要素。實(shí)例系統(tǒng)預(yù)排在一個(gè)實(shí)施例中，優(yōu)化系統(tǒng)200進(jìn)行下列步驟以求解管線優(yōu)化問題。下列預(yù)排通 常對(duì)應(yīng)于圖6-8中示例的方法，使用圖2-5示出的輸入和模塊。1.由用戶通過編輯輸入文件、由用戶通過⑶I或通過訪問SCADA數(shù)據(jù)庫產(chǎn)生需要 的文件，來準(zhǔn)備系統(tǒng)運(yùn)作所需的輸入文件320。2.輸入模塊305從輸入文件320讀取數(shù)據(jù)并以軟件的形式產(chǎn)生需要的結(jié)構(gòu)以保持 讀入的數(shù)據(jù)。3.輸入模塊305驗(yàn)證輸入數(shù)據(jù)文件，產(chǎn)生任何可能的不正確數(shù)據(jù)的日志。4.輸入模塊305進(jìn)行初始化功能一分析網(wǎng)絡(luò)的連接性，產(chǎn)生子網(wǎng)絡(luò)等等。5.全局搜索模塊605讀取其結(jié)束條件。6.全局搜索模塊605初始化在優(yōu)化過程期間其將使用的結(jié)構(gòu)。7.全局搜索模塊605例如使用查找方案產(chǎn)生和隨機(jī)方案產(chǎn)生過程來產(chǎn)生初始組 的方案。8.全局搜索模塊605模擬并評(píng)估在初始方案組中的每個(gè)方案。9.全局搜索模塊605重復(fù)內(nèi)部序列步驟直到滿足其結(jié)束規(guī)范a.全局搜索模塊605選擇方案修改技術(shù)。b.全局搜索模塊605選擇方案修改技術(shù)所需要的數(shù)目的方案一例如，對(duì)于該系 統(tǒng)，一個(gè)或兩個(gè)。c.全局搜索模塊605通過復(fù)制現(xiàn)有的方案產(chǎn)生新的方案。d.全局搜索模塊605對(duì)新方案應(yīng)用修改技術(shù)。e.全局搜索模塊605評(píng)估新方案的性能并使該評(píng)估與該新方案相關(guān)。f.將新方案插入到群中。g.刪除群中的最差的方案。h.全局搜索模塊605檢測(cè)以了解是否可以結(jié)束。如果可以結(jié)束，系統(tǒng)進(jìn)入過程的 最終階段。如果不可以結(jié)束，系統(tǒng)返回到步驟a并重新執(zhí)行內(nèi)部循環(huán)序列。10.如果優(yōu)化過程已經(jīng)結(jié)束，全局搜索模塊605找到其已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的最佳方案。11.全局搜索模塊605對(duì)找到的最佳方案應(yīng)用任何的后處理流量變換試探。12.輸出模塊產(chǎn)生描述該系統(tǒng)進(jìn)程的報(bào)告、找到的最佳方案以及該進(jìn)程的其他關(guān) 注特征。有利地，本發(fā)明的實(shí)施例使用遺傳算法(一種全局搜索技術(shù))并結(jié)合從實(shí)際氫氣 管線控制專家獲得的試探，來迅速尋找高質(zhì)量的方案。此外，因?yàn)闅錃夤芫€優(yōu)化器程序240 使用文件作為其要求方案的問題的說明，因此用戶可以創(chuàng)建寬泛種類的輸入文件320以描 述與當(dāng)前操作環(huán)境相同和不同的情景。例如，對(duì)于這些方面，用戶可以研究通過升級(jí)設(shè)備可 獲得的利益。氫氣管線優(yōu)化器程序MO的一個(gè)用途為離線優(yōu)化進(jìn)程，其使用氫氣管線上的 一些典型載荷或計(jì)劃載荷的描述，并包括對(duì)反映設(shè)備變化的輸入文件的一個(gè)或多個(gè)修改。在具有設(shè)備變化或不具有設(shè)備變化情況下的管線操作成本的差異將向用戶提供與更新設(shè) 備有關(guān)的成本-收益權(quán)衡的指示。相似地，管線操作者可研究增加新消耗裝置的成本。氫氣管線優(yōu)化器程序MO的 另一簡(jiǎn)單用途為其的修改以反映新的消耗裝置，所述修改可以是流量離開氫氣管線的單 點(diǎn)，或?qū)芫€自身結(jié)構(gòu)的一些添加。具有或不具有新消耗裝置時(shí)的管線操縱成本的差異提 供了在給定管線的當(dāng)前和計(jì)劃載荷以及設(shè)備情況下的對(duì)用戶的值的估計(jì)。氫氣管線優(yōu)化器程序240的又一用途包括研究增加新的設(shè)備的獲益。氫氣管線優(yōu) 化器程序240的更復(fù)雜的使用為改變管線和站描述文件以反映到例如該管線的新設(shè)備-新 站的添加。在具有新設(shè)備或不具有新設(shè)備情況下的管線操作成本和其處理消耗裝置載荷的 能力的差異可以向方案企劃人提供該新設(shè)備價(jià)值的指示。如這里所描述的，本發(fā)明的實(shí)施例提供了計(jì)算機(jī)化的優(yōu)化系統(tǒng)，被其被配置為優(yōu) 化氫氣產(chǎn)生、處理以及輸送網(wǎng)絡(luò)的操作。這樣的網(wǎng)絡(luò)典型地包括復(fù)雜的物理設(shè)備、站以及管 線，包括生產(chǎn)和分配設(shè)備。氫氣優(yōu)化系統(tǒng)提供優(yōu)化這樣的氫氣網(wǎng)絡(luò)中氫氣的產(chǎn)生和分配。氫 氣優(yōu)化系統(tǒng)使用遺傳算法和定向試探以識(shí)別氫氣管線網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)良操作狀態(tài)，遺傳算法被配 置為隨時(shí)間“進(jìn)化”方案群以改善方案的質(zhì)量。當(dāng)然，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到，本 發(fā)明的實(shí)施例適用于承載其他物質(zhì)的管線系統(tǒng)。例如，本發(fā)明的實(shí)施例適用于具有與氫氣 管線相似特性的管線，例如，輸運(yùn)從具有不同輸入純度的多個(gè)不同的源獲得的物質(zhì)的管線 系統(tǒng)。已經(jīng)描述了用于實(shí)踐本發(fā)明的優(yōu)選過程和裝置。本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該理解并且 清楚意識(shí)到，可以對(duì)上述實(shí)施例進(jìn)行多個(gè)改變和修改而不背離本發(fā)明的精神和范圍。上述 描述僅僅是示例性的，并且可以采用集成過程和裝置的其他實(shí)施例而不背離在下列權(quán)利要 求中限定的本發(fā)明的真實(shí)范圍。
權(quán)利要求
1.一種優(yōu)化氫氣管線網(wǎng)絡(luò)的操作的計(jì)算機(jī)實(shí)施的方法，包括以下步驟讀取一組輸入數(shù)據(jù)，所述輸入數(shù)據(jù)描述氫氣管線、被配置為將氫氣引入所述氫氣管線 的多個(gè)氫氣產(chǎn)生源、被配置為從所述管線去除氫氣的多個(gè)氫氣消耗裝置、在優(yōu)化進(jìn)程中使 用的多個(gè)優(yōu)化參數(shù)以及一個(gè)或多個(gè)優(yōu)化進(jìn)程結(jié)束條件；產(chǎn)生方案群，其中每個(gè)方案規(guī)定了所述氫氣管線、所述多個(gè)氫氣產(chǎn)生源以及所述多個(gè) 氫氣消耗裝置的可行的操作狀態(tài)；評(píng)估所述方案群中的每個(gè)方案以為每個(gè)方案產(chǎn)生評(píng)估分?jǐn)?shù)；對(duì)所述方案群重復(fù)進(jìn)行遺傳優(yōu)化過程以進(jìn)化所述方案群直到滿足所述結(jié)束條件中的 一個(gè)；從所述進(jìn)化的方案群選擇所述方案中的一個(gè)，其中所述選擇的方案相對(duì)于在所述進(jìn)化 的方案群中的方案具有最高評(píng)估分?jǐn)?shù)；以及對(duì)所述選擇的方案應(yīng)用一個(gè)或多個(gè)試探規(guī)則，其中應(yīng)用每個(gè)試探以進(jìn)一步優(yōu)化在所述 選擇的方案中規(guī)定的所述氫氣管線的所述操作狀態(tài)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述遺傳優(yōu)化過程規(guī)定通過所述管線的氫氣流量和通 過所述管線的環(huán)路段的流量分配，以及其中一旦通過所述遺傳優(yōu)化過程分配了氫氣流量， 則使用直接壓力優(yōu)化技術(shù)來優(yōu)化壓力。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2的方法，其中所述氫氣產(chǎn)生源包括一個(gè)或多個(gè)蒸汽甲烷重整單 元、一個(gè)或多個(gè)廢氣處理單元、一個(gè)或多個(gè)穹頂存儲(chǔ)設(shè)備、以及一個(gè)或多個(gè)第三方供應(yīng)源。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中進(jìn)行所述遺傳優(yōu)化過程包括修改由所述群中的至少一個(gè)方案規(guī)定的所述可行操作狀態(tài)的至少一個(gè)方面；根據(jù)由 所述修改的方案規(guī)定的所述操作狀態(tài)模擬所述氫氣管線網(wǎng)絡(luò)的操作；評(píng)估所述修改的方案 的性能；將所述修改的方案添加到所述群；以及從所述群中選擇從所述方案群中去除的方 案。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的方法，其中修改由所述群中的至少一個(gè)方案規(guī)定的所述可行操作 狀態(tài)的至少一個(gè)方面包括選擇方案修改技術(shù)；從所述群選擇所述至少一個(gè)方案以修改；以及根據(jù)所述選擇的方案修改技術(shù)修改所述至少一個(gè)方案。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的方法，其中所述方案修改技術(shù)隨機(jī)修改由所述方案規(guī)定的所述可 行操作狀態(tài)的至少一個(gè)方面。
7.根據(jù)權(quán)利要求5的方法，其中所述方案修改技術(shù)根據(jù)試探規(guī)則修改所述至少一個(gè)方案。
8.根據(jù)權(quán)利要求5的方法，其中所述方案修改技術(shù)交叉改良兩個(gè)或多個(gè)方案以產(chǎn)生所 述修改的方案。
9.根據(jù)權(quán)利要求1到4中任一項(xiàng)的方法，其中修改由所述群中的至少一個(gè)方案規(guī)定的 所述可行操作狀態(tài)的至少一個(gè)方面包括概率地選擇所述一個(gè)或多個(gè)方案，其中具有高評(píng)估 的方案比具有低評(píng)估的方案更可能被選擇以被修改。
10.根據(jù)權(quán)利要求1到4中任一項(xiàng)的方法，其中選擇從所述方案群中去除的方案包括 概率地選擇去除的方案，其中具有高評(píng)估的方案比具有高評(píng)估的方案更可能被選擇以被去除。
11.根據(jù)權(quán)利要求1到4中任一項(xiàng)的方法，其中由所述輸入數(shù)據(jù)規(guī)定的結(jié)束條件包括以 下結(jié)束條件中的至少一個(gè)產(chǎn)生的方案的最大數(shù)目、花費(fèi)的最大時(shí)間量、代的最大數(shù)目以及 產(chǎn)生超過規(guī)定評(píng)估的方案。
12.根據(jù)權(quán)利要求1到4中任一項(xiàng)的方法，其中產(chǎn)生方案群包括產(chǎn)生第一組方案和第二 組方案，其中根據(jù)試探規(guī)則產(chǎn)生所述第一組方案以及其中使用隨機(jī)過程產(chǎn)生所述第二組方 案。
13.根據(jù)權(quán)利要求1到4中任一項(xiàng)的方法，其中使用從存儲(chǔ)所述管線系統(tǒng)的當(dāng)前操作狀 態(tài)的SCADA管線狀態(tài)數(shù)據(jù)庫獲取的數(shù)據(jù)產(chǎn)生所述一組輸入數(shù)據(jù)。
14.一種包含程序的計(jì)算機(jī)可讀的存儲(chǔ)介質(zhì)，當(dāng)執(zhí)行所述程序時(shí)，所述程序進(jìn)行優(yōu)化氫 氣管線網(wǎng)絡(luò)的操作的操作，包括讀取一組輸入數(shù)據(jù)，所述輸入數(shù)據(jù)描述氫氣管線、被配置為將氫氣引入所述氫氣管線 的多個(gè)氫氣產(chǎn)生源、被配置為從所述管線去除氫氣的多個(gè)氫氣消耗裝置、在優(yōu)化進(jìn)程中使 用的多個(gè)優(yōu)化參數(shù)、以及一個(gè)或多個(gè)優(yōu)化進(jìn)程結(jié)束條件；產(chǎn)生方案群，其中每個(gè)方案規(guī)定了所述氫氣管線、所述多個(gè)氫氣產(chǎn)生源以及所述多個(gè) 氫氣消耗裝置的可行的操作狀態(tài)；評(píng)估所述方案群中的每個(gè)方案以為每個(gè)方案產(chǎn)生評(píng)估分?jǐn)?shù)；對(duì)所述方案群重復(fù)進(jìn)行遺傳優(yōu)化過程以進(jìn)化所述方案群直到滿足所述結(jié)束條件中的 一個(gè)；從所述進(jìn)化的方案群選擇所述方案中的一個(gè)，其中所述選擇的方案相對(duì)于在所述進(jìn)化 的方案群中的方案具有最高評(píng)估分?jǐn)?shù)；以及對(duì)所述選擇的方案應(yīng)用一個(gè)或多個(gè)試探規(guī)則，其中應(yīng)用每個(gè)試探以進(jìn)一步優(yōu)化在所述 選擇的方案中規(guī)定的所述氫氣管線的所述操作狀態(tài)。
15.根據(jù)權(quán)利要求14的計(jì)算機(jī)可讀的存儲(chǔ)介質(zhì)，其中所述遺傳優(yōu)化過程規(guī)定通過所述 管線的氫氣流量和通過所述管線的環(huán)路段的流量分配，以及其中一旦通過所述遺傳優(yōu)化過 程分配了氫氣流量，則使用直接壓力優(yōu)化技術(shù)來優(yōu)化壓力。
16.根據(jù)權(quán)利要求14或15的計(jì)算機(jī)可讀的存儲(chǔ)介質(zhì)，其中所述氫氣產(chǎn)生源包括一個(gè)或 多個(gè)蒸汽甲烷重整單元、一個(gè)或多個(gè)廢氣處理單元、一個(gè)或多個(gè)穹頂存儲(chǔ)設(shè)備以及一個(gè)或 多個(gè)第三方供應(yīng)源。
17.根據(jù)權(quán)利要求14的計(jì)算機(jī)可讀的存儲(chǔ)介質(zhì)，其中進(jìn)行所述遺傳優(yōu)化過程包括 修改由所述群中的至少一個(gè)方案規(guī)定的所述可行操作狀態(tài)的至少一個(gè)方面；根據(jù)由所述修改的方案規(guī)定的所述操作狀態(tài)模擬所述氫氣管線網(wǎng)絡(luò)的操作；評(píng)估所述修改的方案 的性能；將所述修改的方案添加到所述群；以及從所述群中選擇從所述方案群中去除的方案。
18.根據(jù)權(quán)利要求17的計(jì)算機(jī)可讀的存儲(chǔ)介質(zhì)，其中修改由所述群中的至少一個(gè)方案 規(guī)定的所述可行操作狀態(tài)的至少一個(gè)方面包括選擇方案修改技術(shù)；從所述群選擇所述至少一個(gè)方案以修改；以及 根據(jù)所述選擇的方案修改技術(shù)修改所述至少一個(gè)方案。
19.根據(jù)權(quán)利要求18的計(jì)算機(jī)可讀的存儲(chǔ)介質(zhì)，其中所述方案修改技術(shù)隨機(jī)修改由所 述方案規(guī)定的所述可行操作狀態(tài)的至少一個(gè)方面。
20.根據(jù)權(quán)利要求18的計(jì)算機(jī)可讀的存儲(chǔ)介質(zhì)，其中所述方案修改技術(shù)根據(jù)試探規(guī)則 修改所述至少一個(gè)方案。
21.根據(jù)權(quán)利要求18的計(jì)算機(jī)可讀的存儲(chǔ)介質(zhì)，其中所述方案修改技術(shù)交叉改良兩個(gè) 或多個(gè)方案以產(chǎn)生所述修改的方案。
22.根據(jù)權(quán)利要求14的計(jì)算機(jī)可讀的存儲(chǔ)介質(zhì)，其中修改由所述群中的至少一個(gè)方案 規(guī)定的所述可行操作狀態(tài)的至少一個(gè)方面，包括概率地選擇所述一個(gè)或多個(gè)方案，其中具 有高評(píng)估的方案比具有低等評(píng)估的方案更可能被選擇以被修改。
23.根據(jù)權(quán)利要求14的計(jì)算機(jī)可讀的存儲(chǔ)介質(zhì)，其中選擇從所述方案群中去除的方案 包括概率地選擇去除的方案，其中具有高評(píng)估的方案比具有高評(píng)估的方案更可能被選擇以 被去除。
24.根據(jù)權(quán)利要求14的計(jì)算機(jī)可讀的存儲(chǔ)介質(zhì)，其中由所述輸入數(shù)據(jù)規(guī)定的所述結(jié)束 條件包括以下結(jié)束條件中的至少一個(gè)產(chǎn)生的方案的最大數(shù)目、花費(fèi)的最大時(shí)間量、代的最 大數(shù)目、以及產(chǎn)生超過規(guī)定評(píng)估的方案。
25.根據(jù)權(quán)利要求14的計(jì)算機(jī)可讀的存儲(chǔ)介質(zhì)，其中產(chǎn)生方案群包括產(chǎn)生第一組方案 和第二組方案，其中根據(jù)試探規(guī)則產(chǎn)生所述第一組方案以及其中使用隨機(jī)過程產(chǎn)生所述第 二組方案。
26.根據(jù)權(quán)利要求14的計(jì)算機(jī)可讀的存儲(chǔ)介質(zhì)，其中使用從存儲(chǔ)所述管線系統(tǒng)的當(dāng)前 操作狀態(tài)的SCADA管線狀態(tài)數(shù)據(jù)庫獲得的數(shù)據(jù)產(chǎn)生所述一組輸入數(shù)據(jù)。
27.一種用于優(yōu)化氫氣管線網(wǎng)絡(luò)的操作的系統(tǒng)，包括處理器；以及包含優(yōu)化程序的存儲(chǔ)器，當(dāng)所述處理器執(zhí)行所述程序時(shí)所述程序被配置為讀取一組輸入數(shù)據(jù)，所述輸入數(shù)據(jù)描述氫氣管線、被配置為將氫氣引入所述氫氣管線 的多個(gè)氫氣產(chǎn)生源、被配置為從所述管線去除氫氣的多個(gè)氫氣消耗裝置、在優(yōu)化進(jìn)程中使 用的多個(gè)優(yōu)化參數(shù)、以及一個(gè)或多個(gè)優(yōu)化進(jìn)程結(jié)束條件；產(chǎn)生方案群，其中每個(gè)方案規(guī)定了 所述氫氣管線、所述多個(gè)氫氣產(chǎn)生源以及所述多個(gè)氫氣消耗裝置的可行的操作狀態(tài)；評(píng)估 所述方案群中的每個(gè)方案以為每個(gè)方案產(chǎn)生評(píng)估分?jǐn)?shù)；對(duì)所述方案群重復(fù)進(jìn)行遺傳優(yōu)化過 程以進(jìn)化所述方案群直到滿足所述結(jié)束條件中的一個(gè)；從所述進(jìn)化的方案群選擇所述方案 中的一個(gè)，其中所述選擇的方案相對(duì)于在所述進(jìn)化的方案群中的方案具有最高評(píng)估分?jǐn)?shù)； 以及對(duì)所述選擇的方案應(yīng)用一個(gè)或多個(gè)試探規(guī)則，其中應(yīng)用每個(gè)試探以進(jìn)一步優(yōu)化在所述 選擇的方案中規(guī)定的所述氫氣管線的操作狀態(tài)。
28.根據(jù)權(quán)利要求27的方法，其中所述遺傳優(yōu)化過程規(guī)定通過所述管線的氫氣流量 和通過所述管線的環(huán)路段的流量分配，以及其中一旦通過所述遺傳優(yōu)化過程分配了氫氣流 量，則使用直接壓力優(yōu)化技術(shù)來優(yōu)化壓力。
29.根據(jù)權(quán)利要求27的系統(tǒng)，其中所述氫氣產(chǎn)生源包括一個(gè)或多個(gè)蒸汽甲烷重整單 元、一個(gè)或多個(gè)廢氣處理單元、一個(gè)或多個(gè)穹頂存儲(chǔ)設(shè)備以及一個(gè)或多個(gè)第三方供應(yīng)源。
30.根據(jù)權(quán)利要求27的系統(tǒng)，其中進(jìn)行所述遺傳優(yōu)化過程包括修改由所述群中的至少一個(gè)方案規(guī)定的所述可行操作狀態(tài)的至少一個(gè)方面；根據(jù)由所述修改的方案規(guī)定的所述操作狀態(tài)模擬所述氫氣管線網(wǎng)絡(luò)的操作；評(píng)估所述修改的方案 的性能；將所述修改的方案添加到所述群；以及從所述群中選擇從所述方案群中去除的方案。
31.根據(jù)權(quán)利要求27的系統(tǒng)，其中修改由所述群中的至少一個(gè)方案規(guī)定的所述可行操 作狀態(tài)的至少一個(gè)方面包括概率地選擇所述一個(gè)或多個(gè)方案，其中具有高評(píng)估的方案比具 有低評(píng)估的方案更可能被選擇以被修改。
32.根據(jù)權(quán)利要求27的系統(tǒng)，其中選擇從所述方案群中去除的方案包括概率地選擇去 除的方案，其中具有高評(píng)估的方案比具有高評(píng)估的方案更可能被選擇以被去除。
33.根據(jù)權(quán)利要求27的系統(tǒng)，其中產(chǎn)生方案群包括產(chǎn)生第一組方案和第二組方案，其 中根據(jù)試探規(guī)則產(chǎn)生所述第一組方案以及其中使用隨機(jī)過程產(chǎn)生所述第二組方案。
34.根據(jù)權(quán)利要求27的系統(tǒng)，其中使用從存儲(chǔ)所述管線系統(tǒng)的當(dāng)前操作狀態(tài)的SCADA 管線狀態(tài)數(shù)據(jù)庫獲取的數(shù)據(jù)產(chǎn)生所述一組輸入數(shù)據(jù)。
全文摘要
本發(fā)明的實(shí)施例提供了一種計(jì)算機(jī)化的優(yōu)化系統(tǒng)，其被配置為優(yōu)化氫氣產(chǎn)生、處理以及輸送網(wǎng)絡(luò)的操作。這樣的網(wǎng)絡(luò)通常包括復(fù)雜的物理設(shè)備、站以及管線，包括生產(chǎn)和分配設(shè)備。氫氣優(yōu)化系統(tǒng)提供優(yōu)化在這樣的氫氣網(wǎng)絡(luò)中的氫氣的制造和分配的軟件系統(tǒng)。氫氣優(yōu)化系統(tǒng)可使用遺傳算法和定向試探以識(shí)別氫氣管線網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)良操作狀態(tài)，遺傳算法被配置為隨時(shí)間“進(jìn)化”方案群以改善方案的質(zhì)量。
文檔編號(hào)G06F17/00GK102084394SQ200980123061
公開日2011年6月1日 申請(qǐng)日期2009年4月16日 優(yōu)先權(quán)日2008年4月18日
發(fā)明者C·N·哈珀 申請(qǐng)人:喬治洛德方法研究和開發(fā)液化空氣有限公司