專利名稱：基于tbb的并行遺傳算法蒸汽管網(wǎng)模型自動校準系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于蒸汽管網(wǎng)模型校準計算技術領域，特別是提供一種基于TBB(Threading Building Blocks )并行遺傳算法的蒸汽管網(wǎng)模型校準系統(tǒng),實現(xiàn)了快速準確的管網(wǎng)模型計算精度校準辨識。
背景技術：
在蒸汽管網(wǎng)實際運行過程中，由于蒸汽管網(wǎng)結構復雜，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(wǎng)內(nèi)的物理參數(shù)將不斷變化，計算誤差較大且無法進行在線測量。在管網(wǎng)模型計算過程中，壓降修正系數(shù)受到管壁物理特性、流體性質(zhì)以及流態(tài)變化的影響，因此在動態(tài)過程中很難保證對管網(wǎng)壓降系數(shù)的較好估計。同時管道溫降修正系數(shù)和流量因子修正系數(shù)也需及時校準。為使管網(wǎng)模型計算結果更佳接近實際運行工況，并為管網(wǎng)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(jù)，管網(wǎng)模型系數(shù)校準便顯得非常重要。校準本質(zhì)上就是在輸入輸出測量數(shù)據(jù)的基 礎上求解系統(tǒng)模型或模型中未知參數(shù)的過程。蒸汽管網(wǎng)計算模型可廣泛地應用于蒸汽管網(wǎng)的分析、設計、運行和維護等方面。與蒸汽管網(wǎng)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(wǎng)水力熱力模型與管網(wǎng)實際運行盡可能吻合。但管網(wǎng)模型是模擬真實蒸汽管網(wǎng)運行的數(shù)學模型，無論模型多么復雜，它也只是對真實管網(wǎng)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(wǎng)的模型進行校準。管網(wǎng)模型校準是在建立耦合方程組的基礎上，采用合適的準則函數(shù)，利用不同的數(shù)值計算方法進行校準辨識。模型的校核是管網(wǎng)計算的重要部分，蒸汽管網(wǎng)耦合模型是基于管網(wǎng)監(jiān)測點的壓力、流量進行校核。結合蒸汽管網(wǎng)的特點與計算需要，選擇節(jié)點壓力與管段流量作為監(jiān)測數(shù)據(jù)，建立基于最小二乘原理的管網(wǎng)計算校準數(shù)學模型。數(shù)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(yōu)解。隨著計算機數(shù)值求解技術、自動控制技術的不斷完善和發(fā)展，管網(wǎng)模型自動校準成為可能。模型校準需要盡可能多的實測數(shù)據(jù)，并且保證測量數(shù)據(jù)相關性盡可能小，以減小辨識校正的誤差。本發(fā)明將建立一種快速準確的蒸汽管網(wǎng)模型自動校準計算方法，可實時校核管網(wǎng)計算模型，從而使得管網(wǎng)模型計算更加準確，切合生產(chǎn)運行實際。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種基于TBB的并行遺傳算法蒸汽管網(wǎng)模型自動校準系統(tǒng)，實現(xiàn)了快速準確的蒸汽管網(wǎng)模型計算。使得管網(wǎng)模型計算更加準確，更加有助于對管網(wǎng)的分析和維護。用于模型校核的傳統(tǒng)優(yōu)化數(shù)學模型一般都是利用節(jié)點壓力或者管段流量來進行校核，即在滿足管網(wǎng)本身的水力熱力平衡(包括壓降方程、溫降方程、節(jié)點連續(xù)性方程、能量方程以及虛環(huán)方程等)和參數(shù)本身的取值范圍的約束條件下，尋找最優(yōu)的待校核參數(shù)取值。使得管網(wǎng)節(jié)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(shù)值為最小。
本發(fā)明硬件系統(tǒng)包括關系數(shù)據(jù)庫服務器，實時數(shù)據(jù)庫服務器，應用服務器，工程師站。關系數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)庫服務器相連外，還與實時數(shù)據(jù)庫和工程師站相連，保持三者之間數(shù)據(jù)交換。應用模塊包括關系數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)采集模塊，數(shù)據(jù)結果顯示模塊，水力熱力耦合計算模塊和管網(wǎng)模型自動校準模塊。其中數(shù)據(jù)結果顯示模塊部署在工程師站，管網(wǎng)耦合計算模塊和模型自動校準模塊部署在應用服務器，關系數(shù)據(jù)庫部署在關系數(shù)據(jù)庫服務器，數(shù)據(jù)采集模塊部署在實時數(shù)據(jù)庫。關系數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)通訊媒介。耦合計算模型與自動校準程序?qū)⒂嬎憬Y果寫入關系數(shù)據(jù)庫，顯示模塊再從關系數(shù)據(jù)庫中讀出并予以顯示。關系數(shù)據(jù)庫存儲用于模型計算、模型校準、數(shù)據(jù)顯示的數(shù)據(jù)。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(shù)據(jù)采集模塊由實時數(shù)據(jù)庫和現(xiàn)場采集儀表以及傳輸網(wǎng)絡組成；現(xiàn)場采集儀表將信息實時傳入實時數(shù)據(jù)庫中，并有數(shù)據(jù)采集模塊根據(jù)要求相管網(wǎng)耦合計算模型提供數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)結果顯示模塊數(shù)據(jù)接口部分，為模型計算提供數(shù)據(jù)輸入功能，包括讀取數(shù)據(jù)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(xiàn)多種方式顯示，包括圖表顯示和圖形顯示；管網(wǎng)耦合計算模塊包括I、建立多氣源管網(wǎng)拓撲模型結構，并對管網(wǎng)結構進行合理適當?shù)拇?lián)、并聯(lián)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(wǎng)水力熱力耦合計算模型；3、通過牛頓-拉夫遜法求解管網(wǎng)水力熱力模型，通過壓降計算公式，將節(jié)點流量連續(xù)方程組表示為以管段壓降為未知量的方程組；之后，利用環(huán)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(jié)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(jié)點壓力的修正量。采用同樣流程，可得到獨立節(jié)點溫度的修正量。隨后迭代求解獨立節(jié)點壓力、溫度，管段壓降、溫降，管段流量和參考節(jié)點流量，直到滿足精度要求。管網(wǎng)模型校準模塊I、建立模型校準目標方程辨識思路最優(yōu)化模型思路是在滿足管網(wǎng)本身的水力熱力平衡和校核參數(shù)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(shù)辨識數(shù)學模型，尋找最優(yōu)的待校核參數(shù)的取值，使得由管網(wǎng)實測值與計算值之差的平方和所構成的目標函數(shù)值為最小。顯然，該問題為復雜約束的非線性規(guī)劃問題，其復雜程度正比于管網(wǎng)的規(guī)模。為了得到更多的校正數(shù)據(jù)，采用多工況分析的方法，利用并行遺傳算法對蒸汽管網(wǎng)校準優(yōu)化目標函數(shù)為
權利要求
1.一種基于TBB的并行遺傳算法蒸汽管網(wǎng)模型自動校準系統(tǒng)，其特征在于，包括關系數(shù)據(jù)庫服務器，實時數(shù)據(jù)庫服務器，應用服務器，工程師站；關系數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)庫服務器相連外，還與實時數(shù)據(jù)庫和工程師站相連，保持三者之間數(shù)據(jù)交換；應用模塊包括關系數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)采集模塊，數(shù)據(jù)結果顯示模塊，水力熱力耦合計算模塊和管網(wǎng)模型自動校準模塊；其中數(shù)據(jù)結果顯示模塊部署在工程師站，管網(wǎng)耦合計算模塊和模型自動校準模塊部署在應用服務器，關系數(shù)據(jù)庫部署在關系數(shù)據(jù)庫服務器，數(shù)據(jù)采集模塊部署在實時數(shù)據(jù)庫； 關系數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)通訊媒介；耦合計算模型與自動校準程序?qū)⒂嬎憬Y果寫入關系數(shù)據(jù)庫，顯示模塊再從關系數(shù)據(jù)庫中讀出并予以顯示。
2.根據(jù)權利要求I所述的系統(tǒng)，其特征在于， 所述的關系數(shù)據(jù)庫存儲用于模型計算、模型校準、數(shù)據(jù)顯示的數(shù)據(jù)；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(shù)據(jù)采集模塊由實時數(shù)據(jù)庫和現(xiàn)場采集儀表以及傳輸網(wǎng)絡組成；現(xiàn)場采集儀表將信息實時傳入實時數(shù)據(jù)庫中，并有數(shù)據(jù)采集模塊根據(jù)要求相管網(wǎng)耦合計算模型提供數(shù)據(jù)； 所述的數(shù)據(jù)結果顯示模塊數(shù)據(jù)接口部分，為模型計算提供數(shù)據(jù)輸入功能，包括讀取數(shù)據(jù)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(xiàn)多種方式顯示，包括圖表顯示和圖形顯示。
3.根據(jù)權利要求I所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述的管網(wǎng)耦合計算模塊的功能為 建立多氣源管網(wǎng)拓撲模型結構，并對管網(wǎng)結構進行合理適當?shù)拇?lián)、并聯(lián)簡化，便于模型計算； 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(wǎng)水力熱力耦合計算模型； 通過牛頓-拉夫遜法求解管網(wǎng)水力熱力模型，通過壓降計算公式，將節(jié)點流量連續(xù)方程組表示為以管段壓降為未知量的方程組；之后，利用環(huán)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(jié)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(jié)點壓力的修正量；采用同樣流程，得到獨立節(jié)點溫度的修正量；隨后迭代求解獨立節(jié)點壓力、溫度，管段壓降、溫降，管段流量和參考節(jié)點流量，直到滿足精度要求。
4.根據(jù)權利要求I所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述的管網(wǎng)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(wǎng)本身的水力熱力平衡和校核參數(shù)本身的取值范圍約束條件下，建立基于最小二乘原理的參數(shù)辨識數(shù)學模型，尋找最優(yōu)的待校核參數(shù)的取值，使得由管網(wǎng)實測值與計算值之差的平方和所構成的目標函數(shù)值為最?。焕貌⑿羞z傳算法對蒸汽管網(wǎng)校準優(yōu)化目標函數(shù)為
5.根據(jù)權利要求4所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述的TBB是一個開源的C++模板庫，它能將線程抽象成任務，然后創(chuàng)建可靠、可移植且可擴展的并行應用程序；使用TBB編寫基于任務的并行應用程序，有助于提高跨多核平臺上運行的可擴展軟件的開發(fā)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并行性能，是執(zhí)行并行應用程序最高效的方式，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，簡化了并行應用程序的開發(fā)工作；基于TBB開發(fā)的應用程序的性能，隨著處理器內(nèi)核數(shù)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并行解決方案。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(shù)；各進程作選擇操作時，首先計算各子種群內(nèi)的局部累積適應度，然后根據(jù)遷移策略確定局部累積適應度選擇若干個體，按固定規(guī)則輪流發(fā)送到其他進程；同時，按照該規(guī)則相應地從其他進程獲取若干用來進行交流的個體；獲取到個體后，先將其暫存；然后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；最后再用之前暫存的個體完成進程間的種群交流；根據(jù)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(nèi)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(yōu)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后，最后對各進程的局部最優(yōu)解進行歸約，從而得到整個算法的全局最優(yōu)解。
6.根據(jù)權利要求I所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述的管網(wǎng)模型自動校準步驟如下 (1)確定目標函數(shù)，基于最小二乘法，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(shù)的適應度函數(shù)； (2)對管段局部壓降、溫降、流量因子系數(shù)進行編碼，確定染色體長度及初始種群大??；根據(jù)粗粒度并行算法，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，然后進行目標函數(shù)計算，得到適應度值，然后進行評價，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，采用隨機遍歷法，按隨機產(chǎn)生的選擇概率進行個體適應度選擇，大于此概率則被選中； (5)對染色體進行交叉操作，為提高尋優(yōu)速度，采用兩點交叉策略； (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；得到新的種群后返回步驟(3)。
全文摘要
一種基于TBB的并行遺傳算法蒸汽管網(wǎng)模型自動校準系統(tǒng)，屬于蒸汽管網(wǎng)模型校準計算技術領域。硬件系統(tǒng)包括關系數(shù)據(jù)庫服務器，實時數(shù)據(jù)庫服務器，應用服務器，工程師站。關系數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)庫服務器相連外，還與實時數(shù)據(jù)庫和工程師站相連，保持三者之間數(shù)據(jù)交換。應用模塊包括關系數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)采集模塊，數(shù)據(jù)結果顯示模塊，水力熱力耦合計算模塊和管網(wǎng)模型自動校準模塊。優(yōu)點在于，實現(xiàn)了快速準確的蒸汽管網(wǎng)模型計算。使得管網(wǎng)模型計算更加準確，更加有助于對管網(wǎng)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(yōu)先權日2012年9月13日
發(fā)明者馬湧, 孫彥廣, 于立業(yè), 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