气田集输系统呈多级网络结构,建造费用高,通常占整个地面工程投资的60%-70%。以往的优化设计中通常采用分级优化的方式,并且在计算过程中忽略地形起伏,将障碍物区域简化为平面凸多边形,优化结果与工程实际相差较大。对于气田集输系统进行拓扑优化是降低管网投资的重要技术手段。本研究以管网建设费用最低为目标函数,以不同级别站点间的隶属关系、处理量和空间位置限制为约束条件,建立了多级星状集输网络整体优化模型,并且在模型中引入三维地形和障碍因素,为复杂地域的管网拓扑优化提供了高效准确的方法。利用Goody GIS采集目标区域数据,建立数字高程模型,通过不同的插补方法构建气田所在区域的真实地表曲面;利用凸多边形和凹多边形表示障碍物,分别建立平面障碍和三维障碍下的避障模型,将三维地形和障碍与多级星状集输网络整体优化模型相结合。模型中同时包含离散变量和连续变量,约束条件呈非线性,涉及离散拓扑优化和非线性参数优化,属于大型混合优化设计问题。传统的优化算法无法求解该模型,本文采用群智能技术,将蚁群算法和粒子群算法相结合,进行基于三维地形和障碍的多级星状集输网络整体优化模型求解。该方法不需要优化函数的连续、可导和可微等性质,全局搜索能力强,效率高。根据研究成果,利用Matlab编制了复杂地域气田集输管网布局优化软件,为气田地面工程的规划设计提供指导。根据研究成果,对某气田集输系统进行拓扑优化,对比无地形起伏无障碍和多起伏多障碍环境下的管网长度和投资费用。结果表明,在三维地形和障碍下,管网长度增加28.7%,管网建设费用增加27.1%。管网长度和投资费用的增加幅度与地形起伏程度和障碍物的数量、尺寸以及具体位置密切相关。