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[摘 要] 由于燃气管网工程造价在整个燃气工程投资和燃气管理系统年运行费用中占有相当大的比例，如采用优化组合设计，不仅能节省大量能源，综合考虑了影响优化燃气管网布局的主要因素，以燃气管网铺设线路总长度最短为目标，由多个可行路径构成燃气管网布局的寻优域中，求解出最佳的管网布局形式。
[关键词] 燃气管网 模型设计工程实例
一、问题描述
燃气作为流体的一种被输送到用户的过程中主要是以管道为载体，输送到用户的过程构成了一个燃气输配网络系统。燃气管网可以被抽象为一张节点图，由点(节点)、线(管段)、环三要素组成，最简单和有效的方法是用矩阵表示管网图，燃气管网的布局形式是后续进行参数优化的基础，国内外对优化燃气管网布局的研究则很少探讨。优化设计燃气管网的布局主要是，当供给气源和用户地理位置确定后,与各用户及其它相邻的用户之间按市政要求和地理环境卫生,存在多种管网布局方案，从中选择出最佳的布局。
以树状燃气管网作为研究对象，把各种可能连接的路径连起来，这样就在二維空间上构成了一个多点连通图，既燃气管网初步连接图，
把10个位置已确定的用户之间所有可能的路线相连，就构成具有24条边的初步连接图，如图1.1所示。
这样就找到了以管段长度为权的管网布局初步连接图的最小生成树，得到了最佳布局形式的树状管网。
编码方法在很大程度上决定了遗传进化的效率, 采用二进制编码方式较为方便。以图1.1中的所有待选边为编码变量，令其为0或1，用长度为m的二进制字符串就可表示图2.1的所有子图。当字符值为0时，它表示对应的边不是构成子图的边，当字符值为1时，它表示对应的边是构成子图的边。位的二进制字符串称为管网布局优化问题的一个染色体。图2.2已给出燃气管网布局的初步连接图，节点和边的编号，可用24位二进制编码来表示它的所有子图。以边1、5、8、9、11、13、17、20、22组成的一个树状燃气管网，以此为基础二进制编码表示为{100010011010100010010100}, 图1.2为图1.1的一个生成树。
若树状燃气管网有n-1条边具有连通性，则在染色体中要是有n-1个编码值为1时，个体必定不是树状管网。由此可见，判断是否为生成树。避免在进化过程中不可行方案的出现，需控制所产生的每个个体仅有一个n-1编码值为1，并使其成为可行解的必要条件。本文用Prüfer数法生成的端点序列，可以很容易的记录下这些端点组成的相应的边序列，并用0或1来组成上述的二进制序列。同时要保留Prüfer数的编码，
二、模型设计与分析
城市燃气管网的建设涉及到政治、经济、技术、社会、环境等多方面的因素，这些因素的指标值均可用来评价待选方案的优劣。对于一个待建或改扩建的管网，安全是第一要素，它必须以技术可行来作为保证。为验证上述算法的可行性和有效性，建立燃气管网布局优化模型进行评估，通过这些数据来不断地迭代种群，最终产生最优解，完成燃气管网布局优化数学模型的建立。对于燃气管网布局优化模型可输出的分类有：
（A）信度：信度是反映燃气管网布局优化模型的可靠性与稳定性的参数。信度大小同相关系数有关，而相关系数又随地理条件和市政要求的不同而有所差异。如果经计算燃气管网布局优化模型信度系数接近1，则说明此燃气管网布局优化模型可靠性和稳定性均为较高水平。否则的话，系数越趋近于0，则说明燃气管网布局优化模型的可靠性和稳定性就越低。
（B）效度：效度是反映优化的燃气管网的布局准确性和有效性的参数。它反映了燃气管网布局优化模型同气源及用户地理位置是否具有一致性。
（C）区分度：区分度是反映燃气管网布局的实际水平的效用高低的参数。最佳的燃气管网布局应能反映树状燃气管网间的关联程度。此外，政治、社会、环境等因素的指标值比较模糊，它们对方案的影响很难量化。
三、工程实例
1.1工程简介
哈尔滨市某新建住宅小区燃气管网,以往的管网设计中采用的是手工操作，使用的是回路法。当前在各大设计院以及燃气公司大多采用的是用节点法编制的计算软件，基本思路是先根据设计人员的专业经验，确定各管段的布置与走向。经过调查分析、需气量预测管网定线等并考虑供气可靠性的要求。采用树状燃气管网布局设计，管网编号与管段编号如图2.1所示。该燃气管网有10个节点,24条可能的管道连接路线,编号及管长见表2.1。
1.2工程实例中的遗传算法应用优化结果
应用遗传算法进行燃气管网布局遗传优化设计，首先编码、产生初始种群、进行选择、交出、变异。本算例燃气管网布局中有24根管段，则染色体就由24个基因组成。控制参数设置：初识群体规模为80代，选择常规的轮盘赌法，适应度函数进行线性变化等获得遗传算法优化的树状燃气管网布局总长度最小结果见表2.2。
本章主要是将遗传算法的基本理论知识应用于优化设计燃气管网布局中。首先对布局优化要素，结合Prüfer数编码进行个体的二进制表示，确定种群规模及其初始种群的生成；然后进行相应的遗传操作，经过不断迭代，得到最优解，获得了燃气管网的布局设计方案。■
[关键词] 燃气管网 模型设计工程实例
一、问题描述
燃气作为流体的一种被输送到用户的过程中主要是以管道为载体，输送到用户的过程构成了一个燃气输配网络系统。燃气管网可以被抽象为一张节点图，由点(节点)、线(管段)、环三要素组成，最简单和有效的方法是用矩阵表示管网图，燃气管网的布局形式是后续进行参数优化的基础，国内外对优化燃气管网布局的研究则很少探讨。优化设计燃气管网的布局主要是，当供给气源和用户地理位置确定后,与各用户及其它相邻的用户之间按市政要求和地理环境卫生,存在多种管网布局方案，从中选择出最佳的布局。
以树状燃气管网作为研究对象，把各种可能连接的路径连起来，这样就在二維空间上构成了一个多点连通图，既燃气管网初步连接图，
把10个位置已确定的用户之间所有可能的路线相连，就构成具有24条边的初步连接图，如图1.1所示。
这样就找到了以管段长度为权的管网布局初步连接图的最小生成树，得到了最佳布局形式的树状管网。
编码方法在很大程度上决定了遗传进化的效率, 采用二进制编码方式较为方便。以图1.1中的所有待选边为编码变量，令其为0或1，用长度为m的二进制字符串就可表示图2.1的所有子图。当字符值为0时，它表示对应的边不是构成子图的边，当字符值为1时，它表示对应的边是构成子图的边。位的二进制字符串称为管网布局优化问题的一个染色体。图2.2已给出燃气管网布局的初步连接图，节点和边的编号，可用24位二进制编码来表示它的所有子图。以边1、5、8、9、11、13、17、20、22组成的一个树状燃气管网，以此为基础二进制编码表示为{100010011010100010010100}, 图1.2为图1.1的一个生成树。
若树状燃气管网有n-1条边具有连通性，则在染色体中要是有n-1个编码值为1时，个体必定不是树状管网。由此可见，判断是否为生成树。避免在进化过程中不可行方案的出现，需控制所产生的每个个体仅有一个n-1编码值为1，并使其成为可行解的必要条件。本文用Prüfer数法生成的端点序列，可以很容易的记录下这些端点组成的相应的边序列，并用0或1来组成上述的二进制序列。同时要保留Prüfer数的编码，
二、模型设计与分析
城市燃气管网的建设涉及到政治、经济、技术、社会、环境等多方面的因素，这些因素的指标值均可用来评价待选方案的优劣。对于一个待建或改扩建的管网，安全是第一要素，它必须以技术可行来作为保证。为验证上述算法的可行性和有效性，建立燃气管网布局优化模型进行评估，通过这些数据来不断地迭代种群，最终产生最优解，完成燃气管网布局优化数学模型的建立。对于燃气管网布局优化模型可输出的分类有：
（A）信度：信度是反映燃气管网布局优化模型的可靠性与稳定性的参数。信度大小同相关系数有关，而相关系数又随地理条件和市政要求的不同而有所差异。如果经计算燃气管网布局优化模型信度系数接近1，则说明此燃气管网布局优化模型可靠性和稳定性均为较高水平。否则的话，系数越趋近于0，则说明燃气管网布局优化模型的可靠性和稳定性就越低。
（B）效度：效度是反映优化的燃气管网的布局准确性和有效性的参数。它反映了燃气管网布局优化模型同气源及用户地理位置是否具有一致性。
（C）区分度：区分度是反映燃气管网布局的实际水平的效用高低的参数。最佳的燃气管网布局应能反映树状燃气管网间的关联程度。此外，政治、社会、环境等因素的指标值比较模糊，它们对方案的影响很难量化。
三、工程实例
1.1工程简介
哈尔滨市某新建住宅小区燃气管网,以往的管网设计中采用的是手工操作，使用的是回路法。当前在各大设计院以及燃气公司大多采用的是用节点法编制的计算软件，基本思路是先根据设计人员的专业经验，确定各管段的布置与走向。经过调查分析、需气量预测管网定线等并考虑供气可靠性的要求。采用树状燃气管网布局设计，管网编号与管段编号如图2.1所示。该燃气管网有10个节点,24条可能的管道连接路线,编号及管长见表2.1。
1.2工程实例中的遗传算法应用优化结果
应用遗传算法进行燃气管网布局遗传优化设计，首先编码、产生初始种群、进行选择、交出、变异。本算例燃气管网布局中有24根管段，则染色体就由24个基因组成。控制参数设置：初识群体规模为80代，选择常规的轮盘赌法，适应度函数进行线性变化等获得遗传算法优化的树状燃气管网布局总长度最小结果见表2.2。
本章主要是将遗传算法的基本理论知识应用于优化设计燃气管网布局中。首先对布局优化要素，结合Prüfer数编码进行个体的二进制表示，确定种群规模及其初始种群的生成；然后进行相应的遗传操作，经过不断迭代，得到最优解，获得了燃气管网的布局设计方案。■