система оптимизатора для трубопроводов

Формула изобретения

1. Реализованный посредством компьютера способ оптимизации эксплуатации системы трубопроводов, содержащий следующие операции:

a) считывают входные данные, причем указанные входные данные описывают систему трубопроводов;

b) осуществляют генерацию совокупности решений, при этом каждое решение из этой совокупности определяет допустимое рабочее состояние для системы трубопроводов;

c) производят оценку расчетной эффективности каждого решения из совокупности и выполняют сортировку решений из совокупности в соответствии с оценкой;

d) выполняют процедуру генетического алгоритма оптимизации совокупности решений до тех пор, пока не будет выполнено условие завершения, определенное входными данными, в результате чего генерируют множество оптимизированных эксплуатационных решений;

e) после выполнения процедуры генетического алгоритма оптимизации производят выбор оптимизированного эксплуатационного решения из множества оптимизированных эксплуатационных решений, причем это выбранное оптимизированное эксплуатационное решение имеет самую высокую оценку относительно других решений из этой совокупности; и

f) осуществляют генерацию оптимизированного решения для давления, определяющего давление на выходе для одного или большего количества пунктов доставки системы трубопроводов и давление на входе для одного или большего количества производящих узлов системы трубопроводов, с использованием способа прямой оптимизации давления для выбранного оптимизированного эксплуатационного решения, с использованием процедуры прямой оптимизации давления для изменения давлений на элементах трубопровода, причем во время процедуры прямой оптимизации давления:

вычисляют потоки через множество элементов и узлов системы трубопроводов;

определяют и распространяют давления во множестве узлов;

генерируют граф зависимости давления и используют его для вычисления обобщенной разности давления и минимального давления для каждой подсети;

снижают давление узлов, имеющих высокое давление, где возможно;

распространяют давление через узлы каждой подсети; и пересчитывают, по меньшей мере, один параметр элемента каждой подсети.

2. Способ по п.1, в котором операция выполнения процедуры генетической оптимизации содержит следующие операции:

a) видоизменяют, по меньшей мере, один аспект допустимого рабочего состояния, определяемого, по меньшей мере, одним решением из совокупности;

b) выполняют моделирование работы системы трубопроводов согласно рабочему состоянию, которое определено видоизмененным решением;

c) производят оценку функционирования видоизмененного решения;

d) добавляют видоизмененное решение в совокупность; и

e) из совокупности удаляют то решение, которое имеет наихудшую оценку относительно других решений из этой совокупности.

3. Способ по п.2, в котором операция видоизменения, по меньшей мере, одного аспекта допустимого рабочего состояния, определяемого, по меньшей мере, одним решением из совокупности, содержит следующие операции:

a) производят выбор способа видоизменения решения;

b) производят выбор, по меньшей мере, одного решения из совокупности для его видоизменения; и

c) видоизменяют упомянутое, по меньшей мере, одно решение согласно выбранному способу видоизменения решения.

4. Способ по п.3, в котором в способе видоизменения решения выполняют видоизменение, по меньшей мере, одного аспекта допустимого рабочего состояния, определяемого решением, по случайному закону.

5. Способ по п.3, в котором в способе видоизменения решения выполняют видоизменение, по меньшей мере, одного решения согласно эвристическому правилу.

6. Способ по п.3, в котором в способе видоизменения решения выполняют скрещивание двух или большего количества решений для генерации видоизмененного решения.

7. Способ по п.1, в котором операция видоизменения, по меньшей мере, одного аспекта допустимого рабочего состояния, определяемого, по меньшей мере, одним из решений, входящих в состав совокупности, содержит следующую операцию:

производят выбор одного или большего количества решений на вероятностной основе, при этом вероятность выбора решения с более высокой оценкой для его видоизменения является более высокой, чем вероятность выбора решения с более низкой оценкой.

8. Способ по п.1, содержащий следующую дополнительную операцию: подтверждают, что файлы входных данных описывают систему трубопроводов, которая может быть оптимизирована.

9. Способ по п.1, в котором условия завершения, определенные входными данными, содержат, по меньшей мере, одно из следующих условий: количество сгенерированных решений достигло максимального значения, количество затраченного времени достигло максимального значения, максимальное количество генераций и осуществлена генерация решения, оценка которого превышает заданное значение.

10. Способ по п.1, в котором операция генерации совокупности решений содержит следующую операцию:

осуществляют генерацию первой группы решений и второй группы решений, при этом генерацию первой группы решений осуществляют согласно эвристическим правилам, а генерацию второй группы решений осуществляют с использованием случайного процесса.

11. Способ по п.1, в котором входные данные содержат, по меньшей мере, один документ на расширяемом языке гипертекстовой разметки (XML).

12. Способ по п.1, в котором входные данные извлекают из базы данных о состоянии трубопровода, в которой хранят данные о текущем рабочем состоянии системы трубопроводов.

13. Считываемая посредством компьютера среда, содержащая программу, которая при ее выполнении выполняет операции по оптимизации эксплуатации системы трубопроводов, которые содержат следующие операции:

a) считывают входные данные, причем эти входные данные описывают систему трубопроводов;

b) осуществляют генерацию совокупности решений, при этом каждое решение из этой совокупности определяет допустимое рабочее состояние для системы трубопроводов;

c) производят оценку расчетной эффективности каждого решения из совокупности и выполняют сортировку решений из совокупности в соответствии с оценкой;

d) выполняют процедуру генетического алгоритма оптимизации совокупности решений до тех пор, пока не будет выполнено условие завершения, определенное входными данными, в результате чего генерируют множество оптимизированных эксплуатационных решений;

e) после выполнения процедуры генетического алгоритма оптимизации производят выбор оптимизированного эксплуатационного решения из множества оптимизированных эксплуатационных решений, причем это выбранное оптимизированное эксплуатационное решение имеет самую высокую оценку относительно других решений из этой совокупности; и

f) осуществляют генерацию оптимизированного решения для давления, определяющего давление на выходе для одного или большего количества пунктов доставки системы трубопроводов и давление на входе для одного или большего количества производящих узлов системы трубопроводов, с использованием способа прямой оптимизации давления для выбранного оптимизированного эксплуатационного решения, с использованием процедуры прямой оптимизации давления для изменения давлений на элементах трубопровода, причем во время процедуры прямой оптимизации давления:

вычисляют потоки через множество элементов и узлов системы трубопроводов;

определяют и распространяют давления во множестве узлов;

генерируют граф зависимости давления и используют его для вычисления обобщенной разности давления и минимального давления для каждой подсети;

снижают давление узлов, имеющих высокое давление, где возможно;

распространяют давление через узлы каждой подсети; и пересчитывают, по меньшей мере, один параметр элемента каждой подсети.

14. Считываемая посредством компьютера среда по п.13, в которой операция выполнения процедуры генетической оптимизации содержит следующие операции:

а) видоизменяют, по меньшей мере, один аспект допустимого рабочего состояния, определяемого, по меньшей мере, одним решением из совокупности;

b) выполняют моделирование работы системы трубопроводов согласно рабочему состоянию, которое определено видоизмененным решением;

c) производят оценку функционирования видоизмененного решения;

d) добавляют видоизмененное решение в совокупность; и

e) из совокупности удаляют то решение, которое имеет наихудшую оценку.

15. Считываемая посредством компьютера среда по п.14, в которой операция видоизменения, по меньшей мере, одного аспекта допустимого рабочего состояния, определяемого, по меньшей мере, одним решением из совокупности, содержит следующие операции:

a) производят выбор способа видоизменения решения;

b) производят выбор, по меньшей мере, одного решения из совокупности для его видоизменения; и

c) видоизменяют упомянутое, по меньшей мере, одно решение согласно выбранному способу видоизменения решения.

16. Считываемая посредством компьютера среда по п.15, в котором в способе видоизменения решения выполняют видоизменение, по меньшей мере, одного аспекта допустимого рабочего состояния, определяемого решением, по случайному закону.

17. Считываемая посредством компьютера среда по п.15, в которой в способе видоизменения решения выполняют видоизменение, по меньшей мере, одного решения согласно эвристическому правилу.

18. Считываемая посредством компьютера среда по п.15, в которой в способе видоизменения решения выполняют скрещивание двух или большего количества решений для генерации видоизмененного решения.

19. Считываемая посредством компьютера среда по п.13, в которой операция видоизменения, по меньшей мере, одного аспекта допустимого рабочего состояния, определяемого, по меньшей мере, одним из решений, входящих в состав совокупности, содержит следующую операцию:

производят выбор одного или большего количества решений на вероятностной основе, при этом вероятность выбора решения с более высокой оценкой для его видоизменения является более высокой, чем вероятность выбора решения с более низкой оценкой.

20. Считываемая посредством компьютера среда по п.13, содержащий следующую дополнительную операцию: подтверждают, что файлы входных данных описывают систему трубопроводов, которая может быть оптимизирована.

21. Считываемая посредством компьютера среда по п.13, в котором условия завершения, определенные входными данными, содержат, по меньшей мере, одно из следующих условий: количество сгенерированных решений достигло максимального значения, количество затраченного времени достигло максимального значения, максимальное количество генераций и осуществлена генерация решения, оценка которого превышает заданное значение.

22. Считываемая посредством компьютера среда по п.13, в которой операция генерации совокупности решений содержит следующую операцию:

осуществляют генерацию первой группы решений и второй группы решений, при этом генерацию первой группы решений осуществляют согласно эвристическим правилам, а генерацию второй группы решений осуществляют с использованием случайного процесса.

23. Считываемая посредством компьютера среда по п.13, в которой входные данные содержат, по меньшей мере, один документ на расширяемом языке гипертекстовой разметки (XML).

24. Считываемая посредством компьютера среда по п.13, в которой входные данные извлекают из базы данных о состоянии трубопровода, в которой хранят данные о текущем рабочем состоянии системы трубопроводов.

25. Система для оптимизации эксплуатации системы трубопроводов, содержащая:

a) процессор

b) программу оптимизации, которая сконфигурирована таким образом, что при ее выполнении процессором она:

a) считывают входные данные, причем указанные входные данные описывают систему трубопроводов;

b) осуществляют генерацию совокупности решений, при этом каждое решение из этой совокупности определяет допустимое рабочее состояние для системы трубопроводов;

c) производят оценку расчетной эффективности каждого решения из совокупности и выполняет сортировку решений из совокупности в соответствии с оценкой;

d) выполняют процедуру генетического алгоритма оптимизации совокупности решений до тех пор, пока не будет выполнено условие завершения, определенное входными данными, в результате чего генерируют множество оптимизированных эксплуатационных решений;

e) после выполнения процедуры генетического алгоритма оптимизации производят выбор оптимизированного эксплуатационного решения из множества оптимизированных эксплуатационных решений, причем это выбранное оптимизированное эксплуатационное решение имеет самую высокую оценку относительно других решений из этой совокупности; и

f) осуществляют генерацию оптимизированного решения для давления, определяющего давление на выходе для одного или большего количества пунктов доставки системы трубопроводов и давление на входе для одного или большего количества производящих узлов системы трубопроводов, с использованием способа прямой оптимизации давления для выбранного оптимизированного эксплуатационного решения, с использованием процедуры прямой оптимизации давления для изменения давлений на элементах трубопровода, причем во время процедуры прямой оптимизации давления:

вычисляют потоки через множество элементов и узлов системы трубопроводов;

определяют и распространяют давления во множестве узлов;

генерируют граф зависимости давления и используют его для вычисления обобщенной разности давления и минимального давления для каждой подсети;

снижают давление узлов имеющих высокое давление, где возможно;

распространяют давление через узлы каждой подсети; и пересчитывают, по меньшей мере, один параметр элемента каждой подсети.

26. Система по п.25, в которой программа оптимизации сконфигурирована таким образом, что выполняет процедуру генетической оптимизации путем выполнения следующих операций:

a) видоизменяют, по меньшей мере, один аспект допустимого рабочего состояния, определяемого, по меньшей мере, одним решением из совокупности;

b) выполняют моделирование работы системы трубопроводов согласно рабочему состоянию, которое определено видоизмененным решением;

c) производят оценку функционирования видоизмененного решения;

d) добавляют видоизмененное решение в совокупность; и

e) из совокупности удаляют то решение, которое имеет наихудшую оценку относительно других решений из этой совокупности.

27. Система по п.26, в которой программа сконфигурирована таким образом, что видоизменяет, по меньшей мере, один аспект допустимого рабочего состояния, определяемого, по меньшей мере, одним решением из совокупности, путем выполнения следующих операций:

a) производят выбор способа видоизменения решения;

b) производят выбор, по меньшей мере, одного решения из совокупности для его видоизменения; и

с) видоизменяют упомянутое, по меньшей мере, одно решение согласно выбранному способу видоизменения решения.

28. Система по п.27, в которой в способе видоизменения решения выполняют видоизменение, по меньшей мере, одного аспекта допустимого рабочего состояния, определяемого решением, по случайному закону.

29. Система по п.27, в которой в способе видоизменения решения выполняют видоизменение, по меньшей мере, одного решения согласно эвристическому правилу.

30. Система по п.27, в которой в способе видоизменения решения выполняют скрещивание двух или большего количества решений для генерации видоизмененного решения.

31. Система по п.25, в которой операция видоизменения, по меньшей мере, одного аспекта допустимого рабочего состояния, определяемого, по меньшей мере, одним из решений, входящих в состав совокупности, содержит следующую операцию:

производят выбор одного или большего количества решений на вероятностной основе, при этом вероятность выбора решения с более высокой оценкой для его видоизменения является более высокой, чем вероятность выбора решения с более низкой оценкой.

32. Система по п.25, в которой условия завершения, определенные входными данными, содержат, по меньшей мере, одно из следующих условий: количество сгенерированных решений достигло максимального значения, количество затраченного времени достигло максимального значения, максимальное количество генераций и осуществлена генерация решения, оценка которого превышает заданное значение.

33. Система по п.25, в которой программа оптимизации сконфигурирована таким образом, что осуществляет генерацию совокупности решений путем генерации первой группы решений и второй группы решений, при этом генерацию первой группы решений осуществляют согласно эвристическим правилам, а генерацию второй группы решений осуществляют с использованием случайного процесса.

34. Система по п.25, в которой входные данные извлекают из базы данных о состоянии трубопровода, в которой хранят данные о текущем рабочем состоянии системы трубопроводов.

35. Способ оптимизации эксплуатации системы трубопроводов, содержащий следующие операции:

a) осуществляют генерацию оптимизированного эксплуатационного решения для производства вещества, подаваемого в систему трубопроводов, с использованием способа оптимизации, основанного на генетическом алгоритме, для оптимизации совокупности начальных решений; и

b) для оптимизированного эксплуатационного решения осуществляют генерацию оптимизированного решения для давления, которое определяет рабочее давление, имеющееся в одном или в большем количестве пунктов доставки в системе трубопроводов, и входное давление, которое следует создать в одном или в большем количестве производящих узлов системы трубопроводов, с использованием процедуры прямой оптимизации давления для изменения давлений на элементах трубопровода, причем во время процедуры прямой оптимизации давления:

вычисляют потоки через множество элементов и узлов системы трубопроводов;

определяют и распространяют давления во множестве узлов;

генерируют граф зависимости давления и используют его для вычисления обобщенной разности давления и минимального давления для каждой подсети;

снижают давление узлов имеющих высокое давление, где возможно;

распространяют давление через узлы каждой подсети; и пересчитывают, по меньшей мере, один параметр элемента каждой подсети.

36. Способ по п.35, в котором значения давления на выходе не выходят за пределы требуемого минимального давления на выходе для каждого соответствующего пункта доставки и в котором значения давления на входе не выходят за пределы максимального допустимого значения давления на входе для каждого соответствующего производящего узла системы трубопроводов.

37. Способ по п.35, в котором операция выполнения способа оптимизации, основанного на генетическом алгоритме, содержит следующие операции:

a) видоизменяют, по меньшей мере, один аспект допустимого рабочего состояния, определяемого, по меньшей мере, одним решением из совокупности;

b) выполняют моделирование работы системы трубопроводов согласно рабочему состоянию, которое определено видоизмененным решением;

c) производят оценку функционирования видоизмененного решения;

d) добавляют видоизмененное решение в совокупность; и

e) из совокупности удаляют то решение, которое имеет наихудшую оценку относительно других решений из этой совокупности.

38. Способ по п.37, в котором операция видоизменения, по меньшей мере, одного аспекта, по меньшей мере, одного решения из совокупности содержит следующие операции:

a) производят выбор способа видоизменения решения;

b) производят выбор, по меньшей мере, одного решения из совокупности для его видоизменения; и

c) видоизменяют, по меньшей мере, один аспект допустимого рабочего состояния, определяемого, по меньшей мере, одним решением из совокупности согласно выбранному способу видоизменения решения.

Описание изобретения к патенту

ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Система трубопроводов обычно обеспечивает работу непрерывного трубопровода, укомплектованного таким оборудованием, как, например, трубопроводная арматура, компрессорные станции, системы связи и измерительные устройства, для транспортировки жидких или газообразных веществ из одного места в другое, обычно из одного места (или мест) производства или переработки в другое место или в другие места использования. Например, на чертеже Фиг. 1 проиллюстрирована система сдвоенного трубопровода, которая содержит два трубопровода: трубопровод газообразного азота, идущий параллельно трубопроводу газообразного кислорода. Показано несколько установок, расположенных в различных местах вдоль трассы трубопровода, в которых работают установки для разделения воздуха, компрессоры, вспомогательные компрессорные установки, регуляторы и другие элементы оборудования, предназначенные для подачи вещества в трубопровод.

Оптимизация работы системы трубопроводов, например той, которая показана на Фиг. 1, является сложной задачей. В частности, оптимизация системы трубопроводов с учетом затрат на энергоснабжение в различных узлах, реконфигурируемых элементов (например, элемента трубопровода, который может функционировать таким образом, что увеличивает давление либо расход или уменьшает значения давления либо значения расхода в конкретном узле трубопровода) и предусмотренных контрактными обязательствами требований к параметрам на выходе и к давлению, и в различных узлах, оказалась сложной задачей. До настоящего времени имеющиеся на рынке системы оптимизации трубопроводов обычно являлись неспособными обеспечить удовлетворительные решения для конфигурирования сложных систем трубопроводов. В частности, имеющиеся на рынке системы оптимизации трубопроводов были неспособными обеспечивать учет множества факторов, которые могут влиять на эксплуатационные расходы при эксплуатации трубопровода. Например, имеющиеся в настоящее время системы оптимизации не были предназначены для системы трубопроводов, сконфигурированной для транспортировки более одного вещества (например, для системы сдвоенного трубопровода, показанной на Фиг. 1); они не обеспечивали учет всех особенностей контрактов с заказчиками (например, обеих особенностей: "контрактов, обязывающих покупателя купить товар или выплатить неустойку" со стороны производителя, эксплуатирующей трубопровод, и требований обеспечения минимального давления/скоростей потока с той стороны, эксплуатирующей трубопровод, для которой производят поставку); и они не обеспечивали оптимизацию конфигурации реконфигурируемых элементов сети трубопроводов. Вместо этого такие системы часто налагают ограничения на множество этих переменных и предпринимают попытку оптимизации отдельного аспекта эксплуатации трубопровода, предполагая, что остальные аспекты могут быть оптимизированы независимо. Часто это приводит к субоптимальным решениям. Кроме того, даже несмотря на то что существующие в настоящее время системы оказались способными распознавать более высококачественное решение, они часто неспособны делать это за приемлемое количество времени.

Соответственно, остается потребность в создании способов оптимизации работы системы трубопроводов. Как правило, процесс оптимизации должен использоваться для определения такого допустимого состояния эксплуатации трубопровода, которое удовлетворяет любым эксплуатационным требованиям, физическим возможностям и сводит к минимуму эксплуатационные расходы, в особенности потребляемую мощность.

КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения оно относится к моделированию и к оптимизации операций по эксплуатации трубопровода. Один вариант осуществления настоящего изобретения включает в себя способ оптимизации эксплуатации системы трубопроводов. Способ обычно содержит следующие операции: считывают входные данные, причем эти входные данные описывают систему трубопроводов, подлежащую оптимизации, и осуществляют генерацию совокупности решений, где каждое решение из этой совокупности определяет допустимое рабочее состояние для системы трубопроводов. Кроме того, способ обычно содержит следующие дополнительные операции: выполняют процедуру генетической оптимизации этой совокупности до тех пор, пока не будет выполнено условие завершения, определенное входными данными, и из решений, входящих в состав этой совокупности, производят выбор того оптимизированного эксплуатационного решения, которое имеет наилучшую оценку.

Способ обычно содержит следующую дополнительную операцию, выполняемую после того, как осуществлена генерация оптимизированного эксплуатационного решения: для оптимизированного эксплуатационного решения осуществляют генерацию оптимизированного решения для давления, которое определяет давление на выходе, имеющееся в текущий момент времени в одном или в большем количестве пунктов доставки в системе трубопроводов, и входное давление в одном или в большем количестве производящих узлов системы трубопроводов, с использованием процедуры прямой оптимизации давления.

Выполнение процедуры генетической оптимизации обычно содержит следующие операции: видоизменяют, по меньшей мере, один аспект допустимого рабочего состояния, определенного, по меньшей мере, одним из решений из этой совокупности, выполняют моделирование работы системы трубопроводов в соответствии с рабочим состоянием, определенным видоизмененным решением, и производят оценку эффективности видоизмененного решения. Кроме того, процедура оптимизации обычно содержит следующую дополнительную операцию: добавляют видоизмененное решение к упомянутой совокупности и из совокупности удаляют решение с наихудшей оценкой.

В конкретном варианте осуществления изобретения начальная совокупность решений может содержать первую группу решений и вторую группу решений. Как правило, генерация первой группы решений может быть осуществлена согласно эвристическим правилам, а генерация второй группы решений может быть осуществлена с использованием случайного процесса.

В конкретном варианте осуществления изобретения операция видоизменения, по меньшей мере, одного аспекта допустимого рабочего состояния, определенного решением, обычно может содержать следующие операции: производят выбор способа видоизменения решения и производят выбор, по меньшей мере, одного решения из упомянутой совокупности для его видоизменения в соответствии с выбранным способом видоизменения решения.

Может быть использовано любое количество способов видоизменения решения. Например, один способ видоизменения решения содержит операцию видоизменения решения из упомянутой совокупности по случайному закону, другой способ содержит операцию видоизменения решения на основании эвристического правила, а третий способ содержит операцию скрещивания двух или большего количества решений. Кроме того, поскольку входные данные могут относиться к реально используемой системе трубопроводов, то источником входных данных может являться база данных о состоянии системы, описывающая реальное текущее рабочее состояние системы трубопроводов. Входные данные могут быть предоставлены в структурированном виде, например, на широко используемом расширяемом языке гипертекстовой разметки (XML), который используют для описания данных.

Другой вариант осуществления изобретения включает в себя способ оптимизации эксплуатации системы трубопроводов. Способ обычно содержит следующие операции: осуществляют генерацию оптимизированного эксплуатационного решения для производства вещества, подаваемого в систему трубопроводов, с использованием способа оптимизации, основанного на генетическом алгоритме, для оптимизации совокупности начальных решений. Способ оптимизации, основанный на генетическом алгоритме, может быть сконфигурирован таким образом, что обеспечивает оптимизацию совокупности начальных решений, осуществляя генерацию оптимизированного эксплуатационного решения согласно описанным выше способам. Способ обычно содержит следующую дополнительную операцию: для оптимизированного эксплуатационного решения осуществляют генерацию оптимизированного решения для давления, которое определяет давление на выходе, имеющееся в одном или в большем количестве пунктов доставки в системе трубопроводов, и входное давление, которое следует создать в одном или в большем количестве производящих узлов системы трубопроводов, с использованием способа прямой оптимизации давления.

В конкретном варианте осуществления изобретения рабочее давление (давление на выходе) для одного или большего количества пунктов доставки не выходит за пределы интервала, ограниченного требуемым минимальным давлением доставки для каждого соответствующего пункта доставки и максимальным допустимым давлением на входе для каждого соответствующего производящего узла системы трубопроводов.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ФИГУР ЧЕРТЕЖЕЙ

Для более глубокого понимания сущности и задач настоящего изобретения следует изучить приведенное ниже подробное описание совместно с сопроводительными чертежами, на которых схожие элементы обозначены одинаковыми или аналогичными номерами позиций и на которых изображено следующее:

на Фиг. 1 изображена карта, на которой проиллюстрирована существующая система трубопроводов;

на Фиг. 2 проиллюстрирована система, используемая для оптимизации аспектов эксплуатации системы трубопроводов, согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения;

на Фиг. 3A-3G проиллюстрирован иерархический набор элементов данных, используемых для моделирования аспектов эксплуатации системы трубопроводов, подлежащей оптимизации, согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения;

на Фиг. 4 проиллюстрирован набор модулей ввода, которые могут содержаться в прикладной программе оптимизации трубопроводов, показанной на Фиг. 2, согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения;

на Фиг. 5 проиллюстрирован набор модулей оптимизации, которые могут содержаться в прикладной программе оптимизации трубопроводов, показанной на Фиг. 2, согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения;

на Фиг. 6 проиллюстрирован способ оптимизации аспектов эксплуатации трубопровода согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения;

на Фиг. 7 проиллюстрирован способ выполнения процедуры оптимизации, используемой для оптимизации аспектов эксплуатации трубопровода, согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения;

на Фиг. 8 проиллюстрирован способ моделирования работы трубопровода согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения; и

на Фиг. 9 проиллюстрированы операции, выполняемые модулем прямой оптимизации давления, согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения.

ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В вариантах осуществления настоящего изобретения предложена компьютеризированная система оптимизации, которая может использоваться для оптимизации множества аспектов эксплуатации трубопровода. В общем случае термин "оптимизация" здесь используют для описания такого изменения состояния эксплуатации трубопровода, которое обеспечивает превосходство по сравнению с другими состояниями, обычно с точки зрения потребляемой мощности или иных эксплуатационных расходов. В вариантах осуществления настоящего изобретения предложена система оптимизации, которая может использоваться для определения низкозатратных решений задачи соответствия ограничениям, наложенным на эксплуатацию трубопровода. Однако следует отметить следующее: не требуется, чтобы варианты осуществления настоящего изобретения обязательно обеспечивали определение оптимального или наилучшего решения относительно конфигурации трубопровода. Вместо этого термин "оптимизация" обычно относится к отысканию приемлемых решений для сложных задач за приемлемое количество времени.

В одном из вариантов осуществления изобретения система оптимизации представляет собой прикладную программу, сконфигурированную таким образом, что она производит поиск высококачественного решения для задачи оптимизации. В случае системы трубопроводов система оптимизации производит поиск таких установочных параметров оборудования и таких конфигураций, которые удовлетворяют требованиям потребителя и эксплуатационным требованиям и при этом также сводят к минимуму затраты на энергоснабжение.

Примерами вариантов оптимизации, которые могут быть определены или сгенерированы системой оптимизации, являются в том числе следующие: снижение затрат на энергоснабжение путем перемещения производственной деятельности между различными производственными установками, оптимизация установочных параметров компрессоров, конфигурирование элементов трубопровода, способных выполнять множество функций, и выполнение ограничивающих условий, налагаемых на работу системы. Таким образом, система оптимизации может использоваться для минимизации затрат на энергоснабжение, необходимых для работы трубопровода, также обеспечивая значения давления (потока вещества) на выходе, предусмотренные контрактными обязательствами, для потребителей, находящихся в различных узлах трубопровода.

В одном из вариантов осуществления изобретения действующие ограничения могут содержать ограничения двух типов: "жесткие" ограничения и "мягкие" ограничения. Жесткое ограничение представляет собой требование, которому должно удовлетворять решение задачи оптимизации, если решение считают допустимым. Например, решением может являться поставка продукции заказчикам при требуемых значениях давления, при этом может иметь место превышение жесткого ограничения на максимальное давление в любой части трубопровода. Нарушение жесткого ограничения делает решение недопустимым. Дополнительными примерами жестких ограничений являются в том числе: минимальное и максимальное значения давления и объемы прокачки через сегменты трубопровода, максимальные значения проходных отверстий задвижек в регуляторах, ограничения, требующие включения и отключения производственной установки, и физические ограничения, налагаемые на модели компрессоров.

Мягким ограничением является такое ограничение, налагаемое на работу трубопровода, которое желательно удовлетворить, но удовлетворение этого условия не является необходимым условием для того, чтобы решение было допустимым. Например, мягким ограничением может являться уменьшение выпуска газов в атмосферу в производственных установках. Существует множество ситуаций, в которых должен происходить выпуск газов в атмосферу, но до тех пор, пока выпуск газов в атмосферу не делает решение недопустимым, требование относительно того, что выпуск в атмосферу должен быть сведен к минимуму, является мягким, а не жестким ограничением. Другим примером мягкого ограничения является договор, обязывающий покупателя купить товар или выплатить неустойку, когда компания, эксплуатирующая трубопровод, должна заплатить за имеющуюся в наличии продукцию или за имеющиеся в наличии вещества вне зависимости от того, использованы они или нет. В случае мягкого ограничения, если другие показатели эффективности конкретной конфигурации трубопровода компенсируют понесенную штрафную неустойку, то такая конфигурация может быть приемлемой или даже предпочтительной.

Варианты осуществления настоящего изобретения описаны здесь применительно к эксплуатации сети сдвоенного трубопровода, сконфигурированной таким образом, что она обеспечивает транспортировку обоих веществ: газообразного кислорода (ГК (GOX) или O₂ ) и газообразного азота (ГА (GAN) или N₂). То есть варианты осуществления настоящего изобретения описаны применительно к системе трубопроводов, показанной на карте из Фиг. 1. Однако для обычных специалистов в данной области техники понятно, что варианты осуществления настоящего изобретения могут быть приспособлены для оптимизации эксплуатации трубопровода для сетей трубопроводов, сконфигурированных для транспортировки большего (или меньшего) количества веществ чем два вещества, в том числе иных веществ, чем O₂ или N₂.

На Фиг. 2 изображена блок-схема, на которой проиллюстрирована система 200, используемая для оптимизации аспектов эксплуатации системы трубопроводов, согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения. Как правило, показанные на чертеже компоненты, входящие в состав системы 200, могут быть реализованы в виде компьютерных прикладных программ, сконфигурированных для существующих компьютерных систем, которыми являются, например, настольные компьютеры, серверные компьютеры, портативные компьютеры, планшетные компьютеры и т.п. Однако описанные здесь прикладные программы не ограничены какой-либо конкретной вычислительной системой и могут быть приспособлены для целесообразного использования новых вычислительных систем по мере их появления. Кроме того, система 200 может быть приспособлена для использования в многопроцессорных средах, например в системе с множеством центральных процессоров (ЦП) и совместно с распределенными и параллельными системами, которыми являются, например, кластеры или сети вычислительных устройств.

Кроме того, проиллюстрированные прикладные программы в системе 200 могут выполняться в распределенных системах, осуществляющих обмен информацией через компьютерные сети, в том числе через локальные вычислительные сети или через большие глобальные сети, например через сеть Интернет. К тому же в одном из вариантов осуществления изобретения компоненты системы 200 могут быть реализованы в виде прикладной программы (или прикладных программ), хранящейся на считываемых посредством компьютера средах, таких как, например, постоянное запоминающее устройство на компакт-диске (CD-ROM), постоянное запоминающее устройство на универсальном цифровом диске (DVD-ROM), модуль флеш-памяти, или на иных материальных средах для хранения информации.

Как правило, программы, выполняемые для реализации вариантов осуществления настоящего изобретения, могут являться частью операционной системы или конкретного приложения, компонента, программы, модуля, объекта или последовательности команд. Компьютерная программа из настоящего изобретения обычно состоит из множества команд, которые собственный компьютер транслирует в машинно-считываемый формат и, следовательно, в исполняемые команды. К тому же программы состоят из переменных и структур данных, которые либо хранятся локально относительно программы, либо находятся в памяти или в запоминающих устройствах. Кроме того, различные описанные ниже программы могут быть идентифицированы на основании того приложения, для которого они реализованы в конкретном варианте осуществления настоящего изобретения. Однако следует понимать, что любая приведенная ниже конкретная номенклатура программ использована просто для удобства, и, следовательно, настоящее изобретение не следует ограничивать его использованием исключительно в каком-либо конкретном приложении, которое определено и/или подразумевается такой номенклатурой.

Как показано на чертеже, система 200 содержит прикладную программу 210 оптимизации, базу 215 данных о состоянии трубопровода, входные файлы 220 и выходные файлы 255. Входные файлы 220 могут содержать модель 225 системы трубопроводов, описывающую трубопровод, подлежащий оптимизации, ограничения, наложенные на трубопровод, цели оптимизации и параметры для процедуры оптимизации. Эта информация может также содержать сведения о текущем состоянии различных установок, установочные параметры компрессоров, сведения о текущей конфигурации многофункциональных элементов трубопровода и т.д. Как проиллюстрировано на чертеже, модель 225 системы трубопроводов содержит модель 235 сети трубопроводов и модели 230 установок. Модель 235 сети трубопроводов описывает топологию системы трубопроводов, подлежащей оптимизации, а модели 230 установок описывают одну или большее количество производственных установок, соединенных с системой трубопроводов, которую описывает модель 235 системы трубопроводов. В системе трубопроводов, проиллюстрированной на Фиг. 1, производственные установки могут содержать установку для разделения воздуха (УРВ), испарители и компрессоры, которые повышают давление и приток газа в трубопровод. Само собой разумеется, что для других сетей трубопроводов могут использоваться другие элементы для ввода вещества в трубопровод и для создания давления в нем.

В одном из вариантов осуществления изобретения модель 225 системы трубопроводов может быть составлена с использованием расширяемого языка гипертекстовой разметки (XML). Язык XML является широко используемым стандартом для создания языков разметки, используемых для описания структуры данных. Язык XML предоставляет автору возможность задавать свои собственные теги разметки и свою собственную структуру документа. Кроме того, на рынке имеется множество программ просмотра и редакторов файлов на расширяемом языке гипертекстовой разметки (XML). Используя такие редакторы, пользователь может создавать, сохранять и видоизменять модель 225 системы трубопроводов. Элементы моделей 230 установок и модель 235 сети трубопроводов более подробно проиллюстрированы на Фиг. 3A-3G с использованием в качестве примера грамматики расширяемого языка гипертекстовой разметки (XML).

База 215 данных о состоянии трубопровода предоставляет информацию о текущем состоянии работы системы трубопроводов. В одном из вариантов осуществления изобретения входные файлы 220 могут быть созданы с использованием информации, полученной из базы 215 данных о состоянии трубопровода. Другими словами, модель 225 системы трубопроводов может отражать реальное состояние работы существующего трубопровода (например, системы трубопроводов, показанной на Фиг. 1). В альтернативном варианте осуществления изобретения пользователи могут задавать множество гипотетических топологий и конфигураций трубопровода. Это позволяет использовать систему 200 для выполнения анализа потенциально возможных изменений существующего трубопровода по принципу "что произойдет, если". Помимо прочего, пользователи могут создавать модель 225 системы трубопроводов, например, для анализа преимуществ, которые могут быть получены за счет модернизации оборудования, для анализа затрат на добавление нового потребителя и для анализа преимуществ от добавления нового оборудования.

Прикладная программа 210 оптимизации может быть сконфигурирована таким образом, что определяет высококачественное решение для конфигурации системы трубопроводов, описанной посредством входных файлов 220. Такое решение может определять установочные параметры для каждого конфигурируемого элемента системы трубопроводов, и решение может также удовлетворять действующим ограничениям, которые определены входными файлами 220. В одном из вариантов осуществления изобретения прикладная программа 210 оптимизации содержит несколько модулей, сконфигурированных таким образом, что они выполняют различные функции, связанные с процедурой оптимизации. Как показано на чертеже, прикладная программа 210 оптимизации содержит модуль 240 ввода, модуль 260 интерфейса пользователя, модуль 245 оптимизации и модуль 250 вывода.

Модуль 260 интерфейса пользователя обеспечивает возможность взаимодействия пользователя с прикладной программой 210 оптимизации. Например, модули 260 интерфейса пользователя могут обеспечивать графический интерфейс пользователя, ГИП (GUI), который предоставляет возможность графического редактирования модели 235 сети трубопроводов, моделей 230 установок, параметров, связанных с компонентами трубопровода, а также позволяет пользователям проверять результаты оптимизации. Описание особенностей модуля 240 ввода приведено ниже со ссылкой на Фиг. 4.

Модуль 245 оптимизации может быть сконфигурирован таким образом, что выполняет цикл оптимизации с использованием входных файлов 220. В одном из вариантов осуществления изобретения выходными данными цикла оптимизации является наилучшее решение для конфигурации трубопровода, определенной модулями 245 оптимизации, с учетом временных и других ограничений, содержащихся во входных файлах 220. Описание особенностей модуля 245 оптимизации приведено ниже со ссылкой на Фиг. 5. Модуль 250 вывода может быть сконфигурирован таким образом, что производит обработку результатов цикла оптимизации, выполненной модулями 245 оптимизации. Например, модули 250 вывода могут быть сконфигурированы таким образом, что осуществляют генерацию нескольких отчетов, предоставляемых пользователю (например, выходных файлов 255), в которых приведены результаты данного цикла оптимизации.

В одном из вариантов осуществления изобретения модули 250 вывода сконфигурированы таким образом, что осуществляют генерацию файла на расширяемом языке гипертекстовой разметки (XML), описывающего наилучшее решение, найденное во время цикла оптимизации, вместе с оценкой этого решения. Например, модули 245 оптимизации могут осуществлять генерацию файла сводки, описывающего, какое количество времени заняло выполнение цикла, какие параметры оптимизации были использованы, сведения о каких именно системах трубопроводов содержались во входных файлах 220 и т.д. и любые необычные условия или подозреваемые ошибки в данных, которые имели место во время цикла оптимизации.

На Фиг. 3A-3G проиллюстрирован иерархический набор элементов данных, используемых для моделирования аспектов эксплуатации системы трубопроводов, подлежащей оптимизации, согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения. На этих чертежах показано графическое представление приведенной в качестве примера грамматики расширяемого языка гипертекстовой разметки (XML) для описания модели 225 системы трубопроводов. Элементы данных, показанные на Фиг. 3A-3G, приспособлены для отображения системы трубопроводов, проиллюстрированной на Фиг. 1. Однако для специалистов в данной области техники понятно, что грамматика языка XML может быть определена таким образом, что описывает любое количество различных систем трубопроводов. По существу, конкретные элементы языка XML, описанные ниже, приведены в качестве примера варианта осуществления модели 225 системы, и для других систем трубопроводов могут быть определены иные элементы языка XML. К тому же, как известно, документ на расширяемом языке гипертекстовой разметки (XML) организует элементы данных в иерархическую структуру, начинающуюся с одиночного корневого элемента. Каждый элемент может содержать один или большее количество подэлементов и/или атрибутов. На Фиг. 3A-3G каждый элемент представлен в виде помеченного прямоугольника, который может быть расширен для показа любых подэлементов.

Сначала на Фиг. 3A показан корневой элемент приведенной в качестве примера грамматики языка XML, начинающейся с модели 300 системы трубопроводов. Модель 300 системы трубопроводов содержит два подэлемента: элемент 335 "система трубопроводов" и элемент 330 "производственные установки". Прямоугольники расширения, показанные в левой части элемента 335 "система трубопроводов" и элемента 330 "производственные установки", указывают, что эти элементы данных могут содержать подэлементы. Кроме того, данные 305 "диапазон значений" могут указывать любые ограничения, налагаемые на количество элементов заданного типа в данной модели 300 системы. Таким образом, в этом примере модель данных для трубопровода содержит одну модель 300 системы (то есть один корневой элемент), один или два элемента 335 "система трубопроводов" и может содержать любое количество элементов 330 "производственные установки". На Фиг. 3B-3D более подробно проиллюстрирован элемент 330 "производственные установки", а на Фиг. 3E-3G более подробно проиллюстрирован элемент 335 "система трубопроводов".

На чертеже Фиг. 3B более подробно проиллюстрирован элемент 330 "производственные установки". Как показано на этом чертеже, элемент 330 "производственные установки" содержит элемент 337 "производственная установка". Элемент 337 "производственная установка" может отображать реальную (или предполагаемую) производственную установку, в которой производят вещество и вводят его в трубопровод. Элемент 330 "производственные установки" может содержать любое количество элементов 337 "производственная установка", представляющих производственные установки в данной модели данных. Пунктирные линии элемента 337 "производственная установка" использованы для обозначения того, что этот элемент не является обязательным для действительной модели 300 системы. Другими словами, может быть создан такой элемент 300 "модель системы", который не содержит каких-либо элементов 337 "производственная установка". Как показано на чертеже, каждый элемент 337 "производственная установка" содержит идентификатор 339 производственной установки и данные 341 о конкретном газе. Кроме того, каждый элемент 337 "производственная установка" может содержать подэлементы, отображающие установку 340 для разделения воздуха (УРВ). УРВ обычно является частью оборудования, используемого для очистки и получения O₂ или N₂ из атмосферного воздуха.

На Фиг. 3C проиллюстрированы подэлементы, которые могут быть определены для элемента 340 "УРВ", согласно описываемой грамматике языка XML, которая приведена в качестве примера. Как показано на чертеже, элемент 340 "УРВ" содержит элемент 341 "базовые характеристики оборудования". В этом примере элемент 341 "базовые характеристики оборудования" содержит подэлементы 343 для точного определения описания максимального потока, минимального потока, затрат на энергоснабжение и рабочего состояния УРВ 340. В дополнение к этому, элемент 340 "УРВ" может содержать набор коэффициентов 345, используемых для описания в уравнении для мощности, которое отображает УРВ 340. Как более подробно описано ниже, эти коэффициенты могут быть использованы как на этапе моделирования, так и на этапе оптимизации модели 225 системы трубопроводов.

На Фиг. 3D проиллюстрированы подэлементы, которые могут быть определены для элемента 341 "данные о конкретном газе", представляющие собой часть описываемой грамматики языка XML, которая приведена в качестве примера. Как показано на чертеже, элемент 341 "данные о конкретном газе" содержит элемент 342 "узел". Этот элемент модели данных может использоваться для указания того узла системы трубопроводов, в котором выход производственной установки входит в систему трубопроводов. Описание узлов как элемента системы 335 трубопроводов приведено ниже со ссылкой на Фиг. 3E. Ссылочная позиция 345 указывает, что экземпляр элемента 341 "данные о конкретном газе" в модели данных может содержать элементы одной из двух ветвей (или ни одной из двух ветвей). В этом примере элемент 341 "данные о конкретном газе" может содержать элемент "давление на входе" и модель 349 компрессора или элемент 350 "альтернативный источник поставок" и элемент 351 "затраты". Верхняя ветвь содержит элементы данных для элемента 347 "давление на входе" и для элемента 349 "компрессор", которые используют для описания характеристик оборудования, применяемого в конкретной установке для разделения воздуха. Нижняя ветвь иллюстрирует альтернативный источник поставок. В некоторых случаях вещество может быть куплено и содержаться в трубопроводе. В таком случае элемент 350 "альтернативный источник поставок" и элемент 351 "затраты" описывают характеристики альтернативного источника поставок. Например, элемент 350 "альтернативный источник поставок" может описывать источник поставок по контракту, обязывающему покупателя купить товар или выплатить неустойку, когда компания, эксплуатирующая трубопровод, платит за продукцию вне зависимости от того, является ли она фактически использованной в трубопроводе или нет. На фигуре показано, что элемент 350 "альтернативный источник поставок" является подэлементом элемента 330 "производственные установки", однако элемент 350 "альтернативный источник поставок" может являться подэлементом элемента 335 "система трубопроводов".

На Фиг. 3E проиллюстрирована структура верхнего уровня элемента 335 "система трубопроводов", представляющая собой часть описываемой грамматики языка XML, которая приведена в качестве примера. Как показано на фигуре, модель 300 системы трубопроводов может содержать либо один, либо два элемента 335 "система трубопроводов". Например, наличие двух элементов 335 "система трубопроводов" соответствует трубопроводу, показанному на Фиг. 1, который содержит обе сети трубопроводов: сеть трубопроводов газообразного кислорода (ГК) и сеть трубопроводов газообразного азота (ГА). Таким образом, для полного моделирования этой реальной системы трубопроводов, модель 300 системы трубопроводов содержит два элемента 335 "система трубопроводов", один для сети трубопроводов ГК, а другой для сети трубопроводов ГА. Кроме того, каждый элемент 335 "система трубопроводов" обычно содержит, по меньшей мере, один элемент 355 "трубопровод" и два элемента 353 "узел". Другими словами, простейшая система 335 трубопроводов содержит один элемент 355 "трубопровод", соединяющий два элемента 353 "узел".

На Фиг. 3F проиллюстрированы подэлементы элемента 353 "узел", представляющие собой часть описываемой грамматики языка XML, которая приведена в качестве примера. В одном из вариантов осуществления изобретения элемент 353 "узел" может быть охарактеризован множеством элементов данных. Как показано на фигуре, элемент 353 "узел" содержит элементы 359, описывающие скорость потока, температуру газа, плотность газа, фактическое давление, максимальное давление и минимальное давление, высотную отметку и координаты, определяющие относительное местоположение узла.

На Фиг. 3G проиллюстрированы подэлементы элемента 355 "трубопровод", представляющие собой часть описываемой грамматики языка XML, которая приведена в качестве примера. Как показано на чертеже, элемент 355 "трубопровод" содержит идентификатор 361 элемента. Элементы 355 "трубопровод" можно отличить один от другого, используя идентификатор 361. В одном из вариантов осуществления изобретения каждый элемент 355 "трубопровод" может использоваться для представления множества общих компонентов оборудования трубопровода, используемых для соединения двух элементов "узел".

Как проиллюстрировано на фигуре, элемент 355 "трубопровод" может использоваться для отображения одного из следующих элементов: трубопровода 360, вспомогательной компрессорной установки или компрессора 363, регулятора 365 давления, задвижки 367 или многоэлементного узла 369. Элемент 360 "трубопровод" обычно отображает трубопровод, соединяющий два узла. Кроме того, элемент 361 "трубопровод" может дополнительно характеризоваться подэлементами, описывающими размер, давление и т.д. Элемент 363 "вспомогательная компрессорная установка/компрессор" представляет собой элемент трубопровода, используемый для увеличения давления в трубопроводе. Кроме того, элемент 363 "вспомогательная компрессорная установка/компрессор" может дополнительно характеризоваться подэлементами, описывающими величину давления, которое может обеспечить элемент "вспомогательная компрессорная установка", стоимость эксплуатации этого элемента и т.д. Элемент 365 "регулятор давления" отображает элемент трубопровода, который регулирует давление между одной системой трубопроводов или одним элементом трубопровода и другой системой трубопроводов или другим элементом трубопровода. Элемент 367 "задвижка" отображает соединительный элемент узла, в котором вещество (материал) может быть перемещено между одной системой трубопроводов или одним элементом трубопровода и другой системой трубопроводов или другим элементом трубопровода.

Наконец, элемент 369 "интеллектуальные элементы, соединяющие узлы" ("интеллектуальные ЭСУ (NCE)") представляет собой элемент 360 трубопровода, который может принимать любую из множества конфигураций. Элемент "интеллектуальные ЭСУ" отображает те элементы в системе 300 трубопроводов, конфигурация которых может быть изменена для выполнения различных функций. Например, интеллектуальный ЭСУ может быть сконфигурирован таким образом, что он представляет собой любой из уже описанных элементов 361, 363, 365, 367 или их комбинации. Например, система трубопроводов, показанная на Фиг. 1, содержит интеллектуальные ЭСУ, которые могут быть сконфигурированы оператором трубопровода из центра дистанционного управления. Включение интеллектуальных ЭСУ в состав трубопровода обеспечивает возможность быстрого и дистанционного изменения конфигурации трубопровода для того, чтобы оператор трубопровода мог приспособиться к изменениям в работе трубопровода в соответствии с реальными условиями по мере их возникновения. Однако наличие элементов 369 "интеллектуальные ЭСУ" в задаче оптимизации трубопровода затрудняет решение этой задачи математическими способами без исчерпывающих проверок каждой из различных конфигураций интеллектуальных ЭСУ, так как всего лишь одно изменение в одном элементе 369 "интеллектуальное ЭСУ" может привести к резкому изменению гидравлических свойств трубопровода.

На Фиг. 4 проиллюстрирован набор модулей 240 ввода, которые могут содержаться в прикладной программе 210 оптимизации трубопроводов, показанной на Фиг. 2, согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения. В одном из вариантов осуществления изобретения модули 240 ввода могут быть сконфигурированы таким образом, что считывают описание трубопровода, требования пользователя, сведения о предпочтениях, предоставленные пользователем, и пользовательские конфигурации алгоритма оптимизации. Например, входные файлы 220, считанные модулем 410 ввода, могут содержать файл оптимизации, в котором указаны параметры оптимизации, например длительность цикла оптимизации, ограничения, которые должны соблюдаться при предоставлении решений, и сведения о том, следует ли считывать ранее сгенерированные решения и использовать их во время этого цикла оптимизации. Модуль 410 ввода также считывает входные файлы 220, которые описывают топологию трубопровода, состояние трубопровода и ограничения, налагаемые на эксплуатацию трубопровода. Как описано выше, входные файлы 220 могут быть представлены в формате XML, который приведен в качестве примера.

Модуль 415 проверки правильности данных может быть сконфигурирован таким образом, что производит проверку входных данных на наличие возможных ошибок и потенциально возможных проблем (например, того факта, действительно ли задача, представленная входными данными 220, не может быть решена без нарушения жесткого ограничения). Модуль 415 проверки правильности данных также может распознавать факт наличия множества проблем, связанных с входными данными 220, в том числе, например:

- наличие неправильных документов на языке XML (например, наличие нескольких корневых элементов или незамкнутых элементов);

- затраты на энергоснабжение для производственной установки являются меньшими или равными нулю;

- фактические или желательные значения давления в узле выходят за пределы минимального допустимого значения и максимального допустимого значения для элементов "узел";

- наличие несоответствий между наименованием узла и данными элемента "трубопровод";

- наличие дублирующих ссылок на идентификаторы во множестве элементов;

- наличие несоответствий в данных об элементе (например, элемент имеет одинаковые параметры из узлов и в узлы);

- наличие ошибок в трубопроводе (например, наличие разъединенных трубопроводов);

- недопустимая цель оптимизации (например, значения давления на выходе являются более высокими, чем значения давления на входе).

Конечно же, для обычного специалиста в данной области техники понятно, что могут быть выполнены дополнительные проверки правильности данных. В одном из вариантов осуществления изобретения в том случае, если модуль 415 проверки правильности данных определяет, что входные файлы 220 являются неправильными, то он может прекратить выполнение цикла оптимизации и уведомить пользователя о том, какая именно проблема была обнаружена. В альтернативном варианте в случае наличия условий, которые могут быть необычными, но могут являться допустимыми, например отрицательных затрат на энергоснабжение, модуль 415 проверки правильности данных может послать в интерфейс пользователя и в файл системного журнала выполнения цикла предупреждение, но необязательно прерывает выполнение цикла оптимизации.

Перед началом цикла оптимизации с использованием набора входных данных 220 модуль 420 предварительной обработки может выполнить несколько предварительных вычислений для повышения эффективности процедуры оптимизации. Например, модуль 420 предварительной обработки может поместить результаты большого объема вычислений в кэш-память для того, чтобы результаты этих вычислений могли быть извлечены в будущем по мере необходимости, вместо повторного их вычисления еще раз. Например, модуль 420 предварительной обработки может поместить в кэш-память оптимальные установочные параметры для конфигурации производственной установки с учетом набора целевых значений потока и давления, которые должны быть получены в производственной установке. Первоначальное вычисление оптимальных установочных параметров в этом случае может быть очень трудоемкими, но для последующих запросов на получение оптимальных установочных параметров (при условии, что целевые значения потока и давления являются теми же самыми) требуется только лишь время на поиск оптимального ответа в кэш-памяти.

На Фиг. 5 проиллюстрирован набор модулей 245 оптимизации, которые могут содержаться в прикладной программе 210 оптимизации трубопроводов, показанной на Фиг. 2, согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения. Как показано на фигуре, модуль 245 оптимизации содержит модуль 510 поиска решения, модуль 515 моделирования, модуль 530 прямой оптимизации давления, ПОД (DPO), и модуль 520 оценки. Модули 245 оптимизации могут быть сконфигурированы все вместе таким образом, что обеспечивают анализ и оценку модели 225 системы трубопроводов для идентификации качественных решений относительно эксплуатации трубопровода.

Модуль 510 поиска решения может быть сконфигурирован таким образом, что выполняет алгоритм оптимизации, используемый для оптимизации функционирования модели 225 системы трубопроводов, считанной модулями 240 ввода. В одном из вариантов осуществления изобретения модуль 510 поиска решения функционирует с использованием генетического алгоритма, представляющего собой процедуру (процесс) видоизменения (модифицирования) набора начальных решений (именуемого "совокупностью"), а побудительной причиной такого наименования явилась теория эволюции.

Обычному специалисту в данной области техники известно, что обычно генетический алгоритм обеспечивает генерацию совокупности пробных решений, каждое из которых подвергают оценке (для получения значения пригодности), и из лучших из них создают новое поколение (генерацию). В одном из вариантов осуществления изобретения оценку решения выполняет модуль 520 оценки. Процедуру продолжают на протяжении тысяч поколений (генерации) со следующей целью: совокупность должна "эволюционировать" таким образом, чтобы с течением времени она содержала лучшие решения. Генетический алгоритм представляет собой способ оптимизации, который иногда именуют "эволюцией в компьютере". Как правило, генетический алгоритм обеспечивает генерацию новых решений из текущей совокупности способами "мутации" и "скрещивания". Найденные наилучшие решения создадут больше потомства с большей вероятностью, чем наихудшие, и, таким образом, совокупность решений будет иметь тенденцию улучшаться во все большей и большей степени по ходу выполнения алгоритма.

Как правило, генетические алгоритмы представляют решение в виде строки цифровых символов (часто фиксированной длины), выбирая родительские элементы из текущей совокупности прямо пропорционально их пригодности (или в некотором приближение этого) и используя некоторый механизм "перехода", то есть обмена элементами между различными решениями, в качестве доминирующего средства создания новых элементов совокупности. Начальную совокупность решений обычно создают случайным образом или из некоторой известной начальной точки.

В одном из вариантов осуществления изобретения задача, которую решает генетический алгоритм, состоит в том, чтобы свести к минимуму сумму эксплуатационных расходов для каждого элемента в трубопроводе, в том числе для установок, а также сумму штрафных неустоек, наложенных в соответствии с решением, за нарушение мягких ограничений. Эксплуатационные расходы обычно содержат сумму затрат на все производственные установки и компрессоры, а большинством ограничений в системе трубопроводов являются жесткие ограничения. Решение является допустимым до тех пор, пока не будут нарушены жесткие ограничения. Следовательно, в общем случае "пригодность" заданного решения определяется фактическими эксплуатационными расходами в этом решении. Вариант осуществления операций, выполняемых модулем 510 поиска решения, проиллюстрирован на Фиг. 6, описание которой приведено ниже.

В таблице показан пример общей структуры решения относительно эксплуатации системы трубопроводов, показанной на Фиг. 1. Само собой разумеется, что для других систем трубопроводов решение будет содержать иные элементы, чем перечисленные ниже.

ТАБЛИЦА Решение, полученное посредством генетического алгоритма
Сеть трубопроводов ГК	Перечень потоков, протекающих через производственные установки
Перечень установленных значений давления для элементов, не являющихся трубопроводом, в обводных трубопроводах
Перечень вариантов выбора для интеллектуальных ЭСУ
Перечень известных значений давления, не заданных генетическим алгоритмом
Сеть трубопроводов ГА	Перечень потоков, протекающих через производственные установки
Перечень установленных значений давления для элементов, не являющихся трубопроводом, в обводных трубопроводах
Перечень вариантов выбора для интеллектуальных ЭСУ
Перечень известных значений давления, не заданных генетическим алгоритмом

В таблице перечислен набор переменных, которые контролирует модуль 245 оптимизации. Целью процедуры оптимизации является определение значения каждой из этих переменных. Например, перечень потоков, протекающих через производственные установки, может обеспечивать перечень потоков на выходе для каждого элемента "производственная установка", содержащегося во входных файлах 220. Перечень потоков, протекающих через производственные установки, не содержит сведений о потоке для любой производственной установки, поток через которую был задан пользователем. Любые значения давления, не заданные генетическим алгоритмом, могут быть установлены модулем 530 ПОД, как описано ниже. Перечень вариантов выбора для интеллектуальных ЭСУ отображает тот вид, который должен принимать каждый конфигурируемый элемент в данном решении, выбранный из допустимых конфигураций для этого элемента "интеллектуальный ЭСУ" (как описано выше, элемент 369 "интеллектуальные ЭСУ" может быть сконфигурирован таким образом, что выполняет различные функции в системе трубопроводов).

В одном из вариантов осуществления изобретения модуль 515 моделирования может быть сконфигурирован таким образом, чтобы обеспечивать сведения о функционировании трубопровода, исходя из конкретного решения. При этом при выполнении моделирования само решение может быть видоизменено. То, каким образом на основании решения выполняют моделирование и оценку трубопровода, описано ниже со ссылкой на Фиг. 7-9. Кроме того, в конце этого описания кратко изложен порядок работы всей системы, приведенной в качестве примера, где описаны операции, выполняемые во время цикла оптимизации, согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения. Теперь следует отметить, что модуль 245 оптимизации создает, видоизменяет и сохраняет решения этого вида, показанного в таблице, возвращая наилучшее найденное им решение, на этом цикл оптимизации завершают.

Модуль 515 моделирования может быть сконфигурирован таким образом, что после того, как модулем 510 поиска решения найдено решение, он выполняет моделирование работы сети трубопроводов. Во время моделирования решение, найденное модулем 510 поиска решения, преобразовывают в полную картину состояния трубопровода, которая является следствием конфигурации, определенной этим решением.

Модуль 520 оценки может быть сконфигурирован таким образом, что производит оценку решения. В одном из вариантов осуществления изобретения модуль 520 оценки может быть сконфигурирован таким образом, что оценивает стоимость эксплуатации моделируемого трубопровода, в том числе любые необязательные штрафы за нежелательное функционирование. Примером штрафов, оценка которых может быть выполнена для решения, являются штрафы за излишние выбросы газов в атмосферу в эксплуатационном объекте. Такие штрафы могут быть выражены в долларах и добавлены к расходам на эксплуатацию трубопровода. В одном из вариантов осуществления изобретения модуль 520 оценки выдает общую сумму эксплуатационных расходов для решения в виде суммы эксплуатационных расходов на каждый из компонентов трубопровода, в том числе на производственные установки и на их оборудование. Как правило, чем меньше общая сумма затрат для решения, тем большей является "пригодность" решения для его использования генетическим алгоритмом, который выполняется модулем 510 поиска решения.

На Фиг. 6 проиллюстрирован способ 600 оптимизации аспектов эксплуатации системы трубопроводов согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения. Способ 600 начинается с выполнения операции 610, при которой модуль 510 поиска решения считывает условия завершения, определенные входными файлами 220. Если определено более одного условия, то система оптимизации завершает работу в тот момент, когда выполнено любое из этих условий. В одном из вариантов осуществления изобретения условиями завершения являются в том числе следующие условия: количество сгенерированных решений достигло максимального значения, количество затраченного времени достигло максимального значения или найдено решение, уровень качества (или пригодность) которого превышает заданный уровень. В дополнение к этому, интерфейс пользователя 260 может предоставлять пользователю возможность останавливать цикл оптимизации вручную (например, путем ввода команды прерывания с клавиатуры). Хотя это условие и не содержится во входном файле 220, но прикладная программа 210 оптимизации может периодически проверять выполнение этого условия во время цикла оптимизации.

При операции 620 модуль 510 поиска решения инициализирует цикл оптимизации. Эта операция может содержать, например, операцию создания областей кэш-памяти, операцию инициализации оптимизатора производственной установки, операцию создания структур данных, используемых модулем 510 поиска решения, и т.д. При операции 630 модуль 510 поиска решения создает набор начальных решений для генетического алгоритма. Другими словами, модуль 510 поиска решения создает "совокупность" решений для эволюции генетического алгоритма путем видоизменения и селекции.

В одном из вариантов осуществления изобретения модуль 510 поиска решения создает первую группу начальных решений на основании интеллектуальной эвристики и осуществляет генерацию второй группы начальных решений по случайному закону. Обычно эвристика представляет собой эмпирическое правило, которое часто хорошо работает для достижения желательного результата, например обеспечивая уменьшение затрат при одновременном сохранении желательного уровня производительности. Эвристика часто основана на предшествующем опыте. Примером эвристики, используемой в модуле 510 поиска решения, является следующий пример: "Если давление в области трубопровода не является ни максимальным, ни минимальным, то рассматривают вариант повышения или понижения давления, если это снижает затраты и улучшает функционирование в соседних областях трубопровода".

Для генерации первой группы начальных решений модуль 510 поиска решения создает множество "интеллектуальных начальных решений" на основании эвристики генерации решения, подобной той, которую мог бы использовать человек. Например, первая группа решений может содержать решение, в котором все значения давления и потоков установлены максимальными, с эвристикой исправлений, регулирующей значения давления в сторону уменьшения приемлемыми способами, не выходя за пределы ограничений по давлению в трубопроводе. Это начальное решение может хорошо работать для получения хорошего решения в том случае, когда требуется высокое давление. Другое "интеллектуальное начальное решение" может содержать решение, в котором все значения давления и потоков установлены минимальными, с эвристикой, регулирующей значения давления в сторону увеличения приемлемыми способами, не выходя за пределы ограничений по давлению для потребителя. Это начальное решение может хорошо работать для получения хорошего решения в том случае, когда центральной задачей решения является удовлетворение потребностей наиболее важных заказчиков, поскольку эвристика, увеличивающая давление, стремится учитывать потребности самых важных заказчиков при увеличении значений давления. Еще одно "интеллектуальное начальное решение" содержит решение, в котором все значения давления и потоков установлены в середине допустимого диапазона для того, чтобы при последующей оптимизации могли быть найдены лучшие решения путем смещения этих значений давления либо в сторону максимальных значений, либо в сторону минимальных значений в пределах их интервала значений.

Кроме того, первая группа может содержать группу решений, указанных во входных файлах 220, в случае их наличия. Это дает пользователю возможность предоставлять в модуль 510 поиска решения типовые решения, отличающиеся от решений, упомянутых выше. Например, если имеется база данных, содержащая решения прежних задач, то может быть использован алгоритм установления соответствия для установления соответствия текущего состояния трубопровода и предъявляемых к нему требований с прежним состояниям, и в этом случае может оказаться целесообразным ввести в начальную совокупность в качестве начального решения решение для одного или для большего количества предшествующих состояний, аналогичных текущему состоянию.

В дополнение к первой группе начальных решений модуль 510 поиска решения может также осуществлять генерацию группы решений, сгенерированных по случайному закону, которые удовлетворяют ограничивающим условиям, указанным во входных файлах 220, для заполнения совокупности решений. Эта совокупность решений обеспечивает большую часть разнообразия, которое позволяет генетическому алгоритму исследовать большое множество разнообразных решений в начале процедуры оптимизации.

При операции 640 модуль 510 поиска решения осуществляет генерацию новых решений. Как указано выше, в одном из вариантов осуществления изобретения модуль поиска решения сконфигурирован таким образом, что создает новые решения путем выполнения генетического алгоритма с использованием совокупности начальных решений, сгенерированных при операции 630. Обычно предполагают, что генетический алгоритм функционирует таким образом, что обеспечивает "эволюцию" совокупности начальных решений на протяжении более чем многих тысяч поколений, осуществляя генерацию новой совокупности в каждом поколении. Кроме того, на Фиг. 7, описание которой приведено ниже, подробно проиллюстрирован вариант осуществления действий, выполняемых как часть операции 630.

После того как операция 630 завершена, модуль 245 оптимизации обычно имеет множество сгенерированных решений. При операции 650 определяют решение, являющееся наилучшим в совокупности на текущий момент времени (то есть то решение, которое обеспечивает наименьшие эксплуатационные расходы), и выполняют его обработку. В одном из вариантов осуществления изобретения решение, идентифицированное как наилучшее решение, может быть передано в подпрограммы дополнительной оптимизации. Например, может быть запущена программа оптимизатора производственной установки для проверки решения на допустимость конфигураций производственной установки, определенных в решении, и для определения того, может ли быть легко выявлена возможность дальнейшей оптимизации этих конфигураций. При операции 660 возвращают решение, идентифицированное как наилучшее, генерация которого осуществлена во время цикла оптимизации. Например, модуль 250 вывода может быть сконфигурирован таким образом, что осуществляет генерацию выходных файлов 255.

На Фиг. 7 проиллюстрирован способ 700 нахождения оптимизированного решения для эксплуатации системы трубопроводов согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения. В одном из вариантов осуществления изобретения для того, чтобы найти высокоэффективное решение задачи оптимизации трубопровода, способ 700 может выполняться снова и снова, в стандартном цикле оптимизации - десятки тысяч раз. Во время каждого однократного выполнения способа 700 модуль 510 поиска решения осуществляет генерацию, по меньшей мере, одного нового решения из набора решений, имеющихся в совокупности на текущий момент времени. Начальную совокупность создают как часть описанного выше способа 600.

При операции 710 производят выбор способа видоизменения решения. В классическом генетическом алгоритме способы видоизменения решения являются случайными по своей сущности, например в них изменяют значения давления на некоторую малую процентную долю, но поиск лучших решений при наличии случайных изменений не является столь же быстрым или эффективным, как поиск с направленной эвристикой. Соответственно, в одном из вариантов осуществления изобретения модули 245 оптимизации могут быть сконфигурированы таким образом, что для видоизменения решения они производят выбор из нескольких неэвристических (то есть случайных) и эвристических (то есть неслучайных) способов, в том числе из следующих способов.

- Случайное изменение. В этом способе видоизменения осуществляют генерацию случайной мутации одного параметра в решении.

- Перемещение производства. В этом способе видоизменения производство перемещают из той производственной установки, где оно является дорогостоящим, в производственную установку, где оно является более дешевым.

- Уменьшение выбросов в атмосферу. В этом способе видоизменения производят поиск тех установок, которые производят выброс газов в атмосферу, проверяют сумму штрафов за выбросы в атмосферу и производят поиск способов изменения объемов производства на одной из этих установок.

- Изменение конфигурации интеллектуального ЭСУ. В этом способе видоизменения определяют, может ли видоизменение реконфигурируемых элементов улучшить эксплуатационные параметры решения. Если это так, то выбирают допустимое изменение конфигурации интеллектуального ЭСУ. Эта эвристика использует некоторые из способов, которые человек, являющийся экспертом по трубопроводам, использовал бы для принятия решения о том, следует ли изменить конфигурацию реконфигурируемого компонента трубопровода или нет.

- Отключение производственной установки. Эта эвристика определяет те решения, в которых отключение производственной установки могло бы привести к экономии денег. Например, если себестоимость производства на одной производственной установке очень высока, то отключение этой производственной установки и перемещение производства на другие производственные установки могут улучшить пригодность решения.

- Включение производственной установки. Эта эвристика идентифицирует те решения, в которых производственную установку приводят в действие тогда, когда ее включение может принести выгоду. Новое решение может быть создано путем выбора варианта включения бездействующей производственной установки. В этом способе могут быть использованы некоторые умозаключения, которые человек, являющийся экспертом по трубопроводам, использовал бы для принятия решения о том, какие именно производственные установки намечены для включения.

- Скрещивание двух решений. Эта эвристика выбирает два решения и создает новое решение путем скрещивания двух исходных решений. Для создания нового решения объединяют различные части двух исходных решений. Например, два перечня значений параметров, которые содержат первую часть этих двух решений, могут быть использованы для определения по случайному закону, поле за полем, того, какое именно из двух исходных решений вносит его значения в качестве вклада в новое решение. Это решение обеспечивает возможность рекомбинации эффективных элементов двух различных решений друг с другом.

В одном из вариантов осуществления изобретения во время прохода через этот цикл оптимизации может быть выбран любой из этих (или иных) способов. В дополнение к этому, способы видоизменения могут быть выбраны на вероятностной основе с использованием значений вероятности, заданных по умолчанию, или с использованием значений вероятности, указанных во входных файлах 220. Таким образом, несмотря на то что имеется вероятность выбора любого способа видоизменения, некоторые из них могут иметь более высокие значения вероятности, чем другие. Задание значений вероятности является вопросом, зависящим от экспериментальных данных и от анализа типов решений, создаваемых оптимизатором для данного трубопровода.

При операции 720 из текущей совокупности решений выбирают одно или большее количество решений для их видоизменения согласно способу видоизменения, выбранному при операции 710. После того как способ видоизменения выбран, определяют, какое количество решений: одно или два, требуется в качестве входных данных. В большинстве описанных выше способов видоизменения требуется только одно решение, но, например, для видоизменения путем скрещивания требуется два решения.

В одном из вариантов осуществления изобретения решения из общей совокупности решений выбирают с использованием способа, иногда именуемого способом "колесо рулетки с упорядочением". Этот способ описан как способ "с упорядочением", поскольку в нем выполняют сортировку решений из совокупности решений в виде перечня, упорядоченного начиная с наилучшего решения и заканчивая наихудшим решением. Затем в этом способе каждому решению из перечня присваивают весовой коэффициент. Эти весовые коэффициенты уменьшаются по линейному закону. Например, при коэффициенте уменьшения, равном 10, и начальном весовом коэффициенте, равном 100, первые 12 элементов совокупности имеют следующие весовые коэффициенты: 100, 90, 80, 70, 60, 50, 40, 30, 20, 10, 1, 0,5, . Эти весовые коэффициенты используют для смещения процедуры выбора таким образом, чтобы вероятность выбора наилучших отдельных решений была более высокой, чем вероятность выбора наихудших решений. Метафорой является колесо рулетки с лункой для каждого элемента совокупности. Однако эти ячейки имеют неодинаковый размер. Размер лунки для каждого решения является пропорциональным его весовому коэффициенту, вычисленному так, как описано выше. Когда колесо рулетки настроено таким способом, то пускают по кругу компьютеризированный шар и выбирают то отдельное решение, в лунку которого попал шар. Когда необходимо выбрать решение, то вероятность выбора наилучшего отдельного решения из совокупности, имеющего весовой коэффициент и размер щели, равные 100, является в 100 раз более высокой, чем вероятность выбора наихудшего отдельного решения, имеющего весовой коэффициент и размер щели, равные 1. Эта процедура выбора с весовыми коэффициентами соответствует понятию "выживание самого приспособленного" в теории естественного отбора, которое заключается в том, что существует следующая тенденция: наилучших особей выбирают для воспроизведения чаще, чем наихудших.

При операции 730 выбранный способ видоизменения решения используют для создания нового решения. При этой операции способа 700 выбранное решение клонируют для создания нового решения, идентичного исходному решению. Затем к новому решению применяют процедуру видоизменения таким образом, чтобы оно представляло собой видоизмененную версию исходного решения. Некоторые из видоизменений являются очень малыми, например небольшое изменение давления в одном месте в трубопроводе. А некоторые из видоизменений являются весьма существенными, например изменяют конфигурацию реконфигурируемого компонента трубопровода от задвижки до вспомогательной компрессорной установки или компрессора.

Решение клонируют таким образом, чтобы в совокупности могли быть сохранены оба решения: "клон" и его "родитель". Если видоизменение является хорошим, то в конечном счете "родитель", вероятно, будет удален из совокупности, в то время как новое решение и его потомки содержатся в совокупности. Если видоизменение создает плохое решение, то в таком случае новое решение, вероятно, будет удалено из совокупности, в то время как исходное решение сохраняется, и существует потенциальная возможность того, что оно будет видоизменено для создания других новых решений.

При операции 740 выполняют моделирование функционирования нового решения. В качестве части этой операции новое решение используют для создания полного моделирования состояния трубопровода, являющегося следствием этого решения. В дополнение к этому, может быть применена процедура линейной оптимизации с использованием модуля 530 прямой оптимизации давления (ПОД). Моделирование решения, созданного при операции 740, описано ниже со ссылкой на чертежи Фиг. 8 и Фиг. 9.

При операции 750 производят оценку "пригодности" моделируемого трубопровода, полученной из нового решения. Как описано выше, модуль 520 оценки может быть сконфигурирован таким образом, что вычисляет затраты (то есть количественный показатель пригодности или оценки) для нового решения. При операции 760 новое решение добавляют в совокупность. В одном из вариантов осуществления изобретения совокупность решений сохраняют в отсортированном порядке следования, поэтому новое решение размещают в соответствии с его оценкой. При операции 770 наихудший (то есть наименее пригодный) элемент совокупности удаляют из совокупности. Таким образом, во время процедуры оптимизации размер совокупности может оставаться постоянным. При операции 780 модуль 510 поиска решения определяет, выполнено ли какое-либо из условий завершения. Если оно выполнено, то процедуру оптимизации завершают и управление возвращают к операции 650 способа 600. В противном случае способ 700 повторяют для создания другого нового решения (то есть совокупность проходит через еще одно поколение (генерацию)).

На Фиг. 8 проиллюстрирован способ моделирования работы системы трубопроводов согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения.

При операции 810 способ 800 содержит фазу распространения потока. На этой фазе модуль 515 моделирования использует значения давления на входе, установочные параметры элемента и известные уравнения движения потока и уравнения гидравлики, выбранные пользователем, для вычисления потоков во всем трубопроводе на основании введенного решения. В одном из вариантов осуществления изобретения моделирование распространения потока выполняют согласно узловому алгоритму Ньютона (Newton Nodal algorithm), описанному в книге Анжея Осядача (Andrzej Osiadacz) "Simulation and Analysis of Gas Networks". Используя этот алгоритм, потоки могут быть вычислены на основании известных значений давления, установочных параметров и конфигураций для различных элементов оборудования в трубопроводе, заданных входными файлами 220. После того как было вычислено первое распространение потока, модуль 515 моделирования может определить, имеются ли какие-нибудь нарушения потока в системе (например, недостаточные объемы потоков к местам, где находятся заказчики, и т.д.). Если обнаружены нарушения потока, то модуль 515 моделирования замечает этот факт и прекращает дальнейшее моделирование решения, поскольку отсутствует необходимость в продолжении построения и оптимизации моделирования трубопровода, так как известно, что нарушено жесткое ограничение. В конце этапа моделирования распространения потока система отмечает, какой объем потока проходит через каждый компонент трубопровода.

При операции 820 модуль 515 моделирования использует потоки, вычисленные на этапе моделирования распространения потока (при операции 810), для определения давления в каждом элементе, имеющемся в трубопроводе. В одном из вариантов осуществления изобретения определение значений давления представляет собой итерационный процесс и также может быть основан на алгоритмах, изложенных в книге Осядача (Osiadacz), ссылка на которую приведена выше. Следует отметить, что вычисление давления выполняют способами итерационной матричной оптимизации и линейного программирования. Как известно, линейное программирование представляет собой математическую процедуру для минимизации или максимизации линейной функции нескольких переменных, при условии, что на эти переменные наложено конечное количество линейных ограничений.

Модуль 515 моделирования замечает любые недопустимые значения давления, то есть те значения давления, которые, например, превышают максимальное допустимое давление в некотором элементе. Если определено наличие каких-либо недопустимых значений давления, то модуль 515 моделирования продолжает процедуру построения для моделирования (это необходимо для продолжения построения и оптимизации моделирования трубопровода, поскольку недопустимые значения давления могут быть исправлены во время этого модулем 530 ПОД). В конце первого этапа распространения давления модуль 515 моделирования отмечает давление в потоке и значения скорости потока, протекающего через каждый компонент трубопровода.

Модуль 530 ПОД может быть сконфигурирован таким образом, что при операции 830 выполняет алгоритм прямой оптимизации давления (ниже именуемый как "ПОД") для уменьшения значений давления везде, где это возможно. Обычно алгоритм ПОД уменьшает степень оптимизации, необходимой для системы, и, следовательно, резко уменьшает время, требуемое для процедуры оптимизации, до одного раза. В дополнение к этому, модуль ПОД может быть сконфигурирован таким образом, что улучшает качество решения за счет гарантированного обеспечения минимального давления, возможного для всего трубопровода.

Действие модуля 530 ПОД основано на понимании того, что оптимизация системы трубопроводов может быть резко упрощена в том случае, если генетический алгоритм определяет только лишь потоки и распределение потоков для решения, при этом, после того как потоки распределены, используют более простой, прямой подход для оптимизации значений давления. Фиг. 9, описание которой приведено ниже, содержит подробное описание варианта осуществления алгоритма оптимизации типа ПОД, который может выполняться модулем 530 ПОД.

Способ 800 содержит второй этап распространения давления, выполняемый при операции 840. На второй фазе распространения давления модуль 515 моделирования использует значения давления, вычисленные на фазе выполнения алгоритма ПОД, для определения давления в каждом элементе в трубопроводе. В одном из вариантов осуществления изобретения определение значений давления на этом этапе реализовано теми же самыми способами, которые были использованы на первом этапе распространения давления. Выходными данными второго этапа распространения давления является давление в каждом элементе трубопровода.

Способ 800 содержит фазу глобальной проверки на наличие нарушений, выполняемую при операции 850. Модуль 515 моделирования может быть сконфигурирован таким образом, что при этой операции распознает любые нарушения, связанные с давлением в системе трубопроводов, например те значения давления для элементов, которые выходят за пределы допустимых значений. Если обнаружены какие-либо подобные нарушения, то система замечает эти нарушения и выходит из процедуры моделирования.

В одном из вариантов осуществления изобретения в итоге гидравлического моделирования трубопровода произошло следующее: давление и поток для каждого элемента в системе были установлены допустимым с точки зрения гидравлики способом, и было принято решение, что результат моделирования удовлетворяет всем ограничениям, или же в том случае, когда было замечено, что моделирование неспособно обеспечить это, некоторые из значений давления в системе были отрегулированы посредством алгоритма ПОД; были определены значения давления и потоков в каждой из установок.

Способ 800 может содержать этап оптимизации производственной установки, выполняемый при операции 860. При этой операции модуль 245 оптимизации использует значения давления и потоков для каждой производственной установки и определяет эффективный путь для того, чтобы каждая производственная установка создавала такие значения давления и потоков, которые были определены для нее на предшествующих этапах процедуры моделирования. Подробное описание процедуры оптимизации производственной установки приведено ниже.

Другими словами, операция 860 содержит операцию поиска низкозатратной конфигурации для каждой производственной установки, удовлетворяющей требованиям для этой производственной установки, для генерации таких значений давления и потока, которые определены решением. Например, для конфигурирования установок таким образом, чтобы они создавали требуемые уровни давления и потока, модуль 245 оптимизации может быть сконфигурирован таким образом, что выполняет алгоритм поиска методом "в лоб". Этот способ может быть полезным для тех моделей системы установок, которые содержат менее двух УРВ и два компрессора (всего менее четырех), и в этом случае для поиска всех возможных конфигураций может быть использован алгоритм поиска решения "в лоб".

Однако, по мере того как модели установок становятся более сложными, количество возможных конфигураций может быстро стать слишком большим, чтобы поиск решения методом "в лоб" мог быть выполнен за приемлемое время. В этом случае для конфигурирования установок таким образом, чтобы они создавали значения давления и потоки, определенные решением, может быть использован алгоритм исправления. Алгоритм исправления обычно начинается с того, что каждое устройство (например, каждая УРВ и компрессор) работает на максимуме. Он сортирует устройства в порядке убывания по затратам на производство единицы продукции. Затем он отключает каждый элемент из перечня по порядку до тех пор, пока объем производства не снизится до желательного уровня. Что касается последнего устройства, то вместо его отключения может быть уменьшена его производительность. Если минимальный требуемый уровень производительности для последнего устройства превышает требуемый уровень, то выполнение алгоритма повторяют, производя поиск устройств с наиболее высокими затратами для их отключения, чтобы снизить производительности до желательного уровня.

После того как операция 860 завершена, давление и поток для каждого элемента в трубопроводе являются известными, и конфигурация каждой производственной установки для создания значений ее давления и потоков также является известной. Важно отметить, что многие из значений давления, управляемые оптимизатором, могут отличаться от значений давления в исходном решении. Эти различия возникают, например, из-за снижения значений давления вследствие применения алгоритма ПОД или иных локальных процедур оптимизации.

По-видимому, описанный выше способ 800 мог бы выполняться большое количество раз в том случае, если решения, генерируемые генетическим алгоритмом, содержат идентичные требования к потоку для данной производственной установки. Следовательно, в одном из вариантов осуществления изобретения решения, полученные посредством описанной выше процедуры, добавляют в кэш-память, доступ к которой осуществляют при каждом выполнении операции 860. Если кэш-память содержит решение, которое уже было получено для задачи, аналогичной текущей задаче, то вместо повторения процедуры оптимизации производственной установки используют решение, помещенное в кэш-память. После процедуры оптимизации производственной установки процедуру моделирования завершают и в последовательности операций обработки возвращаются к выполнению операции 750 способа 700, при которой может быть произведена оценка только что сгенерированного и оптимизированного решения. После оценки решение может быть включено в состав общей совокупности решений, операции с которыми выполняют посредством описанной выше процедуры генетического алгоритма.

На Фиг. 9 проиллюстрированы операции, выполняемые модулем 530 прямой оптимизация давления, согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения. Способ 900 начинается с операции 910, при которой модуль 530 ПОД вычисляет потоки через все элементы трубопровода и "узловые" потоки (то есть поток в трубопровод или из него) в любых узлах потока. В этот момент решение, генерация которого осуществлена посредством генетического алгоритма, уже имеет выбранные значения для всех переменных потока и давления, которые оно оптимизирует. При операции 910 значения давления в узле давления, которые оптимизируют посредством алгоритма ПОД, устанавливают равными некоторым фиксированным значениям на основании предельных значений давления: минимального значения давления и максимального значения давления.

Затем выполняют операцию 920, при которой гидравлическая модель распространяет значения давления в узлах, определяя значения давления во всех элементах "узел" трубопровода. При операции 930 модуль 530 ПОД оптимизирует узлы давления в конкретном порядке. В одном из вариантов осуществления изобретения в алгоритме ПОД осуществляют генерацию структуры данных ориентированного графа, где вершины отображают подсети в трубопроводе, а ориентированные ребра отображают соединительные элементы, при этом направления ребер являются противоположными направлению потока газа в соединительном элементе; то есть ребра указывают направление требуемого градиента давления через соединительный элемент.

Используемый здесь ориентированный граф именуют графом зависимости давления, ГЗД (PDG), поскольку давление в каждом отдельном узле зависит от ребер, выходящих из этого узла. Следует отметить, что ГЗД изменяется, когда направление потока в трубопроводе может зависеть от конфигураций интеллектуального ЭСУ (то есть интеллектуальный ЭСУ может быть способен вызвать протекание потоков в различных направлениях в системе трубопроводов в зависимости от ее конфигурации). Вследствие этого в одном из вариантов осуществления изобретения модуль 530 ПОД выполняет кэширование ГЗД для каждой возможной архитектуры трубопровода, которая может являться следствием различных конфигураций интеллектуального ЭСУ. Если ГЗД является нециклическим (то есть ГЗД не содержит циклов), то значения давления могут быть сведены к минимуму за один проход.

При операции 940 модуль 530 ПОД сортирует перечень узлов давления, подлежащих прямой оптимизации, в соответствии с частичным упорядочением, указанным ГЗД. Например, если ГЗД является нециклическим, то наличие ориентированного ребра от вершины a к вершине b указывает, что алгоритм ПОД должен выполнить оптимизацию давления в подсети с вершиной a до того, как будет производиться оптимизация давления в подсети, содержащей вершину b. Затем модуль 530 ПОД оптимизирует значения давления, выполняя прямую оптимизацию давления для узлов давления в порядке, который задан отсортированным перечнем узлов давления.

При операции 950 для каждой подсети и для каждого узла давления в подсети, имеющихся в ГЗД, модуль 530 ПОД выполняет итерации по всем узлам в этой подсети и отслеживает минимальную обобщенную разность давления или перепад давления (headroom) для этой подсети.

При операции 960 модуль 530 ПОД вычисляет минимальное давление для каждого узла в подсети. При операции 970, выполняемой после итераций по узлам подсети, модуль 530 ПОД регулирует давление в узле давления подсети, уменьшая фактический минимальный перепад давления в подсети до 0,01 фунта на квадратный дюйм (PSI). Например, для сети высокого давления давление может быть задано следующим уравнением: , где - оптимизированное давление в узле давления, - начальное давление в узле давления, а - обобщенная минимальная разность давления.

Затем выполняют операцию 980, при которой модуль 530 ПОД распространяет вновь оптимизированное давление в узле давления по всей подсети. При операции 990 модуль 530 ПОД пересчитывает значения давления для любых неизвестных параметров элементов в подсети. После того как модуль 530 ПОД заканчивает выполнение способа 900, в последовательности операций обработки возвращаются к выполнению 830 способа 800.

В итоге выполнения способа 900 некоторые из значений давления в решении могли быть уменьшены, при этом по-прежнему сохраняется требуемая производительность (то есть выполнены все условия жестких ограничений).

Краткое описание порядка работы всей системы, приведенной в качестве примера

В одном варианте осуществления изобретения система 200 оптимизации выполняет описанные ниже операции для решения задачи оптимизации трубопровода. Приведенное ниже краткое описание в целом соответствует способам, проиллюстрированным на чертежах Фиг. 6-9, с использованием вводимых данных и модулей, показанных на Фиг. 3-5.

1. Подготавливают входные файлы 220, это выполняет либо пользователь путем редактирования входных файлов 220, либо это выполняют путем генерации входных файлов 220 из базы 215 данных о состоянии трубопровода.

2. Модуль 410 ввода данных считывает данные из входных файлов 220 и создает требуемые структуры для хранения данных, считанных этим модулем.

3. Модуль 415 проверки правильности данных проверяет правильность файлов входных данных, создавая журнал регистрации любых данных, которые потенциально могут быть неправильными.

4. Модуль 420 предварительной обработки инициализирует оптимизацию (например, путем анализа возможности соединения сети трубопроводов, представленной посредством входных файлов 220, путем создания структур данных для подсети и т.д.).

5. Модуль 510 поиска решения считывает условия завершения.

6. Модуль 510 поиска решения инициализирует структуры, которые будут использованы им во время процедуры оптимизации.

7. Модуль 510 поиска решения осуществляет генерацию начальной совокупности решений с использованием обеих процедур: процедуры эвристической генерации начального решения и процедуры генерации решения по случайному закону.

8. Модуль 510 поиска решения выполняет моделирование и производит оценку каждого из решений из его начального набора решений.

9. Модуль поиска решения повторяет описанную ниже последовательность операций внутреннего цикла до тех пор, пока не будут выполнены условия, являющиеся критериями ее завершения:

a. Модуль 510 поиска решения выбирает способ видоизменения решения.

b. Модуль 510 поиска решения выбирает такое количество решений, которое требуется для способа видоизменения решения, - обычно это количество равно либо одному, либо двум.

c. Модуль 510 поиска решения осуществляет генерацию нового решения (или новых решений) путем копировании выбранного решения (выбранных решений).

d. Модуль 510 поиска решения применяет способ видоизменения для нового решения.

e. Модуль 515 моделирования моделирует гидравлические характеристики нового решения. В одном из вариантов осуществления изобретения эта процедура может содержать следующие операции:

i. Модуль 515 моделирования распространяет поток по всему трубопроводу на основании параметров, определенных в решении. При наличии каких-либо нарушений потока модуль 515 моделирования прерывает текущий цикл.

ii. Модуль 515 моделирования выполняет первый цикл распространения давления.

iii. Модуль 530 прямой оптимизации давления (ПОД) выполняет алгоритм прямой оптимизации давления, возможно, изменяя некоторые из значений давления некоторых элементов трубопровода. В одном из вариантов осуществления изобретения эта процедура может содержать следующие операции:

aa. Модуль 530 ПОД вычисляет все потоки.

bb. Модуль 530 ПОД распространяет значения давления в узле.

cc. Модуль 530 ПОД создает граф зависимости давления.

dd. Модуль 530 ПОД сортирует узлы давления.

ee. Модуль 530 ПОД вычисляет обобщенную разность значений давления для каждой подсети.

ff. Модуль 530 ПОД вычисляет минимальное давление для каждой подсети.

gg. Модуль 530 ПОД уменьшает, где это возможно, давление в узле давления для каждой подсети.

hh. Модуль 530 ПОД распространяет значения давления по каждой подсети.

ii. Модуль 530 ПОД пересчитывает значения давления для неизвестных параметров элементов для каждой подсети.

iv. Модуль 515 моделирования выполняет второй цикл распространения давления. При наличии каких-либо нарушений, связанных с давлением, модуль 515 моделирования прерывает текущий цикл.

v. Модуль 515 моделирования выполняет глобальную проверку ограничений, наложенных на давление. При наличии каких-либо глобальных нарушений ограничений модуль 515 моделирования прерывает текущий цикл.

vi. Модуль 515 моделирования конфигурирует каждую производственную установку таким образом, чтобы она могла создавать давление и поток, определенные в решении, наиболее экономичным способом.

f. Модуль 520 оценки производит оценку функционирования нового решения и связывает эту оценку с новым решением.

g. Новое решение вводят в состав совокупности.

h. Наихудшее решение удаляют из этой совокупности.

i. Модуль 510 поиска решения определяет, следует ли ему завершить работу. Если ему следует завершить работу, то модуль 510 поиска решения переходит в заключительный этап процедуры. В противном случае модуль 510 поиска решения возвращается к выполнению вышеупомянутой операции a и снова выполняет последовательность операций внутреннего цикла.

10. После того как модулем 515 моделирования завершена последовательность операций внутреннего цикла, определяют то решение из совокупности, которое является наилучшим на текущий момент времени.

11. Для найденного наилучшего решения применяют подпрограммы постобработки.

12. Модуль 250 вывода осуществляет генерацию отчетов, описывающих выполнение цикла в системе, найденное наилучшее решение и любые другие интересующие характеристики выполнения цикла.

Выше было приведено описание предпочтительных способов и устройств для практической реализации настоящего изобретения. Для квалифицированного специалиста в данной области техники понятно и очевидно, что может быть сделано множество изменений и видоизменений описанных выше вариантов осуществления изобретения, не отступая от сущности и объема патентных притязаний настоящего изобретения. Понятно, что вышеизложенное описание приведено исключительно в пояснительных целях и что могут быть использованы иные варианты осуществления интегрированных процедур и устройств, не отступая от истинного объема патентных притязаний настоящего изобретения, определяемого приведенной ниже формулой изобретения.