CN115879324A - 城市燃气多级管网的仿真方法、仿真平台和介质 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及一种城市燃气多级管网的仿真方法、仿真平台和介质。提供操作权限依次降低的一级到三级***。验证用户操作权项。对于一级权限，用一级***建立城市主干模型，进行仿真分析得到各个主干节点的仿真数据。对于二级权限，用二级***，建立辖区模型；获取城市主干模型中对应的主干节点的仿真数据，利用其作为边界条件进行仿真分析以得到辖区节点的仿真数据。对于三级权限，用三级***，建立管理单元模型；获取辖区模型中对应的辖区节点的仿真数据，利用其作为边界条件进行仿真分析以得到管理单元节点的仿真数据。如此，能依城市燃气管网的分层管理架构进行嵌套分级仿真和运行，跨级充分利用各级管网数据，高效整体调控并显著降低计算成本。
Description
技术领域
本申请涉及一种用于城市公共设施管网的建模仿真方法、建模仿真***和介质，更具体地涉及一种城市燃气多级管网的仿真方法、仿真平台和介质。
背景技术
城市燃气管网错综复杂，包含了不同压力、管径、设备信息、监控***信息。为了方便管理，通常会为城市燃气管网建立GIS（地理信息***）***，以便将管网、阀门、闸井、建设年代、材质等信息进行统一管理。燃气企业虽然开始统一采购仿真软件，但通常着重对城市的主干管和主要环路进行仿真模拟分析。
大型城市管网压力级别复杂，通过多级管网中的门站、管网、储气设施、调压站箱、闸井、管理设施及监控***输送到末端用户。如果要对大型城市的从主干到小区级别的分支的管网***进行一体化的计算，则计算节点非常多，监控***的数据纷繁复杂，在仿真交互界面背后需要对数据大量的处理，一体化的计算负荷很大，导致仿真速度很慢，而且对处理器的硬件要求和算力要求极高。
虽然城市下的一些辖区的管理单位也会购买一些燃气管网管理软件，但和主干管网的仿真平台是割裂的，受限于本地的算力和数据资源，只能进行辖区内的粗糙简单的仿真模拟。
发明内容
提供了本申请以解决现有技术中存在的上述问题。
旨在提供一种城市燃气多级管网的仿真方法、仿真平台和介质，其能够按照城市燃气管网的分层管理架构进行嵌套分级仿真和运行，能够快速针对管网进行精确模拟，快速对管网及附属构筑物的异常状况进行诊断，有利于跨级别充分利用各级的管网仿真数据，对管网执行高效的整体调控，并显著降低计算成本。
根据本申请的第一方案，提供一种城市燃气多级管网的仿真方法。所述仿真方法包括如下步骤。提供操作权限依次降低的一级仿真***、二级仿真***和三级仿真***，使得一级仿真***能够获取二级仿真***和三级仿真***的仿真数据。验证用户的操作权项。在用户具有一级权限的情况下，利用所述一级仿真***，获取GIS***和SCADA监控***对DN500及以上的城市主干管网以及关联的附属构筑物所采集的管网数据，据此建立城市燃气管网的城市主干仿真模型。对所述城市主干仿真模型进行仿真分析以得到各个主干节点的仿真数据。
在用户具有二级权限的情况下，利用所述二级仿真***，获取GIS***和SCADA监控***对辖区的DN300-500的辖区管网以及关联的附属构筑物所采集的管网数据，据此建立城市燃气管网的辖区仿真模型。获取所述城市主干仿真模型中对应于辖区仿真模型的边界条件的主干节点的仿真数据。利用对应主干节点的仿真数据作为边界条件，对所述辖区仿真模型进行仿真分析以得到各个辖区节点的仿真数据。在用户具有三级权限的情况下，利用所述三级仿真***，获取GIS***和SCADA监控***对辖区下管理单元的DN50-300的管理单元管网以及关联的附属构筑物所采集的管网数据，据此建立城市燃气管网的管理单元仿真模型。获取所述管理单元所属辖区的辖区仿真模型中对应于所述管理单元仿真模型的边界条件的辖区节点的仿真数据。利用对应辖区节点的仿真数据作为边界条件，对所述管理单元仿真模型进行仿真分析以得到各个管理单元节点的仿真数据。
根据本申请的第二方案，提供一种城市燃气多级管网的仿真平台。该仿真平台包括接口和至少一个处理器。所述接口配置为接收来自城市燃气多级管网的GIS***和SCADA监控***的管网信息。所述至少一个处理器配置为执行根据本申请各个实施例的城市燃气多级管网的仿真方法。所述仿真方法包括如下步骤。提供操作权限依次降低的一级仿真***、二级仿真***和三级仿真***，使得一级仿真***能够获取二级仿真***和三级仿真***的仿真数据。验证用户的操作权项。在用户具有一级权限的情况下，利用所述一级仿真***，获取GIS***和SCADA监控***对DN500及以上的城市主干管网以及关联的附属构筑物所采集的管网数据，据此建立城市燃气管网的城市主干仿真模型。对所述城市主干仿真模型进行仿真分析以得到各个主干节点的仿真数据。在用户具有二级权限的情况下，利用所述二级仿真***，获取GIS***和SCADA监控***对辖区的DN300-500的辖区管网以及关联的附属构筑物所采集的管网数据，据此建立城市燃气管网的辖区仿真模型。获取所述城市主干仿真模型中对应于辖区仿真模型的边界条件的主干节点的仿真数据。利用对应主干节点的仿真数据作为边界条件，对所述辖区仿真模型进行仿真分析以得到各个辖区节点的仿真数据。在用户具有三级权限的情况下，利用所述三级仿真***，获取GIS***和SCADA监控***对辖区下管理单元的DN50-300的管理单元管网以及关联的附属构筑物所采集的管网数据，据此建立城市燃气管网的管理单元仿真模型。获取所述管理单元所属辖区的辖区仿真模型中对应于所述管理单元仿真模型的边界条件的辖区节点的仿真数据。利用对应辖区节点的仿真数据作为边界条件，对所述管理单元仿真模型进行仿真分析以得到各个管理单元节点的仿真数据。
根据本申请的第三方案，提供一种计算机可读介质，其上存储有计算机可执行指令，计算机可执行指令由处理器执行时，实现根据本申请各个实施例的城市燃气多级管网的仿真方法。所述仿真方法包括如下步骤。提供操作权限依次降低的一级仿真***、二级仿真***和三级仿真***，使得一级仿真***能够获取二级仿真***和三级仿真***的仿真数据。验证用户的操作权项。在用户具有一级权限的情况下，利用所述一级仿真***，获取GIS***和SCADA监控***对DN500及以上的城市主干管网以及关联的附属构筑物所采集的管网数据，据此建立城市燃气管网的城市主干仿真模型。对所述城市主干仿真模型进行仿真分析以得到各个主干节点的仿真数据。在用户具有二级权限的情况下，利用所述二级仿真***，获取GIS***和SCADA监控***对辖区的DN300-500的辖区管网以及关联的附属构筑物所采集的管网数据，据此建立城市燃气管网的辖区仿真模型。获取所述城市主干仿真模型中对应于辖区仿真模型的边界条件的主干节点的仿真数据。利用对应主干节点的仿真数据作为边界条件，对所述辖区仿真模型进行仿真分析以得到各个辖区节点的仿真数据。在用户具有三级权限的情况下，利用所述三级仿真***，获取GIS***和SCADA监控***对辖区下管理单元的DN50-300的管理单元管网以及关联的附属构筑物所采集的管网数据，据此建立城市燃气管网的管理单元仿真模型。获取所述管理单元所属辖区的辖区仿真模型中对应于所述管理单元仿真模型的边界条件的辖区节点的仿真数据。利用对应辖区节点的仿真数据作为边界条件，对所述管理单元仿真模型进行仿真分析以得到各个管理单元节点的仿真数据。
利用根据本申请各个实施例的城市燃气多级管网的仿真方法、仿真平台和介质，其通过提供操作权限依次降低的一级仿真***、二级仿真***和三级仿真***，上级仿真***的仿真模型的相关仿真数据用作本级仿真***的仿真模型的边界条件，将仿真分析的结果视需要逐级下放分享，同时计算负荷也逐级下放，如此能够按照城市燃气管网的分层管理架构进行嵌套分级仿真和运行，能够快速针对管网进行精确模拟，快速对管网及附属构筑物的异常状况进行诊断，通过使得一级仿真***能够获取二级仿真***和三级仿真***的仿真数据，有利于跨级别充分利用各级的管网仿真数据，对管网执行高效的整体调控，并显著降低计算成本。
附图说明
在不一定按比例绘制的附图中，相同的附图标记可以在不同的视图中描述相似的部件。具有字母后缀或不同字母后缀的相同附图标记可以表示相似部件的不同实例。附图大体上通过举例而不是限制的方式示出各种实施例，并且与说明书以及权利要求书一起用于对所公开的实施例进行说明。这样的实施例是例证性的，而并非旨在作为本装置或方法的穷尽或排他实施例。
图1示出根据本申请实施例的城市燃气多级管网的仿真方法的流程图；
图2示出根据本申请实施例的城市燃气多级管网的分级示意图；
图3示出根据本申请实施例的获取所述城市主干仿真模型中对应于辖区仿真模型的边界条件的主干节点的仿真数据的示例的流程图；
图4示出根据本申请实施例的过渡点的示意图；
图5示出根据本申请实施例的四级燃气突发事件在三级仿真***上的响应和仿真模拟流程的概要图；
图6（a）示出根据本申请实施例的城市燃气多级管网的仿真平台的配置图；以及
图6（b）示出根据本申请实施例的城市燃气多级管网的仿真平台的框图。
具体实施方式
为使本领域技术人员更好的理解本申请的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本申请作详细说明。下面结合附图和具体实施例对本申请的实施例作进一步详细描述，但不作为对本申请的限定。
本申请中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指在该词前的要素涵盖在该词后列举的要素，并不排除也涵盖其他要素的可能。本申请中使用的“A以上”包含A及比A大的数，使用的“B以下”不包含B而仅包含比B小的数。本申请中的缩写“DN”表示燃气管网的管道的名义直径。“DN300”、“DN50”、“DN500”等对应于不同直径水平的燃气管网管道。
本申请中结合附图所描述的方法中各个步骤的执行顺序并不作为限定。只要不影响各个步骤之间的逻辑关系，可以将数个步骤整合为单个步骤，可以将单个步骤分解为多个步骤，也可以按照具体需求调换各个步骤的执行次序。
图1示出根据本申请实施例的城市燃气多级管网的建模仿真方法的流程图。城市燃气多级管网的示例可以参见图2。如图2所示，城市燃气多级管网可以划分为城市主干管网201、辖区管网202和管理单元管网203。具体说来，城市主干管网201通常包含DN500及以上的不同材质的管网及其关联的附属构筑物，诸如门站（城市燃气分配站、储气站）、调压站（高-中压调压站）、燃气供应源（诸如煤制气厂等）等，且通常提供高压。辖区管网202通常包含DN300-500的不同材质的管网及其关联的附属构筑物，诸如调压站/箱（中-低压调压站等）、闸井信息，且通常提供中压。管理单元管网203通常包含DN50-300的不同材质的管网及其关联的附属构筑物，诸如调压站/箱、闸门、终端用户（居民用户）等。
如图1所示，城市燃气多级管网的建模仿真方法可以包括如下步骤。
在步骤100，提供操作权限依次降低的一级仿真***、二级仿真***和三级仿真***，使得一级仿真***能够获取二级仿真***和三级仿真***的仿真数据。
在步骤101，验证用户的操作权项。
在用户具有一级权限的情况下（102a），利用所述一级仿真***执行如下步骤。在步骤103a，获取GIS***和SCADA监控***对DN500及以上的城市主干管网以及关联的附属构筑物所采集的管网数据，据此建立城市燃气管网的城市主干仿真模型。在步骤104a，对所述城市主干仿真模型进行仿真分析以得到各个主干节点的仿真数据。
下面以城市主干管网、步骤103a及步骤104a为例，对各种级别的管网的数据获取、建模和仿真分析求解进行说明。虽然以城市主干管网为例，但数据获取、建模和仿真分析求解也可以适用于更低层次的辖区管网和管理单元管网，后续不再赘述。
SCADA监控***又称为监控和数据采集***，是以计算机为基础的生产过程控制和调度自动化***，它可以对现场运行的设备进行监视和控制，实现数据采集、测量、各类信号报警，设备控制和参数调节等各项功能。SCADA***能够实现对城市燃气管网的进气、计量、输配、调压全过程的监控、管理和调度，实现管网状况的自动化收集、分类、传送、整理、分析和存储。具体说来，SCADA监控***可以包括调度中心、远程终端站（包括站控***和监测点）以及通信***。
调度中心完成采集数据的处理、显示、入库以及与城市燃气管网（例如但不限于GIS***）的信息集成，通常由SCADA服务器、操作员工作站、工程师工作站、通信处理机等构成。
远程终端站可以包括门站、各级调压站、CNG站、LNG站、工商业用户、管网监测点、阀室等各类站点。远程终端站完成对管网和站场的控制设备的数据采集，例如可以利用采用燃气监控无线数据传输单元（RTU），来采集管网各个监测点的压力和流量信息等等。
通信***可以包括有线专线和无线CDMA/GPRS网络，实现各站控***和监测点PLC/RTU与调度中心大的通信，保证SCADA***数据交换的实时性，使其及时、准确、可靠、协调、高效率的工作。具体说来，可以由各个管线节点的现场仪表来采集管网的温度、压力和流量等，由RTU负责对各种现场仪表输出的信号进行实时采集，然后采集的数据通过通信***上传至调度中心，调度中心可以对数据进行运算和分析并存储在共享数据库中。例如，可以通过标准数据接口OPC（过程控制的对象链接与嵌入）或ODBC（开放数据库互联），与SCADA监控***的调度中心或者数据库进行通信，且与GIS***的管理中心或者数据库进行通信，来获取SCADA监控***所监控的诸如城市主干管网的管网信息，以及来自GIS***的城市主干管网的空间数据信息。
进一步地，可以基于所获取的来自城市燃气管网的GIS***和SCADA监控***的管网信息两者，来建立城市主干管网的城市主干仿真模型。该模型对GIS***和SCADA监控***的管网信息进行了整合处理，在一些市售燃气管道***模拟软件产品中都建立了这样的模型或提供了类似的算法，例如但不限于SynerGEE Gas软件，可以同步或导入GIS***、SCADA监控***的数据，并支持不同格式地图文件的输入建模，可建立包括阀门、调压器、管道附件等设施的多级压力***模型。在本申请中，提取出对应于城市主干管网的GIS***和SCADA监控***的采集数据，并仅据此来建立城市主干管网的城市主干仿真模型。类似地，可以提取出对应于辖区管网的GIS***和SCADA监控***的采集数据，并仅据此来建立辖区管网的辖区仿真模型。类似地，可以提取出对应于辖区下管理单元的GIS***和SCADA监控***的采集数据，并仅据此来建立辖区下管理单元的管理单元仿真模型。
具体说来，具有一级权限的用户可以操作一级仿真***，经由一级仿真***能够获取对应于城市主干管网、辖区、及辖区下管理单元各层级的GIS***和SCADA监控***的采集数据，但可以仅仅利用对应于城市主干管网的采集数据，因为其只需负责城市主干仿真模型的构建，但如果需要也可以自由地获取辖区管网、及辖区下管理单元管网各层级的GIS***和SCADA监控***的采集数据以便进行分析。进一步地，具有二级权限的用户可以操作二级仿真***，经由二级仿真***能够获取对应于辖区管网及辖区下管理单元管网等层级的GIS***和SCADA监控***的采集数据，但可以仅仅利用对应于辖区管网的采集数据，也可以从一级仿真***获取执行管网仿真计算的边界条件对应的小部分的城市主干管网的采集数据或者仿真数据。进一步地，具有三级权限的用户可以操作三级仿真***，经由三级仿真***能够获取对应于管理单元管网等层级的GIS***和SCADA监控***的采集数据，也可以从二级仿真***获取执行管网仿真计算的边界条件对应的小部分的辖区管网的采集数据或者仿真数据。
下面以图2所示的城市主干管网为例，对如何仿真计算各个主干节点的压力和流量进行说明。
基于该城市主干管网，输入初始条件和边界条件（例如城市燃气分配站的供气量），包含气源点物性参数、各个节点的流量、压力，所有管段的信息等。
在模拟仿真过程中，如下建立数学模型方程，对管网中各个节点的流量、压力进行仿真计算。
利用公式（1），来定义运动方程：
其中，等号左侧的第一项为惯性项而第二项为对流项，W表示燃气的流速，ρ表示燃气的密度，τ表示时间，x表示管路位置，d表示燃气管道内径，α表示燃气管道对水平面的倾斜角，用弧度表示，λ表示水力摩阻系数，p表示管道中气体压力，ɡ表示重力加速度。
燃气在管道内的流动遵从质量守恒定律，连续性方程反应出单位时间内流入管段某断面的燃气质量等于流出该管段断面的燃气质量。可以利用公式（2），来定义燃气的不稳定流动连续性方程：
对于高压燃气还要考虑其可压缩性，可以利用公式（3）来定义其气体状态方程：
其中，p表示压力，Z表示燃气压缩因子，ρ表示燃气的密度，R表示气体常数，T表示绝对温度。
利用公式（4）来定义燃气的能量方程：
其中，h表示比焓，M表示质量流量，A表示管道的流通截面积，K表示传热系数，
表示土壤温度，T表示燃气温度，α表示燃气管道对水平面的倾斜角，用弧度表示，ɡ表示重力加速度。
利用公式（5）来定义燃气的焓方程：
公式（1）到公式（5），一共构成5个方程，其中，含有5个未知变量ρ、M、P、T、h，再设置好边界条件，可以求解诸如城市主干管网的各种级别的管网内任一管段任一时刻的流动参数，包括但不限于各个节点处燃气的流量、压力和温度等。
进一步地，对于管网的附属构筑物，诸如城市主干管网的附属构筑物，可以构建附件方程。以阀门为例，可以公式（6）来定义其压降方程：
其中，
表示管道起点处的燃气的质量流量，/>
表示阀门流量系数， Z表示燃气的压缩因子，∆表示燃气相对空气比重，T表示燃气的温度，/>
表示管道起点处的燃气密度，/>
和/>
分别表示管道起点和出口处的压力。
可以将各个附属构筑物的方程嵌入到城市主干管网的城市主干仿真模型中的对应位置处，从而形成整个城市主干管网的瞬态模型方程，对其进行中心隐式差分，然后用牛顿-拉夫逊法对非线性方程组进行迭代求解，基于瞬态模型方程的该迭代求解可以采用各种方式来实现。
例如，可以确定初始时刻压力、温度和流量分布，并将其作为计算迭代初值，并根据要仿真计算的目标区域（例如整体或者局部区域），输入初始的边界条件。确定管道时间步长和空间步长，划分数值计算网格。在每一时间步长内，对非线形方程组进行迭代求解，直到各个方程差值小于规定误差为止。每个时间步长内，可以计算雅可比矩阵，求解修正向量，再计算各待求变量，由此再计算方程差值。该求解过程对于本领域技术人员来说来是清楚明确的，在此不赘述。
在用户具有二级权限的情况下（102b），利用所述二级仿真***执行如下步骤。在步骤103b，获取GIS***和SCADA监控***对辖区的DN300-500的辖区管网以及关联的附属构筑物所采集的管网数据，据此建立城市燃气管网的辖区仿真模型。在步骤104b，获取所述城市主干仿真模型中对应于辖区仿真模型的边界条件的主干节点的仿真数据。在步骤105b，利用对应主干节点的仿真数据作为边界条件，对所述辖区仿真模型进行仿真分析以得到各个辖区节点的仿真数据。
在用户具有三级权限的情况下（102c），利用所述三级仿真***执行如下步骤。在步骤103c，获取GIS***和SCADA监控***对辖区下管理单元的DN50-300的管理单元管网以及关联的附属构筑物所采集的管网数据，据此建立城市燃气管网的管理单元仿真模型。在步骤104c，获取所述管理单元所属辖区的辖区仿真模型中对应于所述管理单元仿真模型的边界条件的辖区节点的仿真数据。在步骤105c，利用对应辖区节点的仿真数据作为边界条件，对所述管理单元仿真模型进行仿真分析以得到各个管理单元节点的仿真数据。
通过提供操作权限依次降低的一级仿真***、二级仿真***和三级仿真***，上级仿真***的仿真模型的小部分采集数据或者仿真数据用作本级仿真***的仿真模型的边界条件，将仿真分析的结果视需要逐级下放分享，同时计算负荷也逐级下放，例如具有一级权限的用户利用一级仿真***仿真城市主干管网的大型的城市主干仿真模型，具有二级权限的用户则利用二级仿真***仿真辖区的中型的辖区仿真模型，而具有三级权限的用户则利用三级仿真***则仿真管理单元的小型的管理单元仿真模型。如此，能够按照城市燃气管网的分层管理架构进行嵌套分级仿真和运行，能够快速针对管网进行精确模拟，快速对管网及附属构筑物的异常状况进行诊断。进一步地，通过使得一级仿真***能够获取二级仿真***和三级仿真***的仿真数据，有利于跨级别充分利用各级的管网仿真数据，对管网执行高效的整体调控，并显著降低计算成本。
在一些实施例中，向燃气集团的调度中心和/或领导驾驶舱赋予所述一级权限，向燃气集团的区域分公司和/或总公司赋予所述二级权限，以及向燃气集团的区域分公司和/或总公司的辖区下的运营管理单位赋予所述三级权限。如此，使得权限层级布置与燃气集团的管理层级架构相匹配，通过使得高级别的仿真***能够获取低级别的仿真***的仿真数据，而低级别的仿真***能够根据仿真需要获取高级别的仿真***的小部分仿真数据，便于高管理层级的管理者按需能够获取各低管理层级的对应仿真数据从而进行全局评估调控，而高管理层级的仿真模型的仿真数据并非完全对低管理层级封闭，而是适当地提供后者对应的仿真模型进行仿真分析所需的一小部分，兼顾了仿真数据的跨层级高效利用、适当流通和数据安全性。
在一些实施例中，可以将管网中的压力从低到高划分为低压、中压、次高压、高压和超高压，使得所述城市主干管网，例如图2中的城市主干管网201，承载的压力为次高压、高压和超高压中的至少一种，使得所述辖区管网，例如图2中的辖区管网202，承载的压力为中压，使得所述管理单元管网，例如图2中的管理单元管网203，承载的压力为低压。具体说来，可以使用瞬态非等温方程组，也就是上文中的公式（1）-公式（6）进行仿真求解，来对城市主干仿真模型进行仿真分析。
同时，可以使用稳态非等温或等温方程组进行仿真求解，来对所述辖区仿真模型和所述管理单元仿真模型进行仿真分析。稳态非等温方程组包括如下的公式（7）-公式（9），而稳态等温方程组则简化为公式（10）。
稳态时，流动参数不随时间变化，连续性方程为：
运动方程为：
能量方程为：
稳态等温输气管道的质量流量方程为：
式中M为管道的质量流量，
为管道的起点压力，/>
为管道的终点压力，d为管道内径，/>
为水力摩阻系数，Z为天然气在管输条件下的压缩因子，F为管道截面积，R为气体常数，T为输气温度，L为计算管段的长度。公式（7）-公式（10）中与公式（1）-公式（6）中相同的参数具有相同的技术含义，在此不赘述。
如此，对于城市主干仿真模型采用与辖区仿真模型和所述管理单元仿真模型不同的方程，以兼顾仿真准确性和计算负荷。具体来说，将计算负荷显著更大的瞬态非等温方程组仅仅用于城市主干仿真模型的计算分析，以充分利用一级仿真***通常更充分的计算资源，对城市主干管网的更高的压力和动态变化更显著的压力、流量等运行参数执行更准确计算；同时，将计算负荷显著减少的稳态非等温或等温方程组仅仅用于辖区仿真模型和所述管理单元仿真模型的计算分析（比如前者应用稳态非等温方程组而后者应用稳态等温方程组），以适应二级仿真***和三级仿真***相较一级仿真***更低的计算资源配置，且足以鲁棒性且准确地计算辖区管网和管理单元管网的更低的压力和通常平稳的压力、流量等运动参数。
图3示出根据本申请实施例的获取所述城市主干仿真模型中对应于辖区仿真模型的边界条件的主干节点的仿真数据的示例的流程图。如图3所示，获取所述城市主干仿真模型中对应于辖区仿真模型的边界条件的主干节点的仿真数据进一步通过如下步骤来实现。在步骤301，
搜索遍历所述辖区仿真模型中的所有管路的回路。可以由用户通过鼠标来框选出关注的辖区，例如框选出图4中的辖区401。对于辖区401而言，可以搜索对应的辖区仿真模型中的所有管路的回路，也就是该辖区401中的所有管路是否构成闭合的回路。在步骤302，判定是否能够搜索到这样的回路。如果搜索不到这样的回路（步骤302的判定结果为否），例如辖区401的情况，其中的管路402并不构成闭合的回路，则在步骤303，搜索末端伸出到辖区以外邻近区域的管段，例如可以通过点捕捉技术来搜索这样的管段。参考图4，可以搜索到末端伸出到辖区401以外邻近区域的管段403。在步骤304，进一步搜索遍历所述辖区仿真模型中的所有管路以及伸出管段的回路。结合图4，通过将伸出管段403和辖区401内的管段402连接起来可以构成闭合的回路，也就是能够搜索到这样的回路。如果搜索到这样的回路（步骤305的判定结果为是），则也使用所述末端的仿真数据作为所述辖区仿真模型的边界条件。如此，可以为辖区仿真模型针对性地获取充分的边界条件以确保顺利的仿真计算，又能够避免（伸出管段所属的）相邻仿真模型的数据过分地泄漏给辖区仿真模型及其权限更低的用户。
类似地，在一些实施例中，可以通过如下步骤来获取所述管理单元所属辖区的辖区仿真模型中对应于所述管理单元仿真模型的边界条件的辖区节点的仿真数据。搜索遍历所述管理单元仿真模型中的所有管路的回路。如果搜索不到这样的回路，则搜索末端伸出到管理单元以外邻近区域的管段。进一步搜索遍历所述管理单元仿真模型中的所有管路以及伸出管段的回路。如果搜索到这样的回路，则也使用所述末端的仿真数据作为所述管理单元仿真模型的边界条件。
图4中伸出管段403 的末端，也可以称为过渡点。比如A区和B区通过单根管道连接，如果要仿真A区的管网情况，可以利用A区和B区连接管中的阀门处的信息进行简化，作为过渡点。该过渡点可以作为A区的仿真模型的边界条件。在一些实施例中，过渡点也可以存在于不同压力级别的管网之间，参见图2，在城市主干管网201与辖区管网202之间可以设置高-中压调压站204作为过渡点，这种在城市主干仿真模型与所述辖区仿真模型之间的过渡点也称为一级-二级过渡点。类似地，所述辖区仿真模型与所述管理单元仿真模型之间的过渡点称为二级-三级过渡点。
在一些实施例中，仿真方法还可以包括与过渡点相关的如下步骤。
可以确定所述城市主干仿真模型与所述辖区仿真模型之间的一级-二级过渡点，所述一级-二级过渡点用于分割所述城市主干仿真模型与所述辖区仿真模型，所述一级-二级过渡点的仿真数据用作所述辖区仿真模型的边界条件。
可以确定所述辖区仿真模型与所述管理单元仿真模型之间的二级-三级过渡点，所述二级-三级过渡点用于分割所述辖区仿真模型与所述管理单元仿真模型，所述二级-三级过渡点的仿真数据用作所述管理单元仿真模型的边界条件。通过过渡点的确定可以高效获取对应层级仿真模型的边界条件，从而实现准确的仿真分析。与其他边界条件的对应点不同，例如终端用户（小区用户）的流量和压力也用作管理单元仿真模型的边界条件，但其所在点并非过渡点。过渡点具有对不同层级的管网进行分割的作用。
相应地，在一些实施例中，仿真方法还包括：接收用户的指示折叠隐藏管网或者展开管网的交互操作；在接收到用户的指示折叠隐藏管网的交互操作且用户具有一级权限的情况下，仅仅呈现所述一级-二级过渡点上游的城市主干仿真模型；在接收到用户的折叠隐藏管网的交互操作且用户具有二级权限的情况下，仅仅呈现所述二级-三级过渡点上游的所述辖区仿真模型。
在一些实施例中，仿真方法还包括：在接收到用户的指示展开管网的交互操作且用户具有一级权限的情况下，使得一级仿真***获取二级仿真***和三级仿真***的仿真数据，一并连接呈现所述城市主干仿真模型、所述辖区仿真模型和所述管理单元仿真模型；在接收到用户的指示展开管网的交互操作且用户具有二级权限的情况下，使得二级仿真***获取所述三级仿真***的仿真数据，一并连接呈现所述辖区仿真模型和所述管理单元仿真模型。
如此，用户可以根据关注的区域而自由地选择折叠隐藏管网或者展开管网，从而可以根据实时的需求，选择简洁地呈现上游的城市主干仿真模型或者所述辖区仿真模型自身出的仿真结果，或者选择全面地呈现城市主干仿真模型或者所述辖区仿真模型往下所延伸的低层级的细节的仿真结果。如此，以城市主干仿真模型为例，具有一级权限的用户，例如调度中心和/或领导驾驶舱，可以先简洁地呈现上游的城市主干仿真模型的仿真结果，从而初步定位主干故障区域，然后再展开呈现来查看该主干故障区域对应的辖区仿真模型的仿真数据，来细化地确认辖区内的故障区域，从而避免一开始就被淹没在展开的大量细节仿真数据中，从而提高分析效率。
图5示出根据本申请实施例的四级燃气突发事件在三级仿真***上的响应和仿真模拟流程的概要图。如图5所示，将燃气突发事件等级划分为特别重大燃气突发事件、重大燃气事件、一般燃气突发事件和普通燃气突发事件。
具体地，发生以下情况之一则属于特别重大燃气突发事件：因上游供气***出现问题造成全市供气异常，导致政府启动应急供应预案；供气***发生突发事件，造成2万户以上居民停止供气；城市气源或供气***中燃气组分发生变化导致无法满足终端用户设备正常使用。
进一步地，发生以下情况之一则属于重大燃气事件：供气***发生异常导致局部地区超压运行或供气紧张，达到企业所规定的黄色以上警报等级；管网大面积超压运行，造成大量的管网或用户设施故障、漏气；居民用户停气数量在1万户以上至2万户以下；高等院校的公共食堂连续停气24小时以上；SCADA监控***瘫痪短期内无法恢复，导致无法正常监控供气***运行。
进一步地，发生以下情况之一则属于一般燃气突发事件：居民用户停气数量在300户以上至1万户以下；供暖期间造成居民采暖锅炉停气，或大范围分散采暖用户停气。
进一步地，发生以下情况则属于普通燃气突发事件：居民用户停气数量在300户以下。
如图5所示，在发生普通燃气突发事件的情况下，仅提示具有三级权限的用户（示出为具有一颗星的用户），调用三级仿真***，对事件发生的管理单元管网的管理单元仿真模型进行仿真分析，以指导维修和调度。
在发生一般燃气突发事件的情况下，提示具有三级权限的用户和具有二级权限的用户（示出为具有两个星的用户），调用二级仿真***，对事件涉及的辖区管网的辖区仿真模型和涉及管理单元管网的管理单元仿真模型进行协同仿真分析，以指导维修和调度。
在发生重大燃气事件或者特别重大燃气突发事件的情况下，提示具有一级权限的用户（示出为具有三颗星的用户）、具有二级权限的用户和具有三级权限的用户，对所述城市主干仿真模型、事件涉及的辖区管网的辖区仿真模型和涉及管理单元管网的管理单元仿真模型进行协同仿真分析，以指导维修和调度。
如此，对各个等级的燃气突发事件，自动地提示给需要对此事件出具指导维修策略的最高层级的责任人，比如是燃气集团的调度中心和/或领导驾驶舱，还是燃气集团的区域分公司和/或总公司，还是燃气集团的区域分公司和/或总公司的辖区下的运营管理单位，此事件的对应最高层级的责任人除了自身调用涉及仿真数据的仿真模型以外，可以分享来自下级的责任人的下级仿真模型的仿真数据，从而在避免对其他无关责任人的冗余干扰的同时，针对性地获取指导维修策略所需的仿真数据，并落实指导维修策略的职责分布，有利于多变多层级发生的各种燃气突发事件在燃气集团的多层责任人之间的职责分配、综合分析和高效迅速处理。
图6（a）示出根据本申请实施例的城市燃气多级管网的仿真平台的配置图。如图6（a）所示，仿真平台600可以包括一级仿真***600a、二级仿真***600b、三级仿真***600和共享数据库600d。其中，共享数据库600d可以分布于云端，也可以固设于远程。一级仿真***600a嵌设有城市主干仿真模型以便调用，二级仿真***600b嵌设有辖区仿真模型600b以便调用，三级仿真***600c嵌设有管理单元仿真模型600c以便调用。各个仿真模型的仿真数据可以存储于共享数据库600d，一级仿真***600a、二级仿真***600b、三级仿真***600各自可以设置有接口（未示出），以便向共享数据库600d传输和/或从共享数据库600d获取其有权获取的数据。例如，一级仿真***600a有权获取所有数据，而二级仿真***600b和三级仿真***600则只能获取其自身建模仿真的数据以及其建模仿真所需的跨其他***的仿真数据。通过让共享数据库600d来负责数据的依照权限分享的行为，可以显著减轻一级仿真***600a等各个高级***的通信（其还要接收来自城市燃气管网的GIS***和SCADA监控***的管网信息）和工作负荷，从而更关注于仿真分析工作。
图6（b）示出根据本申请实施例的城市燃气多级管网的仿真平台的框图。如图6（b）所示，
该仿真平台600可以包括接口601和至少一个处理器602。所述接口601可以配置为：接收来自城市燃气多级管网的GIS***和SCADA监控***的管网信息。所述处理器602可以配置为执行根据本申请各个实施例的城市燃气多级管网的仿真方法。例如，该仿真平台600可以在固设服务器上实现，也可以在云端实现，在此不赘述。
在一些实施例中，本申请还提供一种计算机可读介质，其上存储有计算机可执行指令，计算机可执行指令由处理器执行时，实现根据本申请各个实施例的城市燃气多级管网的仿真方法。该方法可以包括如下步骤。提供操作权限依次降低的一级仿真***、二级仿真***和三级仿真***，使得一级仿真***能够获取二级仿真***和三级仿真***的仿真数据。验证用户的操作权项。在用户具有一级权限的情况下，利用所述一级仿真***，获取GIS***和SCADA监控***对DN500及以上的城市主干管网以及关联的附属构筑物所采集的管网数据，据此建立城市燃气管网的城市主干仿真模型。对所述城市主干仿真模型进行仿真分析以得到各个主干节点的仿真数据。在用户具有二级权限的情况下，利用所述二级仿真***，获取GIS***和SCADA监控***对辖区的DN300-500的辖区管网以及关联的附属构筑物所采集的管网数据，据此建立城市燃气管网的辖区仿真模型。获取所述城市主干仿真模型中对应于辖区仿真模型的边界条件的主干节点的仿真数据。利用对应主干节点的仿真数据作为边界条件，对所述辖区仿真模型进行仿真分析以得到各个辖区节点的仿真数据。在用户具有三级权限的情况下，利用所述三级仿真***，获取GIS***和SCADA监控***对辖区下管理单元的DN50-300的管理单元管网以及关联的附属构筑物所采集的管网数据，据此建立城市燃气管网的管理单元仿真模型。获取所述管理单元所属辖区的辖区仿真模型中对应于所述管理单元仿真模型的边界条件的辖区节点的仿真数据。利用对应辖区节点的仿真数据作为边界条件，对所述管理单元仿真模型进行仿真分析以得到各个管理单元节点的仿真数据。
本申请中其他各处实施例的建模仿真方法的示例可以结合于此，在此不赘述。
在一些实施例中，所述处理器602例如可以是包括一个及以上通用处理器的处理部件，诸如微处理器、中央处理单元（CPU）、图形处理单元（GPU）等。
上述计算机可读存储介质，是非暂时性的，可以是诸如只读存储器（ROM）、随机存取存储器（RAM）、相变随机存取存储器(PRAM)、静态随机存取存储器(SRAM)、动态随机存取存储器(DRAM)、电可擦可编程只读存储器(EEPROM)、其他类型的随机存取存储器(RAMs)、闪存盘或其他形式的闪存、缓存、寄存器、静态存储器、只读光盘存储器(CD-ROM)、数字多功能光盘(DVD)或其他光存储器、磁带或其他磁存储装置，或任意其他可用于存储能被计算机装置访问的信息或指令的非暂时性介质等。
本申请中的各种处理步骤可以通过各种编程语言来编写实现，例如但不限于Fortran、C++和Java，在此不赘述。
此外，尽管已经在本文中描述了示例性实施例，其范围包括任何和所有基于本申请的具有等同元件、修改、省略、组合（例如，各种实施例交叉的方案）、改编或改变的实施例。权利要求书中的元件将被基于权利要求中采用的语言宽泛地解释，并不限于在本说明书中或本申请的实施期间所描述的示例，其示例将被解释为非排他性的。因此，本说明书和示例旨在仅被认为是示例，真正的范围和精神由以下权利要求以及其等同物的全部范围所指示。
以上描述旨在是说明性的而不是限制性的。例如，上述示例（或其一个或更多方案）可以彼此组合使用。例如本领域普通技术人员在阅读上述描述时可以使用其它实施例。另外，在上述具体实施方式中，各种特征可以被分组在一起以简单化本申请。这不应解释为一种不要求保护的公开的特征对于任一权利要求是必要的意图。相反，本申请的主题可以少于特定的公开的实施例的全部特征。从而，以下权利要求书作为示例或实施例在此并入具体实施方式中，其中每个权利要求独立地作为单独的实施例，并且考虑这些实施例可以以各种组合或排列彼此组合。本发明的范围应参照所附权利要求以及这些权利要求赋权的等同形式的全部范围来确定。
以上实施例仅为本申请的示例性实施例，不用于限制本发明，本发明的保护范围由权利要求书限定。本领域技术人员可以在本申请的实质和保护范围内，对本发明做出各种修改或等同替换，这种修改或等同替换也应视为落在本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种城市燃气多级管网的仿真方法，其特征在于，所述仿真方法包括：
提供操作权限依次降低的一级仿真***、二级仿真***和三级仿真***，使得一级仿真***能够获取二级仿真***和三级仿真***的仿真数据；
验证用户的操作权项；
在用户具有一级权限的情况下，利用所述一级仿真***，
获取GIS***和SCADA监控***对DN500及以上的城市主干管网以及关联的附属构筑物所采集的管网数据，据此建立城市燃气管网的城市主干仿真模型；
对所述城市主干仿真模型进行仿真分析以得到各个主干节点的仿真数据；
在用户具有二级权限的情况下，利用所述二级仿真***，
获取GIS***和SCADA监控***对辖区的DN300-500的辖区管网以及关联的附属构筑物所采集的管网数据，据此建立城市燃气管网的辖区仿真模型；
获取所述城市主干仿真模型中对应于辖区仿真模型的边界条件的主干节点的仿真数据；
利用对应主干节点的仿真数据作为边界条件，对所述辖区仿真模型进行仿真分析以得到各个辖区节点的仿真数据；
在用户具有三级权限的情况下，利用所述三级仿真***，
获取GIS***和SCADA监控***对辖区下管理单元的DN50-300的管理单元管网以及关联的附属构筑物所采集的管网数据，据此建立城市燃气管网的管理单元仿真模型；
获取所述管理单元所属辖区的辖区仿真模型中对应于所述管理单元仿真模型的边界条件的辖区节点的仿真数据；
利用对应辖区节点的仿真数据作为边界条件，对所述管理单元仿真模型进行仿真分析以得到各个管理单元节点的仿真数据。
2.根据权利要求1所述的仿真方法，其特征在于，还包括：
向燃气集团的调度中心和/或领导驾驶舱赋予所述一级权限，向燃气集团的区域分公司和/或总公司赋予所述二级权限，以及向燃气集团的区域分公司和/或总公司的辖区下的运营管理单位赋予所述三级权限。
3.根据权利要求1所述的仿真方法，其特征在于，还包括：
将管网中的压力从低到高划分为低压、中压、次高压、高压和超高压，使得所述城市主干管网承载的压力为次高压、高压和超高压中的至少一种，使得所述辖区管网承载的压力为中压，使得所述管理单元管网承载的压力为低压；
使用瞬态非等温方程组进行仿真求解，来对所述城市主干仿真模型进行仿真分析；
使用稳态非等温或等温方程组进行仿真求解，来对所述辖区仿真模型和所述管理单元仿真模型进行仿真分析。
4.根据权利要求1所述的仿真方法，其特征在于，还包括：
将燃气突发事件等级划分为特别重大燃气突发事件、重大燃气事件、一般燃气突发事件和普通燃气突发事件，
其中，发生以下情况之一则属于特别重大燃气突发事件：因上游供气***出现问题造成全市供气异常，导致政府启动应急供应预案；供气***发生突发事件，造成2万户以上居民停止供气；城市气源或供气***中燃气组份发生变化导致无法满足终端用户设备正常使用，
发生以下情况之一则属于重大燃气事件：供气***发生异常导致局部地区超压运行或供气紧张，达到企业所规定的黄色以上警报等级；管网大面积超压运行，造成大量的管网或用户设施故障、漏气；居民用户停气数量在1万户以上至2万户以下；高等院校的公共食堂连续停气24小时以上；SCADA监控***瘫痪短期内无法恢复，导致无法正常监控供气***运行，
发生以下情况之一则属于一般燃气突发事件：居民用户停气数量在300户以上至1万户以下；供暖期间造成居民采暖锅炉停气，或大范围分散采暖用户停气，
发生以下情况则属于普通燃气突发事件：居民用户停气数量在300户以下；
在发生普通燃气突发事件的情况下，仅提示具有三级权限的用户，对事件发生的管理单元管网的管理单元仿真模型进行仿真分析，以指导维修和调度；
在发生一般燃气突发事件的情况下，提示具有三级权限的用户和具有二级权限的用户，对事件涉及的辖区管网的辖区仿真模型和涉及管理单元管网的管理单元仿真模型进行协同仿真分析，以指导维修和调度；
在发生重大燃气事件或者特别重大燃气突发事件的情况下，提示具有一级权限的用户、具有二级权限的用户和具有三级权限的用户，对所述城市主干仿真模型、事件涉及的辖区管网的辖区仿真模型和涉及管理单元管网的管理单元仿真模型进行协同仿真分析，以指导维修和调度。
5.根据权利要求1所述的仿真方法，其特征在于，获取所述城市主干仿真模型中对应于辖区仿真模型的边界条件的主干节点的仿真数据进一步包括；
搜索遍历所述辖区仿真模型中的所有管路的回路；如果搜索不到这样的回路，则搜索末端伸出到辖区以外邻近区域的管段；进一步搜索遍历所述辖区仿真模型中的所有管路以及伸出管段的回路，如果搜索到这样的回路，则也使用所述末端的仿真数据作为所述辖区仿真模型的边界条件；和/或
获取所述管理单元所属辖区的辖区仿真模型中对应于所述管理单元仿真模型的边界条件的辖区节点的仿真数据进一步包括：
搜索遍历所述管理单元仿真模型中的所有管路的回路；如果搜索不到这样的回路，则搜索末端伸出到管理单元以外邻近区域的管段；进一步搜索遍历所述管理单元仿真模型中的所有管路以及伸出管段的回路，如果搜索到这样的回路，则也使用所述末端的仿真数据作为所述管理单元仿真模型的边界条件。
6.根据权利要求1所述的仿真方法，其特征在于，还包括：
确定所述城市主干仿真模型与所述辖区仿真模型之间的一级-二级过渡点，所述一级-二级过渡点用于分割所述城市主干仿真模型与所述辖区仿真模型；
确定所述辖区仿真模型与所述管理单元仿真模型之间的二级-三级过渡点，所述二级-三级过渡点用于分割所述辖区仿真模型与所述管理单元仿真模型，
其中，所述一级-二级过渡点的仿真数据用作所述辖区仿真模型的边界条件，所述二级-三级过渡点的仿真数据用作所述管理单元仿真模型的边界条件。
7.根据权利要求6所述的仿真方法，其特征在于，还包括：
接收用户的指示折叠隐藏管网或者展开管网的交互操作；
在接收到用户的指示折叠隐藏管网的交互操作且用户具有一级权限的情况下，仅仅呈现所述一级-二级过渡点上游的城市主干仿真模型；
在接收到用户的折叠隐藏管网的交互操作且用户具有二级权限的情况下，仅仅呈现所述二级-三级过渡点上游的所述辖区仿真模型。
8.根据权利要求6所述的仿真方法，其特征在于，还包括：
接收用户的指示折叠隐藏管网或者展开管网的交互操作；
在接收到用户的指示展开管网的交互操作且用户具有一级权限的情况下，使得一级仿真***获取二级仿真***和三级仿真***的仿真数据，一并连接呈现所述城市主干仿真模型、所述辖区仿真模型和所述管理单元仿真模型；
在接收到用户的指示展开管网的交互操作且用户具有二级权限的情况下，使得二级仿真***获取所述三级仿真***的仿真数据，一并连接呈现所述辖区仿真模型和所述管理单元仿真模型。
9.一种城市燃气多级管网的仿真平台，其特征在于，包括：
接口，其配置为：接收来自城市燃气多级管网的GIS***和SCADA监控***的管网信息；
至少一个处理器，其配置为：执行根据权利要求1-8中任何一项所述的城市燃气多级管网的仿真方法。
10.一种计算机可读介质，其上存储有计算机可执行指令，计算机可执行指令由处理器执行时，实现根据权利要求1-8中任何一项所述的城市燃气多级管网的仿真方法。
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Non-Patent Citations (1)
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|---|
| 张应辉;: "管网仿真在城市燃气输配调度中的应用" * |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117829791A (zh) * | 2024-03-05 | 2024-04-05 | 成都秦川物联网科技股份有限公司 | 基于监管物联网的智慧燃气监管信息处理方法与*** |
| CN117829791B (zh) * | 2024-03-05 | 2024-05-14 | 成都秦川物联网科技股份有限公司 | 基于监管物联网的智慧燃气监管信息处理方法与*** |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN115879324B (zh) | 2023-05-23 |
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Denomination of invention: Simulation methods, simulation platforms, and media for multi-stage urban gas pipeline networks Granted publication date: 20230523 Pledgee: Shijiazhuang Luquan Rural Commercial Bank Co.,Ltd. Pledgor: BEIJING YUNLU TECHNOLOGY CO.,LTD. Registration number: Y2024980015341 |