[发明专利]基于自然选择和群体遗传机理的搜索方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于自然选择和群体遗传机理的搜索方法。

背景技术

天然气集输系统是一个密闭的、非常复杂的多级网络系统，同时又是一个巨大的能量耗散系统，它作为气田地面生产系统的核心和主体部分，其投资占整个气田地面工程的60％～70％以上。因而，对集输管网进行优化设计显得尤为重要。一般来说，天然气集输管网系统的优化设计分两个方面：布局优化和参数优化。其中布局优化是集输管网系统优化的首要任务和关键阶段，布局优化合理与否，不仅关系到整个油气田地面工程的投资费用，而且也关系到管网系统后续参数优化的进一步开展。在此，布局优化将是本文讨论的核心。

目前，天然气管道日趋朝着长距离、大口径、高压力、多用户、大网络和向极地(海上)延伸的方向发展，再加上开采气井的日渐复杂化，传统的管道优化技术已满足不了目前管道发展的需要，这使得整个管网系统的布局优化设计变得更加困难。此外，集输管网拓扑优化问题是包含大量离散变量的复杂组合优化问题，从优化的角度来看，该优化问题涉及离散优化、非线性优化等多方面的优化理论，从计算复杂性的角度来看，它又属于NP-hard问题，许多学者从分级优化的角度出发，将整个管网系统的布局优化分若干个阶段进行，且均在一定程度上做了简化，在求解算法选取上主要偏重于传统优化方法，将混合启发式算法应用到集输管网布局优化中的例子还比较少。同时，世界尚未出现十分完善的规划设计软件，这也有待于工程技术人员和科研工作者进一步开拓。当今优化决策方法正朝着集成化、大系统、最优化、电算化方向发展，但大型复杂系统的优化方法还处在起步阶段，现有的成型算法只适用于特定形态的模型。随着遗传算法、粒子群算法和模拟退火算法的兴起，这些现代优化算法正成为解决组合优化问题的一种有力工具，它们在求解多目标组合优化难题上体现了很大的优势，因而将智能优化方法应用到油气集输系统，建立油气集输系统中组合优化的求解理论及优化方法，从而指导规划设计和生产运行，这也正是今后组合优化发展的一个方向。

目前，气田集输系统所采用的管网布局方式主要是星式网络和环型网络。一般说来，环状管网的可靠性好，但投资大；树状管网的投资小，但可靠性较差，应从可靠性和投资两方面来考虑。由于集输管网布局优化问题是一个多学科互相交叉运用的问题，涉及到最优化方面的数学理论、技术经济评价以及如何通过计算机实现优化的问题，因而最优化理论与技术、计算机技术、数值计算方法的发展和广泛应用，可为管网布局优化研究提供必要的理论基础和实现手段。长期以来，针对气田集输管网布局优化问题，国内外学者做了大量的研究工作。

在20世纪60年代，哈克斯首先将优化方法引入到管道系统设计上来，他利用库恩-塔克定理确定管道系统的最优条件，但该方法较简单，在实际应用时受到限制。

1979年，Bharkaran等人研究了天然气集输管网的优化设计，他们将该系统的设计问题区分为系统布局子问题、节点位置子问题和直径分派子问题。但是只解决了以管网总费用最小为目标函数，不考虑压缩机站的位置，用线性规划的方法解决了直径分派子问题。

1987年，Soliman F.I.and Nurtagh，B.A.对大型输气管网系统进行了优化设计，建立了以管网造价最低为目标函数的数学模型，并采用传统线性化方法对模型进行了求解，获得了较好的优化结果。Tatsuo Oyama对最优站址问题进行了研究，建立了以路径最短为目标函数的数学模型，并采用传统优化算法进行了求解。

2000年，Eusuff和Lansey首次提出采用新兴的智能算法——蛙跳算法来解决组合优化问题。2003年，Muzaffar和Kevin利用蛙跳算法求解组合优化问题的优越性，将其应用到给水管网的参数优化这类组合优化问题中，并取得了较好的参数优化效果。

2005年，A.de Sa Neto and V.J.M.F.Filho等人首次将仿真优化方法成功地应用于虚拟输气管道的经济费用模型求解中，虚拟输气管道主要是将CNG或LNG从储罐输送到偏远地区。实例计算表明该法在优化成本效益上具有较大的优越性，对寻找输气管道优化问题的求解方法具有一定的借鉴作用。