西氣東輸管道子系統(tǒng)辨識建模研究_圖文

1、倡本文為中國石油西氣東輸管道公司項目西氣東輸管道輔助控制決策系統(tǒng)研究項目（編號：）。作者簡介：吳巖，女，年生，博士；年獲中國石油大學（北京）油氣儲運專業(yè)博士學位，研究方向為油氣長距離管輸技術；現(xiàn)在中石油西氣東輸管道公司生產(chǎn)運行處工作。地址：（）上海市浦東區(qū)福山路號同盛大廈室。電話：（），。：，西氣東輸管道子系統(tǒng)辨識建模研究倡吳巖宮敬（中國石油西氣東輸管道公司“城市油氣輸配技術”北京市重點實驗室中國石油大學）吳巖等西氣東輸管道子系統(tǒng)辨識建模研究天然氣工業(yè)，（）：摘要西氣東輸管道系統(tǒng)屬于非線性、強耦合、大時滯的復雜系統(tǒng)，傳統(tǒng)的數(shù)學建模和辨識方法很難準確描述該類系統(tǒng)的控制特性。為此，根據(jù)西氣東輸管道

2、系統(tǒng)的運行特性和控制特點，將系統(tǒng)劃分為一類多入單出（）子系統(tǒng)模式，采用由統(tǒng)計學理論發(fā)展起來的先進數(shù)據(jù)分類和回歸工具支持向量機（）方法，基于數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)（）提供的實際運行數(shù)據(jù)，建立了子系統(tǒng)辨識模型。該模型較精確地預測了不同控制參數(shù)調(diào)節(jié)對應的系統(tǒng)出口壓力值，為進一步實現(xiàn)管輸系統(tǒng)優(yōu)化控制奠定了基礎。主題詞西氣東輸輸氣管道控制系統(tǒng)最優(yōu)化支持向量機數(shù)學模型的建立可以分為基于機理的建模方法和基于數(shù)據(jù)的系統(tǒng)辨識方法。對于西氣東輸管網(wǎng)系統(tǒng)，由于對控制參數(shù)變化引起的系統(tǒng)的響應規(guī)律以及控制過程的偏差、超調(diào)、時滯等了解不夠，因此在機理分析時進行了很多的簡化和假設，使得所建機理模型與實際過程之間存在較大誤差。所

3、以傳統(tǒng)的基于機理建模的研究方法，已無法滿足西氣東輸這一復雜非線性系統(tǒng)的控制要求。因此，依據(jù)西氣東輸系統(tǒng)輸入輸出數(shù)據(jù)的關系矩陣，實現(xiàn)對不依賴受控對象數(shù)學模型或?qū)ξ粗獜碗s非線性系統(tǒng)的“黑箱”模型的辨識，對于控制理論在復雜天然氣管網(wǎng)中的應用具有重要意義。一、西氣東輸子系統(tǒng)特性筆者根據(jù)西氣東輸系統(tǒng)各個區(qū)段的運行特點及控制要求，將其按照控制特性歸結(jié)出一類子系統(tǒng)模式多入單出（）系統(tǒng)。該子系統(tǒng)以多點分輸閥門開度和最后一臺壓縮機轉(zhuǎn)速作為系統(tǒng)控制參數(shù)，針對連接大型支線或聯(lián)絡線連接點處干線壓力進行模型辨識研究，辨識模型拓撲圖見圖。圖中、為出口流量和壓力值。以靖邊壓氣站至榆林聯(lián)絡線組成的系統(tǒng)為例，由于榆林聯(lián)絡線輸氣

4、壓力限制（）及工藝流程切換（聯(lián)絡線反向輸氣聯(lián)絡線正向輸氣）等特點 ，其與干線連圖西氣東輸?shù)湫拖到y(tǒng)拓撲圖接點處壓力被視為西氣東輸系統(tǒng)運行過程中需要重點控制的參數(shù)值。聯(lián)絡線分輸流量變化或干線上游用戶用氣量波動帶來的影響作用于連接點處，將使壓力發(fā)生變化，需要調(diào)節(jié)子系統(tǒng)內(nèi)壓縮機轉(zhuǎn)速值、分輸閥門開度，使子系統(tǒng)出口壓力值滿足分級優(yōu)化得到的該點的壓力控制值。用適當?shù)南到y(tǒng)辨識方法解決這類系統(tǒng)的建模問題，將有助于解決西氣東輸分級控制過程中調(diào)節(jié)子系統(tǒng)某單一參量（壓力流量）在限制值范圍內(nèi)的控制問題。二、支持向量機理論年在解決模式識別問題時提出了支持向量機方法（）。這種方法從訓練樣本集中選擇一組特征樣本子集，使得對特

5、征樣本集的劃分等價于對整個數(shù)據(jù)集的劃分，第卷第期天然氣工業(yè)儲運與集輸工程這組特征樣本就稱為支持向量（）。目前它已被成功地應用于目標識別任務的研究。近年來支持向量機在回歸算法研究方面也表現(xiàn)了極好的性能，被成功地應用于時間序列的預測研究、非線性建模與預測、優(yōu)化控制等方面。支持向量機回歸的基本思想是通過一個非線性映射將維線型空間（）中的數(shù)據(jù)映射到高維特征空間（空間）中。并在這個空間進行線性回歸，。即（）（）式中：是閥值，是系數(shù)矩陣。三、基于支持向量回歸機（）建立子系統(tǒng)辨識模型根據(jù)上述西氣東輸?shù)湫拖到y(tǒng)的特點，系統(tǒng)輸入為控制參數(shù)的組合向量，包括最后一臺壓縮機轉(zhuǎn)速、各分輸站閥門開度值；系統(tǒng)的輸出為系統(tǒng)出口

6、壓力或流量值。由系統(tǒng)水力特性可知，系統(tǒng)的輸出受壓縮機轉(zhuǎn)速設置值及系統(tǒng)內(nèi)各個分輸用戶的負荷影響，且這些控制量之間存在不確定的耦合關系，距離系統(tǒng)出口點最近的調(diào)節(jié)閥開度設置值（分輸量）大小對該點壓力影響最大，且影響最為直接。根據(jù)支持向量機回歸理論，筆者建立了該系統(tǒng)的辨識模型，獲得了系統(tǒng)輸入輸出數(shù)據(jù)之間的非線性映射關系，預測了系統(tǒng)的輸出。模型辨識過程包括如下幾個功能單元。（）模式獲取單元。即數(shù)據(jù)采集過程，獲取西氣東輸系統(tǒng)提供的現(xiàn)場運行數(shù)據(jù)。（）特征提取單元。提取輸入輸出向量中對模型結(jié)構(gòu)影響較大的特征向量，在支持向量機方法中尤為重要。（）預處理單元。對樣本數(shù)據(jù)進行去噪和標準化處理（如本文中變換到，范圍內(nèi)

7、）。（）回歸描述單元是系統(tǒng)模型辨識的核心單元。（）后處理單元。從模型辨識核心單元輸出的值不能直接應用，需要對其進行諸如解碼之類的處理，稱作后處理。采用支持向量回歸機（）進行系統(tǒng)模型的預測，系統(tǒng)模型可表示如下。（）（），（），（），（）（，）式中：（）和分別代表子系統(tǒng)的第個支持向量的輸入和系統(tǒng)輸出。其基本結(jié)構(gòu)如圖 所示。圖估計非線性模型結(jié)構(gòu)圖筆者采用提供的庫來對系統(tǒng)出口壓力進行預測。用算法進行預測時，采用高斯函數(shù)作為核函數(shù)。經(jīng)過倍交叉驗證后選取的參數(shù)為，。其中、和分別代表支持向量回歸機中的高斯核參數(shù)、懲罰系數(shù)和不敏感系數(shù)。確定好模型的參數(shù)后，利用訓練樣本集訓練支持向量回歸機，得到基于該訓練數(shù)據(jù)的

8、支持向量回歸（）模型。最后用訓練好的模型對測試集數(shù)據(jù)進行測試，得到預測結(jié)果及其與真實值的均方誤差（）為。以下為運用算法預測西氣東輸系統(tǒng)該監(jiān)測點（淮武聯(lián)絡線連接干線管道處）從年月日：到月日：每隔共個時間點的壓力值，預測值與真實值之間比較結(jié)果如圖 所示。圖預測結(jié)果與實際值比較圖對該子系統(tǒng)年月日：至月日：時間段內(nèi)每隔的出口壓力值進行預測，則預測結(jié)果與真實值對比曲線如圖 所示。圖預測系統(tǒng)出口壓力值與實際值比較圖儲運與集輸工程天然氣工業(yè)年月四、結(jié)論筆者針對西氣東輸管道系統(tǒng)控制特點，將龐大的非線性、強耦合、變時滯系統(tǒng)按照西氣東輸管道運行特性和控制重點，根據(jù)分級控制的思想劃分為一類典型子系統(tǒng)模式（子系統(tǒng)）；采用支持向量機回歸建模的方法進行了子系統(tǒng)的辨識建模，為基于數(shù)據(jù)的先進辨識方法在天然氣管網(wǎng)系統(tǒng)中的成功應用奠定了基礎，并為最終實現(xiàn)西氣東輸管網(wǎng)系統(tǒng)的優(yōu)化控制研究提供了可靠的數(shù)學模型。西氣東輸管道系統(tǒng)還包括一類多入多出（）子系統(tǒng)模式，對于