西氣東輸管道子系統(tǒng)辨識(shí)建模研究_圖文

1、倡本文為中國石油西氣東輸管道公司項(xiàng)目西氣東輸管道輔助控制決策系統(tǒng)研究項(xiàng)目（編號(hào)：）。作者簡介：吳巖，女，年生，博士；年獲中國石油大學(xué)（北京）油氣儲(chǔ)運(yùn)專業(yè)博士學(xué)位，研究方向?yàn)橛蜌忾L距離管輸技術(shù)；現(xiàn)在中石油西氣東輸管道公司生產(chǎn)運(yùn)行處工作。地址：（）上海市浦東區(qū)福山路號(hào)同盛大廈室。電話：（），。：，西氣東輸管道子系統(tǒng)辨識(shí)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(shù)”北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室中國石油大學(xué)）吳巖等西氣東輸管道子系統(tǒng)辨識(shí)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(qiáng)耦合、大時(shí)滯的復(fù)雜系統(tǒng)，傳統(tǒng)的數(shù)學(xué)建模和辨識(shí)方法很難準(zhǔn)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(yùn)行特性和控制特點(diǎn)，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(jì)學(xué)理論發(fā)展起來的先進(jìn)數(shù)據(jù)分類和回歸工具支持向量機(jī)（）方法，基于數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)（）提供的實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)，建立了子系統(tǒng)辨識(shí)模型。該模型較精確地預(yù)測(cè)了不同控制參數(shù)調(diào)節(jié)對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)出口壓力值，為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)管輸系統(tǒng)優(yōu)化控制奠定了基礎(chǔ)。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(jī)數(shù)學(xué)模型的建立可以分為基于機(jī)理的建模方法和基于數(shù)據(jù)的系統(tǒng)辨識(shí)方法。對(duì)于西氣東輸管網(wǎng)系統(tǒng)，由于對(duì)控制參數(shù)變化引起的系統(tǒng)的響應(yīng)規(guī)律以及控制過程的偏差、超調(diào)、時(shí)滯等了解不夠，因此在機(jī)理分析時(shí)進(jìn)行了很多的簡化和假設(shè)，使得所建機(jī)理模型與實(shí)際過程之間存在較大誤差。所

3、以傳統(tǒng)的基于機(jī)理建模的研究方法，已無法滿足西氣東輸這一復(fù)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(guān)系矩陣，實(shí)現(xiàn)對(duì)不依賴受控對(duì)象數(shù)學(xué)模型或?qū)ξ粗獜?fù)雜非線性系統(tǒng)的“黑箱”模型的辨識(shí)，對(duì)于控制理論在復(fù)雜天然氣管網(wǎng)中的應(yīng)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(gè)區(qū)段的運(yùn)行特點(diǎn)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(diǎn)分輸閥門開度和最后一臺(tái)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速作為系統(tǒng)控制參數(shù)，針對(duì)連接大型支線或聯(lián)絡(luò)線連接點(diǎn)處干線壓力進(jìn)行模型辨識(shí)研究，辨識(shí)模型拓?fù)鋱D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(luò)線組成的系統(tǒng)為例，由于榆林聯(lián)絡(luò)線輸氣

4、壓力限制（）及工藝流程切換（聯(lián)絡(luò)線反向輸氣聯(lián)絡(luò)線正向輸氣）等特點(diǎn) ，其與干線連圖西氣東輸?shù)湫拖到y(tǒng)拓?fù)鋱D接點(diǎn)處壓力被視為西氣東輸系統(tǒng)運(yùn)行過程中需要重點(diǎn)控制的參數(shù)值。聯(lián)絡(luò)線分輸流量變化或干線上游用戶用氣量波動(dòng)帶來的影響作用于連接點(diǎn)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(jī)轉(zhuǎn)速值、分輸閥門開度，使子系統(tǒng)出口壓力值滿足分級(jí)優(yōu)化得到的該點(diǎn)的壓力控制值。用適當(dāng)?shù)南到y(tǒng)辨識(shí)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(jí)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(jī)理論年在解決模式識(shí)別問題時(shí)提出了支持向量機(jī)方法（）。這種方法從訓(xùn)練樣本集中選擇一組特征樣本子集，使得對(duì)特

5、征樣本集的劃分等價(jià)于對(duì)整個(gè)數(shù)據(jù)集的劃分，第卷第期天然氣工業(yè)儲(chǔ)運(yùn)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(yīng)用于目標(biāo)識(shí)別任務(wù)的研究。近年來支持向量機(jī)在回歸算法研究方面也表現(xiàn)了極好的性能，被成功地應(yīng)用于時(shí)間序列的預(yù)測(cè)研究、非線性建模與預(yù)測(cè)、優(yōu)化控制等方面。支持向量機(jī)回歸的基本思想是通過一個(gè)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(gè)空間進(jìn)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(jī)（）建立子系統(tǒng)辨識(shí)模型根據(jù)上述西氣東輸?shù)湫拖到y(tǒng)的特點(diǎn)，系統(tǒng)輸入為控制參數(shù)的組合向量，包括最后一臺(tái)壓縮機(jī)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(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)置值及系統(tǒng)內(nèi)各個(gè)分輸用戶的負(fù)荷影響，且這些控制量之間存在不確定的耦合關(guān)系，距離系統(tǒng)出口點(diǎn)最近的調(diào)節(jié)閥開度設(shè)置值（分輸量）大小對(duì)該點(diǎn)壓力影響最大，且影響最為直接。根據(jù)支持向量機(jī)回歸理論，筆者建立了該系統(tǒng)的辨識(shí)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(guān)系，預(yù)測(cè)了系統(tǒng)的輸出。模型辨識(shí)過程包括如下幾個(gè)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(chǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)。（）特征提取單元。提取輸入輸出向量中對(duì)模型結(jié)構(gòu)影響較大的特征向量，在支持向量機(jī)方法中尤為重要。（）預(yù)處理單元。對(duì)樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪和標(biāo)準(zhǔn)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(shí)的核心單元。（）后處理單元。從模型辨識(shí)核心單元輸出的值不能直接應(yīng)用，需要對(duì)其進(jìn)行諸如解碼之類的處理，稱作后處理。采用支持向量回歸機(jī)（）進(jìn)行系統(tǒng)模型的預(yù)測(cè)，系統(tǒng)模型可表示如下。（）（），（），（），（）（，）式中：（）和分別代表子系統(tǒng)的第個(gè)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(jì)非線性模型結(jié)構(gòu)圖筆者采用提供的庫來對(duì)系統(tǒng)出口壓力進(jìn)行預(yù)測(cè)。用算法進(jìn)行預(yù)測(cè)時(shí)，采用高斯函數(shù)作為核函數(shù)。經(jīng)過倍交叉驗(yàn)證后選取的參數(shù)為，。其中、和分別代表支持向量回歸機(jī)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(xùn)練樣本集訓(xùn)練支持向量回歸機(jī)，得到基于該訓(xùn)練數(shù)據(jù)的

8、支持向量回歸（）模型。最后用訓(xùn)練好的模型對(duì)測(cè)試集數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)試，得到預(yù)測(cè)結(jié)果及其與真實(shí)值的均方誤差（）為。以下為運(yùn)用算法預(yù)測(cè)西氣東輸系統(tǒng)該監(jiān)測(cè)點(diǎn)（淮武聯(lián)絡(luò)線連接干線管道處）從年月日：到月日：每隔共個(gè)時(shí)間點(diǎn)的壓力值，預(yù)測(cè)值與真實(shí)值之間比較結(jié)果如圖 所示。圖預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)際值比較圖對(duì)該子系統(tǒng)年月日：至月日：時(shí)間段內(nèi)每隔的出口壓力值進(jìn)行預(yù)測(cè)，則預(yù)測(cè)結(jié)果與真實(shí)值對(duì)比曲線如圖 所示。圖預(yù)測(cè)系統(tǒng)出口壓力值與實(shí)際值比較圖儲(chǔ)運(yùn)與集輸工程天然氣工業(yè)年月四、結(jié)論筆者針對(duì)西氣東輸管道系統(tǒng)控制特點(diǎn)，將龐大的非線性、強(qiáng)耦合、變時(shí)滯系統(tǒng)按照西氣東輸管道運(yùn)行特性和控制重點(diǎn)，根據(jù)分級(jí)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(jī)回歸建模的方法進(jìn)行了子系統(tǒng)的辨識(shí)建模，為基于數(shù)據(jù)的先進(jìn)辨識(shí)方法在天然氣管網(wǎng)系統(tǒng)中的成功應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)，并為最終實(shí)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(xué)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(duì)于