天然氣長輸管道設(shè)計方案綜合評價系統(tǒng)

1、油氣儲運(yùn)2005年設(shè)計計算 天然氣長輸管道設(shè)計方案 綜合評價系統(tǒng)3文濤33汪玉春(西南石油學(xué)院郭怡(中石化西南分公司川西采輸處文 濤 汪玉春等 : 天然氣長輸管道設(shè)計方案綜合評價系統(tǒng) ,油氣儲運(yùn) ,2005,24(81014。 摘 要 在總結(jié)已有的用于輸氣管多方案綜合評價方法的 基礎(chǔ)上 ,構(gòu)建了一個完整的輸氣管道設(shè)計方案綜合評價系統(tǒng) ,其步驟是,結(jié)合層次分析法 (AHP 的研究成果,解決了 模糊綜合評價中工藝參數(shù)和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的權(quán)重取值問題 ,完善了模糊綜合評價法 ;采用 效用函數(shù)法和密切值法對輸氣管設(shè)計方案集進(jìn)行綜合評價 ,引入最大兼容度概念對 評價方法再進(jìn)行綜合評判 ,采用最大兼容度模型得到兼

2、容多種評價方法的排序結(jié)果 , 以此作為最終的輸氣管設(shè)計方案優(yōu)選結(jié)果。算例分析表明 ,該系統(tǒng)能夠優(yōu)選出既滿主題詞 輸足工藝要求 ,又經(jīng)濟(jì)合理的輸氣管最佳方案 ,具有一定的實用價值。 氣管道 設(shè)計方案 優(yōu)化 綜合評價 系統(tǒng)、構(gòu)建輸氣管道設(shè)計方案綜合 評價系統(tǒng)的必要性天然氣長輸管道工程具有高技術(shù)、高投入、高風(fēng)險的特點(diǎn),對各工程方案進(jìn)行科學(xué)決策非常重要。自 20世紀(jì) 90年代以來,隨著 模糊集合論、灰色理論和物元分析的引入 ,形成了一套比較完善的用于油氣管道設(shè) 計的多方案綜合評價方法?？偨Y(jié)這些方法主要有 17灰色關(guān)聯(lián)分析法、灰色物元分析法、模糊物元分析法、灰色多目標(biāo)局勢決策 法、模糊物元局勢決策法以及

3、層次分析法 (AHP 等。綜合比較這些方法 ,灰色物元分 析和模糊物元分析是在灰色關(guān)聯(lián)法和模糊綜合評價的基礎(chǔ)上引入了物元概念,在算法上實際是相通的。而對于多目標(biāo)局勢決策 ,其在算法上有一定改進(jìn) ,但是方法本身 計算比較復(fù)雜。層次分析法計算過程也較復(fù)雜 ,但是在權(quán)重確定上有其可取之處。輸氣管道工程是一個復(fù)雜而多變的系統(tǒng)工程 ,評價結(jié)果是否符合工程實踐 需要考慮許多因素 ,只用一種評價方法來判斷設(shè)計方案的優(yōu)劣在某些情況下是不夠 全面的。只有同時采用多種評價方法來進(jìn)行綜合分析 ,才能選取符合工程實際的最 優(yōu)方案。但是不同方法的方案優(yōu)選結(jié)果都有一定的差異 ,如何把多種評價方法的方 案優(yōu)選結(jié)果兼容起來

4、,使之最大限度地體現(xiàn)各種評價方法的結(jié)果和優(yōu)點(diǎn) ,是一個值得 研究的問題。根據(jù)這個思路 ,在三個方面進(jìn)行了探索 ,一是結(jié)合層次分析法的權(quán)重分析成果對 模糊綜合評價進(jìn)行了改進(jìn) ;二是在對現(xiàn)有評價方法綜合研究的基礎(chǔ)上 ,提出了用于天 然氣長輸管道多方案綜合評價的效用函數(shù)法 8和密切值法 9兩種新方法 ;三是引入兼容度 10的概念 ,采用最大兼容度法對灰色關(guān)聯(lián)法及以上三種方法進(jìn)行再評價 ,對輸氣管 道設(shè)計方案集做到優(yōu)中選優(yōu)。通過以上研究 ,構(gòu)建了一個較完整的輸氣管道設(shè)計方案綜合評價系統(tǒng) ,見圖 1。3四川省高校重點(diǎn)學(xué)科建設(shè)資助項目 ,編號:SZ D0416。 33610500,四川省成 都市新都區(qū) ;

5、電話 :(02883030545。01?圖 1 輸氣管道設(shè)計方案綜合評價系統(tǒng)框圖、輸氣管道設(shè)計方案的模糊綜合評價采用模糊綜合評價對輸氣管設(shè)計方案集進(jìn)行綜合評判涉及權(quán)重的概念,而對天然氣長輸管道指標(biāo)體系的權(quán)重分析 ,因為經(jīng)濟(jì)指標(biāo)和工藝參數(shù)的重要程度本身 就是一個模糊的概念 ,再加上各指標(biāo)之間還存在著復(fù)雜的相互作用關(guān)系 ,所以解決起 來較為困難。利用文獻(xiàn) 7和文獻(xiàn) 9層次分析法的權(quán)重分析結(jié)果 ,在一定程度上解決 了原方法中權(quán)重取值問題。按照圖 2 的構(gòu)造層次分析圖對輸氣管道各個指標(biāo)的關(guān)系進(jìn)行分析 ,“最優(yōu)設(shè) 計方案”屬于目標(biāo)層; “管道工藝參數(shù) ”和“管道經(jīng)濟(jì)參數(shù) ”屬于參數(shù)層;最底層屬于指標(biāo) 層

6、。1、 “管道設(shè)計參數(shù) ”目標(biāo)層和其下的工藝參數(shù)的權(quán)重分析在天然氣長輸管道建設(shè)中 ,管道和壓縮機(jī)站的投資一般占工程建設(shè)投資的絕大 部分。管道投資的多少由管徑的大小決定 ,而壓縮機(jī)站站數(shù)會對工程建設(shè)投資產(chǎn)生 重大的影響 ,并且會直接決定管道建成后的運(yùn)行費(fèi)用。由此可見 ,相對于其它工藝參 數(shù),管徑和壓縮機(jī)站站數(shù)非常重要。結(jié)合工程實際 ,按照 AHP 法 7,9步驟構(gòu)建的 “管道設(shè)計參數(shù) ”目標(biāo)層和其下的工藝參數(shù)的權(quán)重矩陣為 :231=(0.3846,0.0769,0.0769,0.0769,0.38462、 “經(jīng)濟(jì)技術(shù)參數(shù) ”目標(biāo)層和其下的幾個參數(shù)之間的權(quán)重分析 總折算費(fèi)用相對于其它經(jīng)濟(jì)參數(shù)非常重

7、要 ,該“經(jīng)濟(jì)技術(shù)參數(shù) ”目標(biāo)層和其下的 幾個參數(shù)的權(quán)重矩陣為 :232=(0.125,0.125,0.125,0.625于是可以得到指標(biāo)層和 “最優(yōu)設(shè)計方案的確立 ”目標(biāo)層的權(quán)重為 :131=(0.1923,0.03845,0.03845,0.03845,0.1923132=(0.0625,0.0625,0.0625,0.3125代入模糊綜合評價的從優(yōu)隸屬度計算公式b j= nk=1k?rk j(1式中 r各方案各種指標(biāo)的隸屬度。文獻(xiàn)3和文獻(xiàn) 4給出了具體計算步驟。圖 2 輸氣管道設(shè)計方案各指標(biāo) AHP 權(quán)重層次圖三、輸氣管道綜合評價的新方法1、 效用函數(shù)法 8(1 基本原理效用函數(shù)法類似于

8、線性加權(quán)法 ,但它不采用直接對目標(biāo)加權(quán)的方式 ,而是將目標(biāo) 值轉(zhuǎn)化為效用值之后 ,再進(jìn)行加權(quán) ,并構(gòu)成一個新的綜合的單目標(biāo)函數(shù) ,直接利用效用 函數(shù)來獲取目標(biāo)的等價效用值的方法 ,被稱為效用函數(shù)法 9。(2在輸氣管道綜合評價中的應(yīng)用對于輸氣管道評價指標(biāo)體系 ,工藝參數(shù)指標(biāo)有管徑、輸送壓力、首站壓比、中 間站壓比和壓縮機(jī)站站數(shù) ;經(jīng)濟(jì)參數(shù)有管道投資費(fèi)、建站投資費(fèi)、操作經(jīng)營費(fèi)和年折合費(fèi)。對這些指標(biāo)采用式 (2 進(jìn)行無量綱化處理uija ijm ax1 i ma ij1+m in1 i ma ijm ax1 i ma ij(i=1,2 ,m;j=1,2 n(2第 24卷第 8 期文 濤等:天然氣長輸

9、管道設(shè)計方案綜合評價系統(tǒng)式中 a ij 第i 個方案的第 j 個指標(biāo)值;m 方案數(shù)目 ;n 指標(biāo)數(shù)目。結(jié)合工程實際 ,在天然氣長輸管道指標(biāo)體系中 ,工藝參數(shù)指標(biāo)在管道強(qiáng)度約束 ,水 力約束滿足的條件下 ,輸送壓力越高越好 ,而其他工藝參數(shù)指標(biāo)都是越小越好。對于 經(jīng)濟(jì)指標(biāo) ,顯然是越小越好。各方案的效用函數(shù)值采用下式計算 :U j =mi =1iu ij(3式中 i各指標(biāo)的權(quán)重系數(shù) (見 “輸氣管道設(shè)計方案的模糊綜合評價 ”部分的權(quán)重分析。在效用函數(shù)的定義下 ,效用函數(shù)值越大 ,方案越優(yōu)。2、 密切值法密切值法是由距離法改進(jìn)而來的 ,它的基本思想是 ,先找出關(guān)于方案集 (決策點(diǎn)的 “最優(yōu)點(diǎn)”和“

10、最劣點(diǎn) ”然,后找出盡可能接近 “最優(yōu)點(diǎn)”而遠(yuǎn)離“最劣點(diǎn)”的決策點(diǎn) ,即所 尋求的“滿意方案 ”。密切值法的指標(biāo)體系與效用函數(shù)法在輸氣管道中的應(yīng)用相同 , 也是由 5個管道工藝參數(shù)指標(biāo)和 4 個管道經(jīng)濟(jì)參數(shù)指標(biāo)構(gòu)成 ,其計算步驟如下。(1規(guī)范化指標(biāo)矩陣b ij =a ij(當(dāng)指標(biāo)值為正向指標(biāo) -a ij ( 當(dāng)指標(biāo)值為逆向指標(biāo)(4正向指標(biāo)是指值越大越好的指標(biāo) ,逆向指標(biāo)是指值越小越好的指標(biāo)。對于輸氣管道評價指標(biāo)體系 ,各項指標(biāo)的具體分類無論 是效用函數(shù)法 ,還是密切值法都是一致的?？闪顬?:u ij =b ij m k =1b2ij12(5(2求方案集的 “最優(yōu)點(diǎn)”和“最劣點(diǎn)”令:m ax 1

11、 i mu ij =u +j ,m in1 i mu ij =u -j(3求各方案的 “密切值”并,選取“滿意方案C i =d +i d+d -i d(6 i=nj =1a2j u ij -u + j212 d -i = n j =1 a 2j u ij -u -j12d +=m in1 i md+i d=m ax 1 i md -i(7滿意方案 ”。在密切值法定義下 ,密切值最小的方案為四、用最大兼容度法評價輸氣管道設(shè)計方案1、兼容度概念10以（h+1為評價方法的數(shù)量 ,m 為方案數(shù)目 ,則對某個指標(biāo)評價體系 ,可以得到(h +1種 排序結(jié)果。根據(jù)多元統(tǒng)計分析理論 ,等級相關(guān)系數(shù)算式如下 :

12、r ij =1mmk =1a (i k -a -(i a (j k -a -(j 1mmk =1a (ik-a-(i 21mk =1 a (jk-a-(j 2=1-6 m (m21 m k =1 a (i k -a (j k2 (8在式(8中,a i k表示第 k 號方案在第 i 種方法下的評價結(jié)果 ,a-(i為aik的平均值 ,其可以度量第 i,j 兩個評價方案 a ik 和a jk 之間的相關(guān)程度。而某個評價方法的兼容度 , 是指該方法與其它評價方法的等 級相關(guān)系數(shù)的加權(quán)平均值。r y =1hh j =1ry j(9顯然 ,若每種評價方法相對獨(dú)立 ,則兼容度越大,其評價方法的代表性越強(qiáng) ,

13、可靠性越高 ,它在兼容度概念下也就越好2、最大兼容度評價模型根據(jù)文獻(xiàn) 10,采用式(10計算各方案在最大兼容度模型下的最終排序值 ,再根據(jù) 計算結(jié)果按遞增規(guī)律得到最終的方案優(yōu)劣序號。y k =1h +1 h +1j =1a(j k(k =1,2, ,m (103、兼容度法在輸氣管道方案評價中的應(yīng)用先對輸氣管道各設(shè)計方案的工藝、經(jīng)濟(jì)計算方案采用單一評價方法進(jìn)行評價 , 得到多個排序結(jié)果 ,再引入兼容度概念對各評價方法進(jìn)行綜合評判 ,根?21? 油 氣 儲 運(yùn)2005年據(jù)計算得到的兼容度值 ,可以大致掌握各種方法對當(dāng)前輸氣管道工程的適用性 , 然后采用最大兼容度評價模型計算 ,得到最終的兼容多種評

14、價方法優(yōu)點(diǎn)的最優(yōu)天然 氣長輸管道設(shè)計方案排序結(jié)果。4、應(yīng)用最大兼容度模型的工程意義作為工程技術(shù)人員 ,其理論成果必須要結(jié)合工程實際 ,為工程實踐服務(wù)。最大兼 容度模型不僅可以科學(xué)評判某種評價方法對于某個具體工程情況的適用性,而且還可以綜合各種評價方法的結(jié)果 ,得出更全面、更適合于工程實際的輸氣管道最優(yōu)設(shè) 計方案。另外 ,通過對多種評價方法獲得的評價結(jié)果進(jìn)行再評價和再綜合 ,從中可以 直觀地看出某具體工程情況下的最優(yōu)方案、最劣方案以及中間方案的分布趨勢,對工程設(shè)計具有顯著的指導(dǎo)作用。五、算 例設(shè)計一條長為 km,任務(wù)輸量為 8×108 m3/a的輸氣管道 ,天然氣在處理廠的 出廠壓力為

15、 5.88MPa,全線終點(diǎn)壓力 (城市配氣站進(jìn)站壓力不低于 0.98MPa,天然氣相 對密度為 0.6。通過經(jīng)濟(jì)計算 ,得到 36個方案 1。對上述工藝設(shè)計方案和經(jīng)濟(jì)計算結(jié)果分別采用灰色關(guān)聯(lián)法、模糊綜合評價、密 切值法和效用函數(shù)法進(jìn)行評價計算 ,其中灰色關(guān)聯(lián)法計算結(jié)果引用文獻(xiàn) 1 的計算結(jié) 果值 ,并采用最大兼容度模型對以上 4種方法的評價結(jié)果進(jìn)行兼容計算 ,得到最終的 方案排序結(jié)果 ,其中灰色關(guān)聯(lián)度、從優(yōu)隸屬度和效用函數(shù)值為越大越好 ,密切值為越 小越好,從而得到 4種評價結(jié)果 ,最后一列為采用最大兼容度模型得到的最終排序結(jié) 果 ,見表 1。從表 1 可以看出排序前兩位的是方案 3 和方案

16、4,具體參數(shù)見表 2。表 2 的結(jié)果與工程實際基本吻合 ,在處理廠的出廠壓力較高 (5.88MPa 的情況下 , 充分利用這個壓力輸送顯然是比較合理的選擇 ,這 4 種方法的兼容度計算結(jié)果見表 3。表 1 某輸氣管道工程設(shè)計方案集評價結(jié)果方案編號評價排序關(guān)聯(lián)度從優(yōu)隸 屬度 密切值效用函 數(shù)值 最大兼容度 最終排序 評價結(jié)果 關(guān)聯(lián) 度 從優(yōu)隸 屬度 密切 值 效用函數(shù) 值 最大兼容度計算結(jié)果118131735210.6590.649 1.2340.70320.75 25711840.7270.6600.0100.8197.75 3282610.7700.6560.2460.882 4.50 41

17、99120.8020.6550.6360.909 5.00 52014726120.6460.6490.6260.79616.75 610123750.7020.6500.2990.8708.00 731010230.7430.6510.6470.903 6.25 84232470.7290.871 3.4120.89310.50 915165980.6680.6440.4340.85811.25 1071511360.7150.6480.6660.8979.00 118133590.7130.871 3.4120.89311.75 122253628250.6450.78610.1010.7

18、8622.75 1331272836350.5900.612 2.2740.63530.50 141924627170.6590.6220.5740.78719.00 1514261220160.6710.6140.8270.81518.00 166*.7220.603 1.9310.86317.00 1732281631310.5860.611 1.2010.76326.75 1829291435270.6030.606 1.0960.79724.00 1916322524220.6660.606 1.9710.85720.75 201733410180.6610.6007.7780.804

19、19.00 2136312722360.5500.797 2.2690.73931.75 2235342133340.5700.600 1.5810.77830.00 2323352630280.6410.598 2.0170.85124.25 242143513230.6460.5977.7780.80420.75 25961823130.7050.797 1.2730.72216.75 261311434100.6820.6810.4270.80812.25 271117821110.6870.6510.6320.83513.00 2812251916150.6850.641 1.3320

20、.85217.00?31? 第 24卷第 8 期文 濤等:天然氣長輸管道設(shè)計方案綜合評價系統(tǒng)續(xù)表 1方案編號評價排序關(guān)聯(lián)度從優(yōu)隸 屬度 密切值效用函 數(shù)值 最大兼容度 最終排序 評價結(jié)果 關(guān)聯(lián) 度 從優(yōu)隸 屬度 密切 值 效用函數(shù) 值 最大兼容度計算結(jié)果2927181512240.6080.621 1.1630.78322.25 3026191329190.6170.6400.9790.81519.25 3125202019200.6220.632 1.4720.84720.00 3224333015290.6290.629 3.1100.85624.50 3334212911330.5710

21、.599 2.3790.75829.00 3433222232300.5830.628 1.6080.79625.50 3530232325260.5920.623 1.7090.83323.25 3628363117320.6050.623 3.2040.84827.25注 為灰色關(guān)聯(lián)法計算結(jié)果 ; 為模糊綜合評價計算結(jié)果 ; 為密切值 法計算結(jié)果 ;為效用函數(shù)法計算結(jié)果 ;為最大兼容度法計算結(jié)果。表 2 最優(yōu)設(shè)計方案工藝及經(jīng)濟(jì)參數(shù)原方案號管徑(mm壁厚(mm輸送壓力(MPa首站壓比中間站壓比站數(shù)（座管道投資費(fèi)用(元 /(km? a建站投資費(fèi)用(元 /(km? a經(jīng)營管理費(fèi)用(元 /(km?

22、 a折合費(fèi)用(元 /(km? a3457.06 5.88 1.00 1.162318171432130734555 4478.06 5.88 1.00 1.161331721062 65334888表 3 兼容度計算結(jié)果灰色關(guān)聯(lián)效用函數(shù)密切值法模糊綜合0.80920.79120.77060.7640表 3 的計算結(jié)果表明 , 在本算例中灰色關(guān)聯(lián)法在兼容度概念下具有較好的 適用性和可靠性 ,其他幾種方法次之。這個結(jié)論通過觀察表 1 數(shù)據(jù)也可以清楚地看 出 ,即灰色關(guān)聯(lián)法的評價結(jié)果和最大兼容度法的結(jié)果最接近 ,然后依次是效用函數(shù) 法、密切值法和模糊綜合評價法。六、結(jié) 論算例計算結(jié)果表明 ,各種評價

23、方法對于某個天然氣管道工程具有不同程度 的適用性。在本算例中除了采用最大兼容度法評價外 ,采用灰色關(guān)聯(lián)法評價也能取得較好的評價效果。比較而言 ,灰色關(guān)聯(lián)法是比較理想的一種評價方法 ,而如果單獨(dú) 采用模糊綜合評價或者密切值法進(jìn)行評價 ,效果則不太理想。對于天然氣長輸管道設(shè)計 ,應(yīng)按照以下步驟進(jìn)行。(1 優(yōu)化設(shè)計提出方案。(2采用多種評價方法進(jìn)行評價排序。(3 對多種方法采用最大兼容度概念進(jìn)行綜合評價 ,以綜合各方法的排序結(jié)果作 為最終的方案評判結(jié)果 ,所有的過程構(gòu)成了輸氣管道設(shè)計方案綜合評價系統(tǒng)。參考文獻(xiàn)1, 汪玉春:輸氣管優(yōu)化設(shè)計新方法 ,天然氣工業(yè) ,1993,13(6。2, 肖芳淳:灰色物

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25、02。9, 王登贏:多目標(biāo)決策方案優(yōu)選的密切值法 ,系統(tǒng)工程,1989（1。10,傅榮林等 :兼容多個綜合評價方案及其分類的數(shù)學(xué)模型 ,系統(tǒng)工程學(xué)報 ,1999,6(2。11,Q in Shoukang:The W eighted Vect or A lgorithm s in One Pers on and One Criteri on,Pr oceedings of The Fifth I nternati onal Sy mposium on The Analytic H ierarchy Pr ocess,Kobe,Japan,1999.12,Zabeh L A:Fuzzy Sets,

26、I nf or mati on and Contr ol,1987(8.(收稿日期 :2004211202編輯:劉春陽41? 油 氣 儲 運(yùn)2005 年? 60? 油氣 儲 運(yùn) 2005 年 作 者 介 紹 熊 輝 助理工程師 , 1977 年生 , 2000 年畢業(yè)于西南石油學(xué)院油氣儲運(yùn)專業(yè) ,現(xiàn)在中國石油管 道公司科技中 心儲運(yùn)工藝研究所從事儲運(yùn)工藝研究工作 。 馬偉平 見本刊 2005 年第 4 期作者介紹 。 鐘仕榮 見本刊 2005 年第 7 期作者介紹 。文1980 年生 , 2002 年畢業(yè)于西南石油學(xué)院油氣儲運(yùn)專業(yè) ,現(xiàn)為西南石油學(xué)院研究生院油氣儲 運(yùn)專業(yè) 濤 在讀碩士生 ,主

27、要從事儲運(yùn)工程優(yōu)化設(shè)計研究工作 。 仝興華 博士 ,教 授 , 1960 年生 , 1980 年畢業(yè)于原華東石油學(xué)院機(jī)械系力學(xué)專業(yè) ,現(xiàn)任石油大學(xué) （山 東 副校 長、 中國力學(xué)學(xué)會理事和山東省力學(xué)學(xué)會副理事長 。 初飛雪 工程師 , 1971 年生 , 1999 年畢業(yè)于天津大學(xué)機(jī)械設(shè)計與理論專業(yè) , 獲碩士學(xué)位 , 現(xiàn)在石油大 學(xué) （北 京 油氣儲運(yùn)工程系攻讀博士學(xué)位 ,主要研究方向為油氣儲運(yùn)系統(tǒng)最優(yōu)化 。 陳 俊高級工程師 , 1966 年生 , 2004 年畢業(yè)于石油大學(xué) （北京 油氣儲運(yùn)專業(yè) , 獲博士學(xué)位 ,現(xiàn)在石油大學(xué) （北京 石油工程學(xué)院從事油氣儲運(yùn)的研究與生產(chǎn)管理工作。龔大利 高級工程師 , 1971 年生