基于机器学习的天然气管网协同规划方法及系统

本发明涉及智能管网规划，具体为基于机器学习的天然气管网协同规划方法及系统。

背景技术：

1、随着城市燃气基础设施数字化建设不断推进，天然气管网规划、运行监测、工程施工和用户用气等数据逐步形成多源化、规模化和在线化的数据资源。依托大数据资源服务、数据库和云数据库服务等互联网数据服务，结合云计算软件、云端融合应用运行支撑平台软件以及数据挖掘软件，可以对管网拓扑、运行工况、施工计划和用户负荷等信息进行集中管理与协同分析。同时，机器学习等智能分析技术在复杂工程数据建模和风险识别中的应用不断深化，为天然气管网协同规划提供了重要的数据处理与智能决策基础。

2、例如，中国专利cn109002419b公开了天然气管网的动态分析方法及装置，该方法包括：基于质量守恒方程建立指定天然气管网的节点动态方程，并基于动量守恒方程建立所述天然气管网的管道动态方程；根据所述节点动态方程和邻接矩阵确定节点有向邻接矩阵，并根据所述管道动态方程和所述邻接矩阵的转置矩阵确定管道有向邻接矩阵；将所述节点有向邻接矩阵与所述管道有向邻接矩阵进行耦合，获得所述天然气管网的状态空间模型；根据所述状态空间模型对所述天然气管网进行动态分析。本技术实施例可实现对大规模复杂管网的动态分析，且效率较高。

3、例如，中国专利cn104731761b公开了天然气管网仿真方法和装置，其中方法包括：对天然气管网中天然气流动和传热的控制方程和边界条件方程进行离散处理，得到代数方程组；针对第i个时刻的网格系统中的网格点，根据第i-1个时刻的网格系统中网格点的流动参数值的插值解和数值解的比较结果进行调整；针对第i个时刻的时间步长，根据前3个时刻的网格系统中各网格点的流动参数值数值解及时间步长进行调整；根据第i个时刻的网格系统中的网格点以及时间步长，对代数方程组进行求解，确定第i个时刻的网格系统中各网格点的流动参数值数值解。从而实现对时间步长和空间网格系统的自适应调整，在保证计算精度的情况下，减少计算机内存资源和计算时间上的浪费。

4、然而，现有天然气管网扩建规划通常以既定需求为输入，基于稳态或峰值工况的水力计算确定管线路径、管径及调压设施配置，并以规划期输气能力与压力满足性作为主要评价依据。但在实际扩建实施阶段，新建管段接入、旧管改造、阀门切换及调压站改扩建往往需要在既有管网持续供气的运行状态下分阶段完成，施工窗口内会引入临时拓扑变化、阀位状态改变、调压能力阶段性受限等运行约束；当窗口选择与用气高峰、关键节点压力裕度不足或备用通道能力受限叠加时，易出现节点最低压力越限、供气路径绕行导致瓶颈段超负荷、备用通道不足以及临时停气影响范围扩大等失效模式。由于上述施工阶段约束与扰动风险在规划阶段缺乏可量化的评估与对比机制，导致部分规划方案虽在静态校核中满足输气能力要求，但在建设实施阶段难以形成可执行的分段接入与切换计划，进而影响工程进度与供气可靠性。

5、因此，针对以上问题，亟需基于机器学习的天然气管网协同规划方法及系统。

技术实现思路

1、解决的技术问题

2、针对现有技术的不足，本发明提供了基于机器学习的天然气管网协同规划方法及系统，解决了现有天然气管网扩建规划难以在规划阶段量化施工窗口扰动风险，导致静态规划方案在实际建设阶段难以形成可执行的分段接入与阀门切换计划的问题。

3、技术方案

4、为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：基于机器学习的天然气管网协同规划方法，包括以下步骤：s1，采集同一天然气管网内的管网扩建协同规划数据，并对管网扩建协同规划数据进行数据预处理；s2，基于管网扩建协同规划数据提取施工阶段的时间属性，依据时间属性匹配施工窗口参考运行数据片段，基于施工窗口参考运行数据片段评估节点压力裕度、管段负荷率、调压站剩余调压能力和施工窗口用气负荷水平；并基于管网扩建协同规划数据更新管网拓扑，识别备用供气通道并评估备用通道剩余能力；s3，对节点压力裕度、管段负荷率、调压站剩余调压能力、施工窗口用气负荷水平和备用通道剩余能力进行统计，得到施工窗口参考运行特征，结合历史施工阶段对应的管网扩建协同规划数据和施工窗口参考运行特征训练施工窗口供气扰动风险预测模型，基于施工窗口供气扰动风险预测模型得到综合施工扰动风险值，并识别待优化施工阶段；s4，针对待优化施工阶段，生成候选施工窗口并确定推荐施工窗口，并同步筛选候选连通阀门生成阀门切换协同方案。

5、进一步地，采集同一天然气管网内的管网扩建协同规划数据，并对管网扩建协同规划数据进行数据预处理的具体过程为：针对同一天然气管网采集管网扩建协同规划数据，包括：基于天然气管网gis采集天然气管网基础拓扑数据，天然气管网基础拓扑数据包括：管段编号、管段起点节点编号、管段终点节点编号、节点编号、阀门编号、阀门所属管段编号、调压站编号和调压站连接节点编号；基于scada系统、压力传感器、流量计和调压站监控系统采集天然气管网运行数据，天然气管网运行数据包括：节点运行压力、管段流量、调压站出口压力、调压站调压流量和采集时间戳；从燃气企业用户管理系统中采集用户用气数据，用户用气数据包括：用户节点编号、用户用气量、用户历史峰值用气量和采集时间戳；从工程计划管理系统中采集扩建施工计划数据，扩建施工计划数据包括：拟扩建管段编号、拟接入节点编号、施工阶段编号、预计施工开始时间、预计施工结束时间、施工影响管段编号、施工影响阀门编号、施工影响阀门计划开闭状态和施工影响调压站编号；基于管段编号、节点编号和调压站编号，分别与对应的天然气管网运行数据进行关联；根据采集时间戳对天然气管网运行数据和用户用气数据进行时间统一处理，并按照预设采样周期生成统一采样时刻，形成统一时间序列数据；当同一采样周期内存在同一对象编号对应的两条以上记录时，选取距离采样时刻最近的一条记录作为对象编号在对应采样时刻的数据；若压力和流量数据超出对应传感器量程，则标记为异常值并剔除，针对缺失数据采用线性插值方式补全。

6、进一步地，基于管网扩建协同规划数据提取施工阶段的时间属性，依据时间属性匹配施工窗口参考运行数据片段，基于施工窗口参考运行数据片段评估节点压力裕度、管段负荷率、调压站剩余调压能力和施工窗口用气负荷水平的具体过程为：根据施工阶段编号、预计施工开始时间和预计施工结束时间，确定每一个施工阶段编号对应的预计施工窗口，并提取预计施工窗口的时间属性，时间属性包括季节属性、日期类型和日内时段；根据预计施工窗口的时间属性，从统一时间序列数据中选取与预计施工窗口具有相同时间属性的历史数据片段，构建施工阶段对应的施工窗口参考运行数据片段，施工窗口参考运行数据片段包括：节点编号、节点运行压力、管段编号、管段流量、调压站编号、调压站出口压力、调压站调压流量、用户节点编号和用户用气量；基于施工窗口参考运行数据片段计算节点压力裕度、管段负荷率和调压站剩余调压能力；其中，节点压力裕度为节点运行压力与节点最低允许压力之间的差值，管段负荷率为管段流量与管段最大允许流量之间的比值，调压站剩余调压能力为调压站最大调压能力与调压站调压流量之间的差值；同时，针对施工窗口参考运行数据片段中的每一个用户节点编号，计算用户用气量的平均值与用户历史峰值用气量的平均值之间的比值，得到施工窗口用气负荷水平。

7、进一步地，基于管网扩建协同规划数据更新管网拓扑，识别备用供气通道并评估备用通道剩余能力的具体过程为：根据管段编号、管段起点节点编号和管段终点节点编号构建天然气管网拓扑图，并根据阀门所属管段编号、施工影响阀门编号和施工影响阀门计划开闭状态，对天然气管网拓扑图中的图边连通状态进行更新：若施工影响阀门计划开闭状态为关闭，则将对应阀门所属管段编号在天然气管网拓扑图中标记为不可通气管段并剔除，得到可通气拓扑图；基于施工影响管段编号，在可通气拓扑图中将施工影响管段编号标记为施工受限管段并剔除，得到施工窗口参考拓扑图；在施工窗口参考拓扑图中，以调压站连接节点编号作为起始节点集合，以拟接入节点编号作为目标节点，采用广度优先搜索算法查找与拟接入节点编号连通的管段路径，并将查找到的管段路径确定为备用供气通道；针对每一条备用供气通道，读取备用供气通道内包含的各管段编号，计算各管段最大允许流量与管段流量之间的差值，得到各管段的管段剩余流量能力，并将同一备用供气通道内各管段剩余流量能力中的最小值作为备用供气通道的备用通道剩余能力。

8、进一步地，对节点压力裕度、管段负荷率、调压站剩余调压能力、施工窗口用气负荷水平和备用通道剩余能力进行统计，得到施工窗口参考运行特征的具体过程为：以施工阶段编号为单位，读取对应施工阶段编号最近n个施工窗口参考运行数据片段；将拟接入节点编号、施工影响管段编号对应管段的管段起点节点编号和管段终点节点编号作为节点统计对象；针对节点统计对象，分别计算各统一采样时刻下的节点压力裕度，并取最小值得到最小节点压力裕度；将施工影响管段编号和备用供气通道内各管段编号作为管段统计对象；针对管段统计对象，分别计算各统一采样时刻下的管段负荷率，并取最大值得到最大管段负荷率；将施工影响调压站编号作为调压站统计对象；针对调压站统计对象，分别计算各统一采样时刻下的调压站剩余调压能力，并取最小值得到最小调压站剩余调压能力；根据拟接入节点编号、施工影响管段编号、备用供气通道和天然气管网拓扑图确定施工影响用户节点集合；针对施工影响用户节点，分别计算施工窗口用气负荷水平，并取平均值得到施工窗口用气负荷水平平均值；将备用供气通道作为备用通道统计对象；针对备用通道统计对象，分别计算各统一采样时刻下的备用通道剩余能力，并取最小值得到最小备用通道剩余能力。

9、进一步地，结合历史施工阶段对应的管网扩建协同规划数据和施工窗口参考运行特征训练施工窗口供气扰动风险预测模型的具体过程为：以施工阶段编号为单位，基于最近n个施工窗口参考运行数据片段生成施工阶段扰动预测特征向量，施工阶段扰动预测特征向量包括：施工阶段编号、拟扩建管段编号、拟接入节点编号、施工影响管段编号、施工影响阀门编号、施工影响阀门计划开闭状态、施工影响调压站编号、最小节点压力裕度、最大管段负荷率、最小调压站剩余调压能力、施工窗口用气负荷水平平均值、备用供气通道数量和最小备用通道剩余能力；基于历史施工阶段对应的施工阶段扰动预测特征向量，构建施工扰动训练样本集；针对施工扰动训练样本集中的每一个历史施工阶段编号，生成训练样本标签，训练样本标签包括节点压力越限标签、管段超负荷标签和备用通道不足标签；在历史施工阶段后续实际执行期间，当对应的节点统计对象中存在任一节点的节点压力裕度小于压力裕度阈值时，将对应历史施工阶段编号的节点压力越限标签标记为1，否则标记为0；在历史施工阶段后续实际执行期间，当对应的管段统计对象中任一管段负荷率大于负荷阈值时，将对应历史施工阶段编号的管段超负荷标签标记为1，否则标记为0；当历史施工阶段不存在备用供气通道，或存在最小备用通道剩余能力小于备用能力阈值时，将对应历史施工阶段编号的备用通道不足标签标记为1，否则标记为0；将施工扰动训练样本集作为模型输入特征，将训练样本标签作为模型输出标签，训练梯度提升树分类模型，构建施工窗口供气扰动风险预测模型。

10、进一步地，基于施工窗口供气扰动风险预测模型得到综合施工扰动风险值，并识别待优化施工阶段的具体过程为：将当前施工阶段编号的施工阶段扰动预测特征向量输入施工窗口供气扰动风险预测模型，输出对应施工阶段编号的节点压力越限概率、管段超负荷概率和备用通道不足概率；取节点压力越限概率、管段超负荷概率和备用通道不足概率中的最大值作为综合施工扰动风险值；当综合施工扰动风险值小于或等于优化触发阈值时，保持施工阶段编号对应的预计施工开始时间和预计施工结束时间不变，得到推荐施工窗口，并保持施工影响阀门计划开闭状态不变；当综合施工扰动风险值大于优化触发阈值时，将施工阶段编号标记为待优化施工阶段。

11、进一步地，针对待优化施工阶段，生成候选施工窗口并确定推荐施工窗口的具体过程为：针对待优化施工阶段，生成窗口调整方案：根据预计施工开始时间、预计施工结束时间和预设窗口调整步长，生成候选施工窗口集合；并且每一个候选施工窗口与原预计施工窗口保持相同的时长；针对候选施工窗口集合中的每一个候选施工窗口，从统一时间序列数据中选取与候选施工窗口具有相同时间属性的最近n个施工窗口参考运行数据片段，并生成对应的施工阶段扰动预测特征向量，输入施工窗口供气扰动风险预测模型，得到对应的综合施工扰动风险值；将候选施工窗口集合中综合施工扰动风险值最小的候选施工窗口确定为最优候选施工窗口，并将最优候选施工窗口确定为推荐施工窗口。

12、进一步地，同步筛选候选连通阀门生成阀门切换协同方案的具体过程为：针对待优化施工阶段，生成阀门切换协同方案：将备用供气通道内不属于施工影响阀门编号的阀门作为候选连通阀门，并将候选连通阀门标记为可开启状态；根据窗口调整方案和阀门切换协同方案生成施工协同优化方案并输出。

13、本发明第二方面提供了基于机器学习的天然气管网协同规划系统，包括：管网数据预处理模块，用于采集同一天然气管网内的管网扩建协同规划数据，并对管网扩建协同规划数据进行数据预处理；窗口特征识别模块，用于基于管网扩建协同规划数据提取施工阶段的时间属性，依据时间属性匹配施工窗口参考运行数据片段，并基于施工窗口参考运行数据片段评估节点压力裕度、管段负荷率、调压站剩余调压能力和施工窗口用气负荷水平；基于管网扩建协同规划数据更新管网拓扑，识别备用供气通道并评估备用通道剩余能力；扰动风险预测模块，用于对节点压力裕度、管段负荷率、调压站剩余调压能力、施工窗口用气负荷水平和备用通道剩余能力进行统计，得到施工窗口参考运行特征，结合历史施工阶段对应的管网扩建协同规划数据和施工窗口参考运行特征训练施工窗口供气扰动风险预测模型，基于施工窗口供气扰动风险预测模型得到综合施工扰动风险值，并识别待优化施工阶段；窗口阀门优化模块，用于针对待优化施工阶段，生成候选施工窗口并确定推荐施工窗口，并同步筛选候选连通阀门生成阀门切换协同方案。

14、有益效果

15、本发明具有以下有益效果：

16、（1）本发明，通过采集同一天然气管网内的基础拓扑数据、运行数据、用户用气数据和扩建施工计划数据，并进行统一时间序列处理，使管网扩建规划不再仅依赖静态设计参数，而是能够结合实际运行压力、管段流量、调压站状态和施工计划约束进行协同分析，提高了扩建施工规划数据基础的完整性和一致性。

17、（2）本发明，根据预计施工窗口的时间属性匹配施工窗口参考运行数据片段，并结合节点压力裕度、管段负荷率、调压站剩余调压能力和施工窗口用气负荷水平形成施工窗口参考运行特征，能够在施工前识别不同施工窗口下的供气承载状态，避免在用气高峰或压力裕度不足时段盲目实施扩建接入。

18、（3）本发明，基于施工影响阀门计划开闭状态和施工影响管段对天然气管网拓扑进行更新，并通过广度优先搜索识别备用供气通道及其备用通道剩余能力，能够量化施工期间临时拓扑变化下的绕行供气能力，从而提前发现备用通道不足和瓶颈管段超负荷风险。

19、（4）本发明，利用历史施工阶段对应的施工阶段扰动预测特征向量训练供气扰动风险预测模型，输出节点压力越限概率、管段超负荷概率和备用通道不足概率，并根据综合施工扰动风险值生成窗口调整方案和阀门切换协同方案，能够将施工扰动风险预测结果直接转化为可执行的施工协同优化方案，提高天然气管网扩建施工阶段的可实施性和供气可靠性。

20、当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。