[发明专利]大型油气生产管线空间布局优化方法

权利要求书

1.大型油气生产管线空间布局优化方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一、将需要进行布局的两层房间看作一个整体布局空间，在一层房间内选取左下角点O作为坐标原点建立空间坐标系OXYZ，以该布局空间中地面所对应的长度方向作为X轴正方向，以地面所对应的宽度方向作为Y轴正方向，Z轴与X轴、Y轴垂直，以垂直于地面向上作为Z轴正方向；然后将布局空间进行如下栅格化处理：在XYZ平面内采用分别与X轴、Y轴、Z轴平行的分割线将布局空间的各个面等间距分割，分割线的交点为一个节点，最后将待安装的生产管线管路路径的轴线表达为从起点到终点，由若干相邻节点间线段组成的折线，格栅的大小不大于生产管线与障碍物之间的安全距离；

步骤二、在一层空间内分别给定生产管线起点位置坐标(x₀,y₀,z₀)和终点位置坐标(x₁,y₁,z₁)，生产管线之间为正交设置，在一层空间内有n个已经布置好的设备，作为生产管线空间布局的障碍物，记为S＝(S₁,S₂,…S_n)，有p条待布生产管线，记为P＝(P₁,P₂,…P_p)；

步骤三、将原油、天然气、液化石油气、消防生产管线、注水生产管线进行优先布线，其他辅助生产管线在上述生产管线布线完成后再进行布线，所述的优先布线的各个生产管线中的布局顺序的确定过程如下：

第一步、确定影响不同类型生产管线布局的因素，每一条生产管线的约束函数分别为：安全性约束S1、空间物理约束S2、工艺性约束S3和夹角约束S4；

第二步、设置各因素对生产管线布局影响的占比系数分别为：W1为安全性约束S1的占比系数、W2为空间物理约束S2的占比系数、W3为工艺性约束S3的占比系数、W4为夹角约束S4的占比系数，其中W1＞W2＞W3＞W4，取W1＝0.5，W2＝0.35，W3＝0.1，W4＝0.05；

第三步、将所需要布局的每一条生产管线的空间物理约束、夹角约束、安全性约束和工艺性约束进行加权运算，将不同生产管线的加权结果由高到低进行排序，X越大优先级越高，以此得到生产管线布局的优先级；加权计算方法为：

X＝W₁S₁+W₂S₂+W₃S₃+W₄S₄；

步骤四、对优先级最高的生产管线在一层空间内进行最优化布线，具体过程为：在matlab程序中对蚁群算法进行编程，首先将蚂蚁个数m、信息启发式因子α、期望启发式因子β、起点位置坐标和终点位置坐标在matlab程序中进行设定，然后按照生产管线布局的优先级次序对优先级最高的生产管线使用蚁群算法进行种群初始化和进化迭代，最终确定优先级最高的生产管线在一层空间内的最优化路线；

所述的种群进化迭代的具体过程如下：

第一步、种群个体从一层空间内给定的起点位置坐标(x₀,y₀,z₀)出发后，根据转移概率向下一个节点移动；假设P^k_ij(t)为t时蚂蚁k由节点i(x_i,y_i,z_i)转向下一节点j(x_j,y_j,z_j)的概率，对蚁群算法的启发函数定义为：

转移概率：

启发函数：

其中，n_ij＇代表修正后的启发函数，d_ij＇代表节点i(x_i,y_i,z_i)到终点(x₁,y₁,z₁)的欧式距离；τ_ij(t)为t时刻节点i与j之间残留的信息素，初始时刻各条路径上信息素相等，即τ_ij(0)＝C；α和β分别为信息启发式因子和期望启发式因子，allowed_k＝{1,2,...,n}-tabu_k表示蚂蚁k下一步允许访问的节点，tabu_k用以记录蚂蚁k已访问的节点，随搜索过程调整；

第二步、当某个种群个体到达终点后，在matlab仿真中记录下路线，然后依照蚁周模型进行全局信息素更新，并翻转起点和终点信息，即个体从终点出发，依照转移概率向下一个节点移动，直到到达起点，以消除起点终点的信息扰动；

第三步、当种群迭代次数达到预设蚂蚁个数m时则终止迭代，根据每次迭代过程中所记录的路径选择其中管线长度最短、弯头数最小的路径作为最优路径；

步骤五、对优先级最高的生产管线在一层空间的布局结束后，将一层生产管线中心轴线的终点与二层生产管线的中心轴线的两个端点中的一个端点相连以使一层生产管线中心轴线的终点与二层生产管线中心轴线的起点连接路径最短，已知二层生产管线的中心轴线的第一个端点和第二个端点为(x2,y2,z2)和(x3，y3，z3)，具体步骤如下：

首先沿一层生产管线的中心轴线的终点(x1,y1,z1)搭建竖直向上的管道至二层地面，将该点(x4,y4,z4)设为二层生产管线路径的起点；以(x4,y4,z4)为起点，以(x2,y2,z2)为终点，重复步骤四，最后在matlab仿真中选择其中管线长度最短、弯头数最小的路径作为最优路径；然后以(x4,y4,z4)为起点，以(x3,y3,z3)为终点，重复步骤四，最后在matlab仿真中选择其中管线长度最短、弯头数最小的路径作为最优路径；综合比较两条最优路径的总长度和弯头数，选择管线长度最短、弯头数最小的路径作为最终路径，即：若以(x2,y2,z2)为终点时路径更优，则在二层生产管线布线时选取(x2,y2,z2)为起点和(x3,y3,z3)为终点；反之则选取(x3,y3,z3)为起点和(x2,y2,z2)为终点；

步骤六、以最终路径选取的起点和终点为二层生产管线路径的起点和终点，重复步骤四，最后在matlab仿真中选择其中管线长度最短、弯头数最小的路径作为优先级最高的生产管线在二层布局空间的最优路径；

步骤七、按照步骤四-步骤六求得两层布局空间生产管线的最优路径进行优先级最高的生产管线的空间布局；

步骤八、按照优先级排序分别对剩余的生产管线按照步骤四-步骤七进行空间布局。