（油气储运工程专业论文）油田注水系统智能优化方法研究.pdf

摘要 点，提出了多种约束条件的处理方法，减少了不可行解的产生，提高了算法的优化效率。 最后，在以上理论研究工作的基础上，采用c + + b u i l d e r 语言编制完成了油田注水系 统仿真优化设计软件。应用该软件进行优化设计，不仅可以大大缩短设计方案编制周期， 而且能够明显提高优化设计的质量，优化实例表明了算法的有效性和饮件的可靠性。 关键词：油田；注水系统；拓扑优化；管网优化；运行参数优化；变频调速：运 亍方案 优化；遗传算法；模拟退火算法 大庆石油学院博1 ：研究生学位论文 t h er e s e a r c ho f i n t e l l i g e n to p t i m i z a t i o nm e t h o d si n o i l f i e l dw a t e r i n je c t i o ns y s t e m a b s t r a c t w a t e ri n j e c t i o nf l o o d i n gi sa ni m p o r t a n te x p l o i t a t i o nm o d ed u r i n gd e v e l o p m e n to ft h e o i l f i e l d ，w a t e ri n j e c t i o ns y s t e mi sac o n t i n u o u sa n di n c l o s e dh y d r a u l i cs y s t e m ，i ti sc o n s t i t u t e d b yn o d e st h a ti n c l u d em a n yw a t e ri n j e c t i o ns t a t i o n s ，w a t e r - d i s t r i b u t i n gr o o m s ，w e l l s ，a n d p i p e l i n e s ，e v e r yc o m p o n e n tp a r tr e s t r i c t sa n da f f e c t se a c ho t h e r , a n df - o r m so n ee n t i r e t y t h e o p t i m i z a t i o no fo i l f i e l dw a t e ri n j e c t i o ns y s t e mi sac o m p l e xp r o b l e mo fl a r g e s c a l eh y b r i d o p t i m i z a t i o nd e s i g n ，w h i c h i n v o l v e sd i s c r e t e t o p o l o g i c a l ，c o m b i n a t i o na n dn o n - l i n e a r p a r a m e t r i co p t i m i z a t i o n s ；s o m eo ft h e mb e l o n gt on ph a r dp r o b l e m s i ti sd i f f i c u l tt oa c h i e v e g o o dr e s u l t sb yu s eo fc o n v e n t i o n a lo p t i m i z a t i o na l g o r i t h m s ，t h u sa tp r e s e n tt h ed e s i g ni s m a i n l yb a s e do nt h eh u m a ne x p e r i e n c e w i t ht h ec o n t i n u o u sd e v e l o p m e n to fo p t i m i z a t i o n t e c t m o l o g y , i n t e l l i g e n to p t i m i z a t i o nm e t h o d s ，s u c ha sg e n e t i ca l g o r i t h m ，s i m u l a t e da l m e a l i n g e t c ，w i t hi t sa d v a n t a g e so fh i g h e f f e c t i v eo p t i m i z a t i o np e r f o r m a n c e ，n e e d i n gn os p e c i a l i n f o r m a t i o nf o rt h ep r o b l e ma n dw i t hi t s g l o b a ls e a r c hc a p a c i t y , h a s r e c e i v e de x t e n s i v e a t t e n t i o n ，a n dh a sb e e nw i d e l ya p p l i e dt om a n yd o m a i n s i th a sb e c o m eap o w e r f u li n s t r u m e n t t os o l v ep r o j e c td i f f i c u l t i e s ，a n dc a nb eu s e da sa ne f f e c t i v ea l t e r n a t i v em e t h o df o rt h e o p t i m i z a t i o nd e s i g nf o ro i l f i e l dw a t e ri n j e c t i o ns y s t e m i nt h ep a p e r , b a s e do nc a r e f u la n d p r o f o u n da n a l y s i sa n dr e s e a r c ho nt h eo i l f i e l dw a t e ri n j e c t i o ns y s t e m ，m a t h e m a t i c a lm o d e l sa r e e s t a b l i s h e da c c o r d i n gt ot h ep r a c t i c a ln e e d s ，s o l v e db yu s eo fi n t e l l i g e n to p t i m i z a t i o nm e t h o d s ， a n do p t i m i z a t i o nd e s i g n so ft h es y s t e ma r er e a l i z e db yd e s i g n i n gp r o p e ra l g o r i t h ma n d p r o g r a m m i n gc o r r e s p o n d i n gs o f t w a r e t h ef o l l o w i n ga s p e c t sa r er e s e a r c h e di nt h i sp a p e r ： b a s e do nc a r e m la n a l y s i so nt h es t r u c t u r eo f o i l f i e l dw a t e ri n j e c t i o ns y s t e m ，o p t i m i z a t i o n m o d e lo ft o p o l o g yo p t i m i z a t i o nf o rt r e et y p ew a t e ri n j e c t i o np i p en e t w o r ki se s t a b l i s h e d ， a c c o r d i n gt ot h em o d e lc h a r a c t e r i s t i c s ，t h ep r o b l e mi sd i v i d e di n t od i s t r i b u t i o na n dg e o m e t r y l a y e r s ，i nd i s t r i b u t i o nl a y e r , t h eg e n e t i ca l g o r i t h mi su s e dt oo p t i m i z es u b j e c t i o nr e l a t i o n s b e t w e e nw e l l sa n ds t a t i o n s ，i ng e o m e t r yl a y e r , t h en o n l i n e a ro p t i m i z a t i o ni su s e dt oo p t i m i z e p o s i t i o no fw a t e r - d i s t r i b u t i n gr o o m s o p t i m i z a t i o nm o d e lo fl o o p e dp i p e l i n en e t w o r ko p t i m i z a t i o ni se s t a b l i s h e d ，i nt h eg e n e t i c 摘要 a l g o r i t h m ，t h ed u a lc o d i n gc o m b i n i n gb i n a r yc o d i n gw i t hi n t e g e rc o d i n gi sa d o p t e dt oo p t i m i z e t h ec o n n e c t i o nm o d ea n dp i p ed i a m e t e rs i m u l t a n e o u s l y ，r e d u c e dt h ei n v e s t m e n tt h ef a r t h e s t ， a n dt h em e t h o d so fc o d i n ga n do p e r a t i o na r eg i v e n b a s e do nt h ea n a l y s i so fw a t e ri n j e c t i o ns y s t e mo ft a k i n gn oa c c o u n to fv a r i a b l e f r e q u e n c ys p e e dr e g u l a t i o na n dc o n s i d e r i n gv a r i a b l ef r e q u e n c ys p e e dr e g u l a t i o n ，o p t i m i z a t i o n m o d e l so fo p e r a t i o np a r a m e t e r sa r ee s t a b l i s h e d ，i nw h i c ht h el e a s tp o w e rc o n s u m p t i o na r e t a k e na so b j e c t i v ef u n c t i o n ，r e a ln u m b e rc o d i n gg e n e t i ca l g o r i t h mi sa d o p t e df o rs o l v i i l gt h e m a t h e m a t i c a lm o d e l i nt h e o p e r a t i o np a r a m e t e r so p t i m i z a t i o no fc o n s i d e r i n gv a r i a b l e f r e q u e n c ys p e e dr e g u l a t i o n ，b a s e do nt h ee q u a l i t ye f f i c i e n c yc u r v e ，t h em e t h o do fd e t e r m i n i n g o p t i m i z e dp o s i t i o no f v a r i a b l ef r e q u e n c yi sg i v e n t h em a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h e o p e r a t i o ns c h e m eo p t i m i z a t i o n o fc o m p l e xw a t e r i n j e c t i o ns y s t e m i se s t a b l i s h e d ，i no r d e rt of i n dt h eo p t i m i z e do p e r a t i o ns c h e m ea n d d i s p l a c e m e n t ，d u a lc o d i n gg e n e t i ca l g o r i t h mi sa d o p t e d ，w h i c hi sc o m b i n i n gb i n a r yc o d i n g w i t h i n t e g e rc o d i n g i nt h ec o u r s eo fo p e r a t i o n ，a i m i n ga tt h el i m i t a t i o no fg e n e t i ca l g o r i t h m ，t h ef i t n e s s f u n c t i o ni sa d j u s t e d ，t h ec r o s sa n dm u t a t i o nm e t h o d sa r ei m p r o v e d ，a n ds i m u l a t e da n n e a l i n g a l g o r i t h mi sc o m b i n e dw i t h ，m e t h o do f ld e t e r m i n i n gi n i t i a lt e m p e r a t u r ei sg i v e n b a s e do u p r o b l e mc h a r a c t e r i s t i c s ，m e t h o d so fp r o c e s s i n gc o n s t l a i n tc o n d i t i o n s a r ep r o p o s e d ，s ot h e n u m b e ro fi n f e a s i b l es o l u t i o n sa r er e d u c e d ，w h i c he n h a n c e st h eo p t i m i z a t i o np e r f o r m a n c eo f t h ea l g o r i t h m f i n a l l y ，o nt h eb a s i so ft h et h e o r ys t u d i e da b o v e ，as e to fs o f t w a r ef o rs i m u l a t i o na n d o p t i m i z a t i o n o ft h eo i l f i e l dw a t e ri n j e c t i o ns y s t e mi sm a d ew i t hc 十+ b u i l d e rl a n g u a g e a p p l i c a t i o no f t h es o f t w a r et oo p t i m a ld e s i g nc a nn o to n l ys i g n i f i c a n t l yc u r t a i lp r o g r a m m i n g p e r i o do f t h es c h e m e ，b u ta l s oc a ng r e a t l yi m p r o v et h ed e s i g nq u a l i t yo f i t a l lo f t h e s ei n d i c a t e t h a ti ti so fp r a c t i c a li m p o r t a n c ef o ro i l f i e l d e x a m p l es h o w st h a tt h ea l g o r i t h mi se f f i c i e n ta n d t h es o f t w a r ei sr e l i a b i l i t y k e yw o r d s ：o i l f i e l d ；w a t e ri n j e c t i o ns y s t e m ；t o p o l o g yo p t i m i z a t i o n ；p i p e l i n en e t w o r k o p l i m i z a t i c1 1 ；o p e r a t i o np a r a n l e t e ro p t i m i z a t i o n ； v a r i a b l e f l e q n e n c ys p e e dr c g u l a t ie ，】1 ； o p e r a t i o ns c h e m eo p t i m i z a t i o n ；g e n e t i ca l g o r i t h m ；s i m u l a t e da n n e a l i n ga l g o r i t h m v 大庆石油学院博! e 研究生学位论文 第一章绪论 1 1 课题研究的背景和意义 注水驱油是油田开发中一种十分重要的开采方式，是补充地层能量维持油田较长 期高产稳产的有效、易行的方法，对我国原油生产具有举足轻重的作用。注水系统是 由若干注水站、配水间、注水井等节点单元，以及连接各节点之问的管线组成的一个连 续的、密闭的水力系统，系统中各组成部分相互制约、相互影响，形成一个不可分割的 整体。 油田注水管网系统是一个十分复杂的多级流体网络系统，是油田注水系统的重要组 成部分。管网系统的工程设计在很大程度上决定了注水工程总的基建投资，而且对以后 注水系统的运行状况有着重要的影响作用，主要包括拓扑优化和管网优化两部分。第一 部分为拓扑优化设计，包括确定下一缎的注水井或配水间对上一级配水问或汴水站的所 属关系，以及上一级配水间或注水站的位置。该拓扑优化问题是一类复杂的大型混合优 化问题，涉及离散拓扑优化、非线性参数优化、选址优化、动态优化等，从计算复杂性 角度分析，某些子问题属于非确定多项式( n o n d e t e r m i n i s t i ep o l y n o m i a l ，简称n p ) 问题。 目前，已有的优化算法大多是针对一个确定的网络提出的近似算法，而实际应用中，则 主要是凭人工凭经验进行，例如一个配水问的位置一般设计在它所辖注水井的几何中心， 而在数学上可以证明，该中心法的设计结果并不能保证管网的造价最低或管网长度之和 最短 2 】 实际设计质量的好坏也同时受设计者经验和工作状态的影响，因此这些方法均 无法得到最优的设计方案。第二部分为管网优化设计，是针对注水系统新建或改造时管 线的布局及管径的选取进行优化，该优化问题是一个含有离散变量的非线性组合优化问 题。目前，虽然针对离散管径的优化取得了一定的研究成果，但综合考虑管线布局的优 化需要进一步的深入研究，以解决目前只凭少数工程设计人员的经验确定实旄方案的局 限性。 油田注水本身也要消耗大量的能量，在油田开发到中期以后，注水耗电量已占到油 日1 生产总耗电量的4 0 以上3 1 ，而且随着原油含水率的增高，耗电量还将急剧增加，“十 五”期间，大庆喇萨杏油田注水耗电量平均每年增长约o 7 8 1 0 8 k w h ，使原油生产成本 呈上升趋势，因此注水系统的节能降耗已成为油r j 生产中一个迫切需要解决的问题。降 低注水系统的耗电量主要从注水系统的运行优化入手，包括运行参数优化和运行方案优 化。求解给定开泵方案时的注水泵最优运行参数问题为注水系统运行参数优化，该问题 第一章绪论 是一个复杂的非线性优化问题，当考虑变频调速时问题更为复杂。同时对系统中注水泵 的- 丌泵方案和运行参数进行优化的问题为注水系统运行方案优化，该问题是一个涉及0 1 离散变量和连续变量的更加复杂的大型非线性优化问题。上述几类运行优化问题均是传 统优化方法无法解决的问题。实际生产操作中，往往把各注水站单独的进行考虑，例如 对某一个注水站，尤其是对实施了变频调速的注水站进行运行参数凋整时，一般是通过 尽量增大浚站内泵的注水量来降低相应的泵管压差损耗，以降低该站的注水单耗，没有 考虑其它站的运行情况。而大型注水系统中各注水站之间相互影响，当某节点的运行参 数发生变化时，将对整个注水系统的运行状况产生影响，如果只是片面的在某一个注水 站内降低注水单耗，可能引起其它注水站的单耗增加，甚至造成整个注水系统总的单耗 不下降反而增加的情况。因此，在复杂注水系统的运行参数优化过程中，不能只单独考 虑某台或某几台泵的运行参数，应对所有泵进行整体优化，以提高系统的运行效率，降 低能耗。 对于注水系统拓扑优化、管网优化以及注水系统的运行优化，传统的优化理论与方 法在该类优化问题的模型建立和模型求解方面存在很大的困难，无法满足实际要求。而 以遗传算法、模拟退火算法为主的智能优化方法由于具有高度并行性、鲁棒性好、自适 应能力强等优点，存函数优化、组合优化、机器学习、过程控制、经济预测、图像识别 等领域中得到了较为广泛的应用，但在油田注水系统复杂问题的优化中还没有得到足够 的重视，取得的成果很少。因此，研究智能优化方法在油田注水系统中的应用具有广阔 的发展前景，对于推动最优化技术在油h 1 注水系统中的应用，提高油田开发建设的经济 效益和科学管理的水平具有重要意义。 1 2 研究现状 、1 2 1 注水系统拓扑优化研究现状 油田注水系统管网是由许多注水站、配水间、注水井及连接它们的管线组成的复杂 多级网络系统，一般包括环状和树状( 也称星式) 两种形式。注水系统拓扑优化设计问 题是涉及离散变量、连续变量的大型非线健e 优化问题，该问题是布局一分配问题的扩充， 已被证明为非确定多项式( n p ) 问题【“。由于拓扑优化问题的复杂性以及拓扑优化在油 田注水系统的研究中未引起足够的重视，目前的研究成果较少。环状注水管网围注水干 线、支线的连接关系复杂，有时无法建立具体的数学模型，只能遵循一定的设计原则。 文献 5 中提出了几条基本设计原则，如将主干线交点定在支线的中点附近，且主干线每 段直管段的长度不得小于3 0 0 0 m ，注水站应设在油田的注水中心附近，使注水站两侧主 ， 大庆石油学院博士研究生学位论文 干线流过的水量基本相同，这些原则只是凭经验确定的简单原则，没有考虑具体的设计 参数，设计结果的最优性无法保证。本论文的研究主要针对树状注水管网及环状注水管 网中配水间到注水井之间的树状形式管网进行拓扑优化设计。 树状注水管网拓扑优化是指在注水井的数量、位最及与其相连注水管线的管径给定 的情况下，对系统中注水井对配水问、配水间对注水站的归属关系及配水问、注水站的 几何位覆进行优化，以达到节省系统工程建设投资的目的。 对于树状管网的拓扑优化设计，主要成果是大庆石油学院的刘扬教授在油气集输系 统中提出的分级优化法1 2 ”】，即采用拓扑级和几何级两级优化进行集输系统树? 佚网络的 拓扑优化设计，分别确定管线与站的连接关系和各种站的几何位置，两级优化之间通过 迭代来协调，在拓扑级，假设站的位置已知的情况下先采用贪心法得到部分解，然后用 o 一1 规划法得到全部解，在几何级，在确定了网络的连接关系后，采用传统的非线性方 法求解站的最佳位置。文献 9 把油气集输系统的拓扑优化分为分配层和布局层，在分配 层采用拉格朗日松弛法优化管网的连接形式，在布局层采用混合遗传算法进行站址的优 化。文献【1 0 】提出在集油系统中将管网的拓扑优化设计分解成井号集合最优划分、计量 站的站址优化、集输管网布局优化3 个子问题独立的进行分析和研究，分别采用匈牙利 法、单纯形法、d i j k s t r a 算法进行求解。在气田集输管网系统中，文献【l l ，】2 1 也把优化 问题划分为井组最优化分和站址优化两个子问题，分别采用分组算法和变尺度法进行求 解，文献【1 3 ，1 4 1 在气田管网的布局优化中采用的均是基于图论的方法，把问题转换成 最小生成树问题。 在注水系统中，文献 1 5 ，1 6 把管网拓扑优化划分成配水间与注水井归属关系的确 定和配水间最佳位置的确定两个独立的问题，分别采用层次分析法和变尺度法进行求解， 文献 1 7 】则把优化问题划分为中间站的站址优化和管网布局的优化，分别采用d f p 法和 d i j k s t r a 算法独立进行求解。 在分级优化方法中难度最大的是在离散空间上进行的拓扑级优化。该问题为n p h a r d 问题。上述文献中采用的方法均属于启发式算法，仅适用于某些特定的较简单的管网系 统，优化结果受初始值的影响很大，无法得到全局最优解或近全局最优解。其中文献 1 5 ， 1 6 1 中采用独立的分级优化法时，两级之间没有通过变量来协调，其优化结果的最优性更 加难以保证。 1 2 2 注水系统管网优化研究现状 注水系统的管网优化是指在水源的供水量及供水压力、末端节点用水量等参数已知 的情况下，寻求满足节点压力要求且使管网造价最低的管网连接布局方式及相应的管径 组合，该优化问题是一个含有离散变量的非线性组合优化问题。目前，在供水、污水、 3 第一苹绪论 注水等系统中仅针对管径的优化设计方法较多，文献【1 8 2 9 中均把管径当作连续变量， 采用传统的线性和非线性优化方法进行求解，优化完后进行取整操作，得到对应的标准 管径，这种圆整化处理方法会破坏解的可行性和最优性，因此很难得到原目标函数的全 局最优解。文献 3 0 3 5 1 采用动态规划法进行管网优化设计，从动态规划模型的性能及应 用来看，对于单个的串联管道和小型树状管网，能得到全局最优解和一组次优解，但对 于复杂的环状管网无法得到最优解，且动态规划法没有统一的标准，也没有构造模型的 通用方法，甚至没有判断一个问题能否构成动态规划模型的准则，因此在实际应用中只 能具体问题具体分析，使其应用受到限制。近年来随着智能优化技术的发展，模拟退火 算法口6 】、遗传算法在管径优化设计中也得到了较广泛的应用，文献 3 7 4 4 采用传统的二 进制编码遗传算法进行管径的优化设计，其主要缺点是存在编码冗余问题。文献 4 5 - - , 4 7 1 采用整数编码遗传算法进行管径的优化设计，避免了编码冗余问题，取得了较好的效果， 但针对整数编码遗传算法的操作仍需要进一步的改进。需要指出的是，以上文献中的优 化方法均是在管网连接方式给定的情况下，只对管径组合进行的优化设计，而同时对管 网连接方式和管径组合进行优化的问题将更为复杂。文献 4 8 】采用传统二进制编码简单 遗传算法对管网连接方式和管径组合同时进行优化，二进制编码的第一位表示该管线是 否连接，第二位及以后位表示对应管径，该研究取得了一定的研究成果，但也存在着编 码冗余问题，且操作过程中没有利用问题的特有性质，在产生初始解、交叉、变异过程 中将产生大量的不可行解，优化效率低，所以其编码方式和操作过程需要进一步的改进 和提高。 1 2 3 注水系统运行参数优化研究现状 注水系统中注水泵的运行参数将直接影响泵的运行效率和其对应的泵管压差大小， 进而影响整个注水系统的效率和能耗，因此，注水系统的运行优化主要是针对注水泵的 运行状态进行优化。 油田注水系统运行参数优化是指在系统中注水泵的开泵方案给定的情况下，对处于 运行状态的各注水泵进行参数优化，以达到满足系统配注要求，降低能量损耗的目的。 该优化问题是一个含有等式约束和不等式约束的大型非线性优化问题，涉及的变量数目 较多，优化过程中存在许多局部最优解，如采用传统依赖导数信息的优化方法( 如变尺 度法等依赖梯度的优化方法) ，关系式求导困难，且所得结果与初始值有关，很难求得问 题的全局最优解或近全局域优解。文献 4 9 采用模拟退火算法、文献 5 0 采用遗传算法 求解供水系统的运行参数优化问题，取得了一些研究成果，但其目标是确定供水泵站的 供水量和各节点压力，没有详细考虑站内各注水泵的运行状况，这样就忽略掉了系统中 占能耗比例较大的泵效损耗和泵管压差损失，同时算法中初始温度及计算参数的确定存 4 奎堕至垫兰堕堡! ：! 塞生堂堡兰兰 在盲目性。关于考虑变频调速时的运行参数优化问题，目前的研究成果较多，但多是针 对单个注水站和简单注水系统的变频优化。文献 5 1 5 9 是在注水站出口扬程、流量给 定的前提下，对单个注水站内泵的组合方案及调速泵的调速比进行优化。文献 6 0 6 7 则是在已知注水站对应的管网负载模型的基础上，利用o 一1 完全枚举法和既约梯度法或 遗传算法进行单个站内的变频调速优化。 复杂注水系统是由多个注水站、许多注水井以及连接它们的管线组成的一个相互制 约、相互影i l 内和不可分割的整体，要最大程度的降低能量损耗，应对系统中各泵的运行 参数同时进行优化，而不是仅对其中的某一台或几台进行单独的优化，且系统管网一般 为环状，各站相互影响，无法得到各站单独对应的管网负载模型。因为复杂注水系统中 注水泵数量较多，如采用0 1 完全枚举法逐个对可能的工作状态组合方案进行计算实现 困难。同时系统中各节点的流量与压力值需采用迭代法通过求解复杂矩阵求得，关系式 求导困难，且复杂系统的变频优化控制问题是带有等式约束和不等式约束的非线性多峰 复杂函数，不能直接采用梯度法等依赖导数信息的传统优化方法进行求解。另外，上述 文献中的方法均是在实施变频调速的注水泵已经确定的前提下，优化变频调速泵与站内 其它恒速泵的最优组合方案，实际上，如何选择最优的实施变频调速的注水泵也是一个 关键问题。实际生产中一般不考虑其它站的影响，在保持站出口现有运行参数不变的情 况下对泵管压差最大的注水泵实施变频，这种方法无法保证最大限度的发挥变频调速的 节能效果。 1 2 4 注水系统运行方案优化研究现状 油田注水系统运行方案优化的基本原理是在给定注水管网及注水量的情况下，通过 调整系统中各注水泵的开停状态及其对应排量，寻找满足注水井配注要求及其它约束条 件的最佳注水泵运行状况，以达到降低系统能量损耗，改善系统运行状态的目的。该问 题是一个涉及0 1 变量、连续变量的大型非线性优化问题。自上世纪6 0 年代起国外开始 了以计算机作为供水系统辅助调度管理的理论研究与应用探索，c o u l b e c k 6 0 1 、 j o a l l a n d t 7 ”、o r m s b e e 7 2 7 4 1 、z e s s l e r l 7 5 1 、m a y s 7 6 7 盯、j o w i t t l 7 9 】is a b e t 【8 0 】、n i t i v a t t a n a n o n 8 l 】 等人广泛采用了线性规划、非线性规划、动态规划等传统优化方法研究供水系统优化控 制问题。上世纪9 0 年代也出现了采用遗传算法【8 2 州】、模拟退火算法 墙7 1 等现代算法对 该问题进行的研究，但多数成果对问题进行了简化，给定了站的出口流量，且只适合泵 台数较少的小型系统。文献d s 采用适应性搜索法对地面供水系统的泵站运行方案进行 实时控制优化，系统较简单，需要确定每个站对各控制点的影响系数，而且只是根据水 库中水位的要求优化各泵的开停状态，没有优化此时各泵的最佳运行参数，该算法计算 速度较快但不能保证全局最优。国内的运行优化研究起步于上世纪8 0 年代，文献f 8 9 ， s 笙二翌笙笙 9 0 研究了大型注水系统的运行方案优化问题，提出了大系统分解协调方法对问题进行求 解，将整个注水系统按压力谷分解成一系列子系统，分别对各子系统内的开泵方案进行 优化，并把注水站内各种型号的注水泵当成一种型号的注水泵，计算过程中把开泵台数 当成小数，计算完后再进行圆整，这样无法保证结果的最优性。文献 9 1 9 4 1 在城市供水 臀网，以及文献【9 5 在注水系统的运行方案优化中讨论的优化方法，均是采用两级优化 方法，基本原理是首先以注水站出口功率最小为目标确定出注水站的最佳流量和出口扬 程，然后以此为基础，以泵的输入功率最小为目标选择站内注水泵的开启方案和运行参 数，这在注水站内没有调速泵的情况下很难求得最优解。此外，上述方法优化过程中采 用的均是利用导数信息的传统优化方法，而由于运行方案优化问题本身存在着非常可能 的多峰性，不同的初始解条件下，得到的优化结果存在较大的差别【9 6 1 。文献【9 7 结合遗 传算法和传统方法对该问题进行优化，用二进制编码遗传算法优化注水泵的开停状态组 合，用考虑罚函数的传统非线性优化方法优化出给定开停状态下各注水泵的运行参数， 虽然各开泵状态组合能够尽量的搜索到，但正如前面运行参数优化中所说，在给定开停 状态下的注水系统运行参数优化同样是一个多峰复杂函数，传统依赖导数信息的优化方 法无法求得全局最优解，这样，因在各开停状态给定的情况下无法保证求得相应运行参 数的优解，从而也无法保证整个算法求得的开停状态和运行参数的最优性。 。0 智能优化的研究意义 优化是人们在工程技术、科学研究和经济管理等诸多领域中经常遇到的问题。抽象 地说，优化就是对求解问题找出较好或者最好的解决方案，如编制资源分配方案在符合 流程和需求的条件下，尽量降低人力、设备、原材料，使总利润最高；结合实际设计易 实现、鲁棒性强的控制器，以达到好的控制效果等等。在信息时代，随着科学技术尤其 是计算机技术的不断发展，以及数学理论与方法向各个应用领域更加广泛和深入的渗透， 优化理论和技术在社会诸多方面发挥着越来越重要的作用。 解决实际优化问题手段大致可分为三种：一是靠经验的积累，凭主观作判断；二是 做试验选方案，以优劣定决策；三是建立数学模型，求解最优策略。目前对一些常用问 题模型已经研究和设计了相应的标准求解算法，这些算法可有效解决很多实际问题，但 多局限于良性结构问题，即问题结松比较清晰、所含元素之间关系明确、边界清楚、有 明确的最优判定准则、能拟定求解的程序步骤、所要求计算量不至于过大等等。然而实 际中的很多问题不具有良性结构，套用传统万法处理难以得到满意结果。这时，与其偏 离事实或忽略修正重要条件勉强套用传统标准方法，还不如保持问题的本来面目建立符 合实际的非标准模型。前者虽然可简化求解，但得到的解由于偏离了实际而难以付诸实 现：后者则由于模型涉及因素多，难以套用传统方法求解。在后面这种情况下，为了得 大庆石油学院博士研究生学位论文 到问题的近似解和较好解，分析人员必须结合人的感知力和洞察力，从有关较基本的模 型方法中寻求联系得到解决问题的思路和途径，得到的方法体现出“智能”的特点，实 现的算法中也结合了三种优化求解策略的特点。 智能优化从2 0 世纪8 0 年代初兴超至今发展迅速，如1 9 9 6 年o s m a n 分类列出了1 4 0 0 多篇相关文章，其中以遗传算法、模拟退火算法、神经网络等为代表的人工智能和软计 算方法在智能优化中得到了广泛的应用和关注。智能优化对求解问题不一定苛求最优解， 强调“满意解”作为评价准则，具有计算步骤简单、易于实现、不需高深和复杂理论知 识、减小运算量、节约开支和时间以及求解搜索规则体现智能特点的优点，为许多工业、 商业、工程和管理等方面的难问题提供了有效解决方法，所以对其进行研究具有重要的 意义。 1 4 论文主要研究内容 本论文的工作得到了黑龙江省自然科学基金、中国石油天然气股份有限公司科技风 险创新基金等项目的资助。主要对油田注水系统的管网形态、运行特性等相关因素进行 分析研究的基础上，建立管网拓扑优化、管网优化、不考虑和考虑变频调速的运行参数 优化、运行方案优化等问题的数学模型，根据各自模型的结构和特点，对遗传算法和模 拟退火算法等智能优化方法进行改进，并结合传统优化方法对模型进行有效求解。全文 的主要内容包括以下几个方面： ( 1 ) 对遗传算法、模拟退火算法的基本原理和方法进行阐述，并针对算法的局限性， 对其操作过程进行改进，最终将遗传算法和模拟退火算法相结合，获得性能更优良的全 局搜索算法混合遗传算法。 ( 2 ) 根掘油田注水系统的基本结构特点，采用流体力学原理和有限元分析方法，建 立大型注水系统节点参数计算的平衡方程，并给出相应的简化和求解方法，为实现注水 系统的各种优化奠定基础。 ( 3 ) 建立树状注水系统管网拓扑优化数学模型，并把问题划分为分配层和几何层两 层，分别采用整数编码遗传算法和传统非线性优化方法，对注水井与配水问归属关系及 相应的配水间最佳位置进行优化，得到最优的网络拓扑形式，以实现系统管网投资最小 的目标。 ( 4 ) 建立环状注水系统管网优化数学模型，对遗传算法的编码方式及操作过程进行 改进，采用二进制编码和整数编码相结合的双重编码方式，使其能够同时解决管网连接 柿局方式及相应的管径组合问题，并充分利用问题的特有性质，减少操作过程中不可行 解的产生，提高算法的优化效率。 ( 5 ) 对不考虑变频调速和考虑变频调速时的注水系统进行分析，以系统能耗最小为 7 笙二垩堡堡 ：= = 目标函数，建立各自的运行参数优化数学模型，采用实数编码改进遗传算法进行求解， 并在考虑变频调速时的运行参数优化中设计出相应的最佳变频位置确定方法。 ( 6 ) 以系统能耗最小为目标函数，建立复杂注水系统运行方案优化数学模型，对其 特性进行分析，针对要同时解决注水泵的开停状态及其运行参数两个问题，设计二进制 编码和实数编码相结合的双重编码遗传算法对其进行求解。 ( 7 ) 在前面理论研究工作的基础上，采用软件工程学方法在c + + b u i l d e r 编程环境 下将各问题的模型建立、求解过程给予计算机实现，包括设计合理的数据结构，动态数 据的管理，高效优化算法的编制等，并力求软件界面友好、操作方便。 大庆石油学院懈j ? 研究生学位论文 第二章遗传算法与模拟退火算法原理及改进 2 1 遗传算法概述 遗传算法( g e n e t i ca l g o r i t h m s ，简称g a ) 源于达尔文的进化理论，是一类借鉴生 物界自然选择和自然遗传机制的随机搜索算法，是由美国密执根( m i c h i g a n ) 大学的j o h n h h o l l a n d 教授发展起来的，1 9 7 5 年其开创性著作( ( a d a p t a t i o ni nn a l t t r a la n da r f i f i c i a l s y s t e m s ) ) 一书的问世标志着遗传算法的醒生1 9 8 】。1 9 8 9 年美国伊利诺大学的d a v i de g o l d b e r g1 尊士出版的专著g e n e t i ca l g e l i t h mi ns e a r c h ，o p t i m i z a t i o na n dm a c h i n e l e a r n i n g ) ) 是遗传算法发展过程中的又一个里程碑，这本书全面地阐述了遗传算法的发 展历程、现状、各种算法和应用实例，并附有p a s c a l 源程序，从而使得广大工程技术人 员得以进行实际的应用，在全世界掀起了关于遗传算法的研究与应用热潮f 9 9 1 。 遗传算法仿效生物的进化与遗传，生物体可以通过遗传和变异来适应于外界环境， 在进化论中，每一物种在不断的发展过程中都是越来越适应环境，物种的每个个体的基 本特征被后代所继承，但后代又不完全等同于父代，这些新的变化若适应环境则被保留 下来，否则就将被淘汰。亦即适者生存，不适者被淘汰。在遗传学中认为，遗传是作为 一种指令遗传码封装在每个细胞中，并以基因的形式包含在染色体中，每个基因有特殊 的位胃并控制某个特殊的性质。每个基因产生的个体对环境有一定的适应性。基因杂交 和基因突变可能产生对环境适应性强的后代，通过优胜劣汰的自然选择，适应值高的基 因结构就保存下来。遗传算法就是模仿了生物的遗传、进化原理，并引用了随机统计理 论而形成的。在求解过程中，遗传算法从一个初始变量群体开始，一代一代地寻找问题 的最优解，直至满足收敛判据或预先设定的迭代次数为止。它是一种迭代式算法。根据 “生存竞争”和“优胜劣汰”的原则，借助选择、交叉、变异等操作，使所要解决的问 题步步地逼近最优解。与其它优化方法相比，遗传算法以单_ 的字符串形式描述所研 究的问题，只需利用适应函数值来进行优化计算，而不需要函数导数等其它辅助信息。 目前，随着计算机技术的发展，遗传算法越来越得到人们的重视，并在机器学习、模式 识别、神经网络、优化控制、组合优化等领域得到了成功应用。 一般认为，遗传算法有5 个基本组成部分1 1 】： ( 1 ) 问题的解的遗传表示。 ( 2 ) 创建解的初始种群的方法。 ( 3 ) 根据个体适应函数值对其进行优劣判定的评价函数。 q 第二章遗传算法与模拟退火算法原理及改进 ( 4 ) 用来改变复制过程中产生的予个体遗传组成的遗传算子。 ( 5 ) 遗传算法的参数值。 2 1 1 遗传算法的基本要点 一、编码 遗传算法的基础工作之一是解的编码，只有在编码之后才可能进行其它的计算。遗 传算法的操作对象是字符串，编码方法要求：一是字符串要反映所研究问题的性质：二 是应遵循字符串长度最短、