綜合管廊電力倉動態(tài)運維的解空間分割算法

周 平, 韓宇澤, 儲 強

(南京供電公司 電纜醫(yī)檢室, 南京 210000)

0 引 言

近年來, 隨著我國城市經(jīng)濟的飛速發(fā)展, 現(xiàn)代城鎮(zhèn)建設空間用地越來越緊張, 地下管線對地下空間占有和需求量也不斷增大[1]。為有效集約型利用城市建筑用地, 解決城市電力倉儲和使用問題, 城市綜合管廊的建設不斷擴大。綜合管廊也稱為共同溝、 綜合管溝, 主要是指興建于城鎮(zhèn)地下用于工程管線電力供給的重要設施[2]。從整體上看, 綜合管廊主要是對當前城市地下空間的合理應用, 可以有效容納城市公共和私人建筑的管線以及相關(guān)電力倉設置, 保證地表結(jié)構(gòu)架空以及其他換線可以有效集中在地下空間區(qū)域, 從而實現(xiàn)電力倉管線的統(tǒng)一監(jiān)控和管理[3]。綜合管廊下管線類型較多, 輸送量較大, 而對于綜合管廊電力倉的運維管理, 也是當前城市電力保障的重要內(nèi)容。從特征上看, 綜合管廊具有明顯的綜合性特征, 屬于城市建設的長期工程之一, 也是城市基礎(chǔ)設置集約化的代表性升級項目類型, 是典型的城市地下空間綜合應用[4-5]。在我國當前的經(jīng)濟發(fā)展進程中, 隨著城市化進程的不斷加劇, 城市空間用地也日趨緊張, 而綜合管廊建設可以很好地節(jié)約一部分地表空間, 提高城市空間資源的利用率[6]。目前我國城市管廊運維作業(yè)管理還處于初級階段, 整體的規(guī)劃設計還較為落后, 其核心問題在于綜合管廊電力倉內(nèi)線路結(jié)構(gòu)復雜, 整體通風散熱環(huán)境較為惡劣, 容易引發(fā)多類型事故。而目前現(xiàn)有的運維作業(yè)管理算法, 在綜合管廊電力溫度控制調(diào)配方法還較為落后, 一旦出現(xiàn)高密度用電, 會造成嚴重的建筑事故。所以有關(guān)部門迫切需要對當前綜合管廊電力倉運維進行升級, 降低此類事故的發(fā)生。為此, 筆者針對當前綜合管廊電力倉運維造成的散熱問題, 基于解空間分割相關(guān)技術(shù), 對當前運維作業(yè)管理機制進行升級, 提出管廊電力倉運維作業(yè)動態(tài)優(yōu)化算法, 提高結(jié)構(gòu)合理性, 解決管廊電力倉的散熱問題, 提高用電安全。

1 基于解空間分割的綜合管廊運維優(yōu)化算法

1.1 解空間分割處理機制設計

目前現(xiàn)有的管廊電力倉其空間應用大多僅能依靠就近原則, 而對于空間的優(yōu)化時運維作業(yè)為整體優(yōu)化的核心。設計將解空間分割處理機制相關(guān)思想, 引入到優(yōu)化問題中, 該機制將整個處理過程劃分為： 分割、 運算、 匯總3個階段, 其具體描述如下。

1) 分割階段[7]。對目標進行解空間劃分, 將優(yōu)化問題依靠實際信息設置多個自變量, 即X1,X2,…,Xm, 此時其整體解空間S為m個自變量構(gòu)成的m維空間, 而解空間的維度為自變量數(shù)量。將S分割成多項不同的數(shù)據(jù)子空間{S1,S2,…,Sm}。

2) 運算階段。將分割后的子空間{S1,S2,…,Sm}分別作為空間子任務{(diào)K1,K2,…,Km}的解空間, 劃分后的子空間任務數(shù)為最小的計算單元, 子任務{(diào)K1,K2,…,Km}分別獲取最優(yōu)解, 獲取的任務函數(shù)值為{A1,A2,…,Am}。各子任務分割處理和尋優(yōu)過程完全獨立, 利用子任務各自解空間進行問題優(yōu)化求解[8-9]。

3) 匯總階段。從各個子任務解中選擇最優(yōu)解, 將所有子任務{(diào)K1,K2,…,Km}運算得出的函數(shù)值進行匯總, 獲取最終的數(shù)據(jù)處理結(jié)果{A1,A2,…,Am}, 從中選取最優(yōu)目標函數(shù)值A(chǔ)x作為整體目標的最優(yōu)函數(shù)解[10]。基于解空間分割的并行處理機制其核心工作模式如圖1所示。

圖1 解空間分割處理機制Fig.1 Solution space segmentation processing mechanism

1.2 電力倉磁場計算

應用上述建立的解空間分割處理機制, 對綜合管廊電力倉磁場數(shù)據(jù)進行計算, 獲取最佳的電力分配方案。針對當前綜合管廊電力運維下的不同電壓等級電纜線進行測評, 可發(fā)現(xiàn)電纜纜芯導體區(qū)域加載實際上均為正常運行電流。對二維模型計算區(qū)域, 采用解空間處理分割機制, 進行電力倉磁場計算, 通過對當前電磁控制方程

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1.3 管廊電力倉對流分析

根據(jù)綜合管廊電力倉運工程技術(shù)規(guī)范標注內(nèi)容可以確定, 要想維護管廊的基礎(chǔ)安全, 需要保證電力倉通風換氣次數(shù)每小時不低于2次。而在不通風的情況下, 綜合管廊可以看做是完全密閉環(huán)境, 管廊電力倉則需要以自然對流的方式進行散熱。為了實現(xiàn)管廊運維作業(yè)動態(tài)升級, 基于上述獲取的電磁場數(shù)據(jù), 進一步以解空間分割思想, 根據(jù)自然對流微分方程、 能量方程進聯(lián)立求解, 計算管廊電力運維作業(yè)的傳導數(shù)據(jù)。采用解空間分割的綜合管廊電力倉流場和溫度場進行耦合計算, 可以獲取電力倉溫度的對接分布情況。

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在式(4)～式(7)中,vx和vy是空氣在x,y兩個方向上的速度分量,αv是空氣膨脹系數(shù)；T表示空氣溫度的最終解；T∞表示整體趨于穩(wěn)態(tài)溫度值；μ表示空氣粘性系數(shù)；k表示空氣傳輸?shù)臒釋剩?是拉普拉斯算子,kx,ky分別代表熱導率的差異性參數(shù)。

1.4 實現(xiàn)綜合管廊電力倉運維作業(yè)優(yōu)化

基于上述提出的解空間分割并行遺傳算法, 可以將其求取的電力倉磁場計算數(shù)據(jù)和對流分析數(shù)據(jù)參數(shù)分別劃分子空間, 明確劃分個數(shù)和空間個體數(shù)。在進行最后的整體優(yōu)化前, 需要對這2個參數(shù)進行設定?；诮饪臻g分割思想, 按照預設精度要求, 選擇當前樣本總體個數(shù), 在根據(jù)子空間占整體空間的實際比例為每個參數(shù)的子群進行個體分配。一般來說, 種群劃分的數(shù)量越多, 最終結(jié)果的整體性能越好, 這樣可以有效克服傳統(tǒng)管廊電力倉空間運維管理時出現(xiàn)的局部最優(yōu)過早收斂的情況, 同時數(shù)據(jù)的單一屬性也方便管廊管理平臺整體研究劃分。因為在解空間理論下, 隨著電力倉磁場和對流分析數(shù)據(jù)規(guī)劃分數(shù)的不斷提高, 子群個體數(shù)會出現(xiàn)明顯下降, 這樣既不利于空間求值(如優(yōu)化過程匯總將降低解空間子群), 又會嚴重影響算法的并行性。所以在實際運算劃分中, 解空間子群個體數(shù)可以在參照比例劃分的基礎(chǔ)上, 進行適當?shù)臄?shù)據(jù)增改, 添加數(shù)據(jù)迭代次數(shù)。另外, 為了保證當前個體可以實現(xiàn)解空間分割尋優(yōu), 個體的整體數(shù)量不能過低, 則根據(jù)解空間最小規(guī)模理論, 設計優(yōu)化最終選定子群個數(shù)為20左右。

采用基于解空間分割并行處理機制, 針對上述2項參數(shù)進行改進, 完成最終優(yōu)化, 其算法步驟如下。

step1 在基本的解空間算法基礎(chǔ)上, 對2項參數(shù)的初始值進行設定。

setp2 分割階段。將參數(shù)的整體空間S劃分n份, 并將解空間子群個體劃分為整數(shù)個體n的多等份, 如下式

CCut:S→{S1,S2,…,Sn}

(8)

step3 運算階段。子任務隨機產(chǎn)生種群(二進制), 各個子任務根據(jù)解空間算法流程, 在當前解空間上進行獨立運行, 如下所示

step4 匯總階段。將各個子種群運行結(jié)束后的數(shù)據(jù)求值結(jié)果進行匯總。如果管廊電力倉運維目標函數(shù)的搜索域在二維空間下, 設置自變量X,Y, 目標函數(shù)F(X,Y)=X2+Y2可以看做是關(guān)于X,Y的復雜函數(shù)。設置管廊參數(shù)種群個數(shù)M=200, 進化代數(shù)為300, 交叉概率設置為P=0.6, 則此時數(shù)據(jù)迭代后其變異概率為0.01。對其核心參數(shù)整體解空間X,Y的范圍進行多等份分割, 每個子空間的個體數(shù)為80。假設此時管廊電力倉運維空間被分割為4個子任務, 即{K1,K2,K3,K4}的搜索空間為{S1,S2,S3,S4}。

對各個空間的不同子群進行搜索, 每項獨立參數(shù)均需要依靠各自獨立的目標函數(shù)值進行尋解, 即可獲取最優(yōu)的目標函數(shù)解, 從而實現(xiàn)管廊電力倉運維作業(yè)的動態(tài)優(yōu)化。

2 仿真實驗

由于筆者設計的空間分割的綜合管廊電力倉運維作業(yè)動態(tài)優(yōu)化算法主要基于電力倉磁場和綜合管廊電力對流2項參數(shù), 通過最優(yōu)解迭代實現(xiàn)整體運維優(yōu)化, 因此獲取的計算域中, 溫度分析和控制是其核心。因為電纜線路和綜合管廊電力倉可以近似一個具有典型平面結(jié)構(gòu)的多維模型, 其自身支架體積較小, 可能存在不導材料, 因此實驗過程中可以忽略其溫度分布影響。綜上, 仿真實驗為了節(jié)約實驗資源, 將整個實驗簡化成一個二維模型, 進行電流、 磁場和溫度場的耦合分析, 通過與傳統(tǒng)的運維管理平臺針對絕對溫度和最高溫度進行對比, 驗證設計效果。

2.1 局部最高溫度對比

圖2 局部高溫實驗對比Fig.2 Comparison of local high temperature experiments

綜合管廊在沒有通風設施的基礎(chǔ)上, 電力倉內(nèi)部散熱以空氣對流散熱為主。實驗采用2種對比方法對流場和溫度場進行耦合計算, 分別獲取局部最高溫, 通過改變電流運行量進行多組對比, 其結(jié)果如圖2所示。

圖2顯示了2種實驗運維方法下, 綜合管廊電力倉的局部最高溫度。實驗共選擇了10個探究點位進行溫度模擬控制并提取數(shù)據(jù)結(jié)果進行對比。不難看出, 筆者設計的基于解空間分割的綜合管廊電力倉運維作業(yè)動態(tài)優(yōu)化算法, 每個點溫度值均低于60 ℃, 其區(qū)間大約在38 ℃～50 ℃之間, 屬于安全溫控區(qū)域。而傳統(tǒng)運維平臺管控下, 其溫度明顯高于筆者設計的運維平臺, 二者相差比例超過27%, 足以初步證明設計平臺的優(yōu)越性。

2.2 絕對溫度對比

絕對溫度可看做是當前運維管控下, 管廊電力倉溫度波動幅度, 其幅度越小證明整體穩(wěn)定性越高。設計按照上述策略進行實驗對比, 其結(jié)果如表1所示。

表1 絕對溫度對比

表1記錄了抽取的10個測控點對應的絕對溫度, 由表1可見, 傳統(tǒng)管控平臺的絕對溫度值明顯高于筆者設計的運維作業(yè)優(yōu)化算法。通過設置邊界條件進行對比驗算, 結(jié)果表明筆者設計的運維優(yōu)化算法最終的絕對溫度降低了32%, 證明了實驗正確性。

3 結(jié) 語

隨著我國經(jīng)濟發(fā)展, 城市布局和規(guī)劃逐漸擴大, 人口增多導致城市用地越來越緊張, 因此, 基礎(chǔ)設施的規(guī)模也受到了限制。地下管廊的建設和更新, 可以保證城市供電供水, 同時對不同管線和電力倉的運維管理, 可以保證城市基礎(chǔ)管廊的應用安全, 使城市居民生活質(zhì)量得到提高。