城市天然气管道系统阀门故障传播影响评估方法及系统

摘要

本发明实施例公开一种城市天然气管道系统阀门故障传播影响评估方法及系统，所述方法包括根据城市天然气管道系统建立城市天然气管道系统的网络结构拓扑图；根据网络结构拓扑图建立网络模型；根据网络模型以及预设的约束条件，获取城市天然气管道系统正常状态对应的第一流量压力分配信息；在网络模型中模拟阀门故障，并根据预设的阀门故障传播规则和约束条件，获取城市天然气管道系统在阀门故障状态下对应的第二流量压力分配信息；比较第一流量压力分配信息和第二流量压力分配信息对城市天然气管道系统进行阀门故障传播影响评估。所述系统用于执行上述方法。本发明实施例提高了城市天然气管道系统阀门故障传播影响评估的准确性。

说明书

技术领域

本发明实施例涉及可靠性工程技术领域，具体涉及城市天然气管道系统阀门故障传播影响评估方法及系统。

背景技术

随着科技的发展，天然气的使用越来越多，现在大部分分城市都使用天然气作为能源，为人们的生活带来了极大的方便。城市天然气管道系统是接收外部气源、向市区及郊区村镇居民供应生活用气、企业热源或化工原料的重要枢纽。

城市天然管道气系统中的阀门是一种通过改变其内部通路截面积来控制管路中介质流动的通用机械产品，属于控制元件，其主要作用是隔离设备和管道系统、防止回流、调节流量等。目前城市天然气管网中使用的阀门种类较多，但其主要用于连通管道和分配天然气流通路径。明确城市天然气管道系统内阀门的故障传播规律对在城市天然气管道系统中的定位故障有着重要的意义。现有技术中，对于阀门故障方面的研究主要集中在分析和选择阀门的类型、阀门的材料和阀门的密闭性方面。且多是针对一个阀门进行研究，从局部角度解决问题，如检测阀门的泄漏程度和压力等。但是因为天然气管道是相互连通的，一处故障会对整个系统造成影响，如果仅仅考虑阀门故障对局部的影响，而忽略了阀门故障传播对城市天然气管道系统的影响，这对城市天然气管道系统的故障分析、故障传播影响评估以及故障监测都会造成影响。

因此，如何提出一种方案，能够提高城市天然气管道系统阀门故障传播影响评估的准确性，成为亟待解决的问题。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明实施例提供一种城市天然气管道系统阀门故障传播影响评估方法及系统。

一方面，本发明实施例提出一种城市天然气管道系统阀门故障传播影响评估方法，包括：

根据城市天然气管道系统建立所述城市天然气管道系统的网络结构拓扑图，所述网络结构拓扑图包括：节点和表示天然气管道的边，其中所述节点和边用来表示所述城市天然气管道系统的连接关系，所述边带有表示天然气流动的方向；

根据所述网络结构拓扑图建立网络模型，所述网络模型包括节点信息表、边信息表以及所述节点的连接矩阵；

根据所述网络模型中的所述节点信息表、所述边信息表和所述连接矩阵以及预设的约束条件，获取所述城市天然气管道系统正常状态对应的第一流量压力分配信息；

在所述网络模型中模拟阀门故障，并根据预设的阀门故障传播规则和所述约束条件，获取所述城市天然气管道系统在所述阀门故障状态下对应的第二流量压力分配信息；

比较所述第一流量压力分配信息和所述第二流量压力分配信息对所述城市天然气管道系统进行阀门故障传播影响评估。

另一方面，本发明实施例提供一种城市天然气管道系统阀门故障传播影响评估系统，包括：

拓扑图建立模块，用于根据城市天然气管道系统建立所述城市天然气管道系统的网络结构拓扑图，所述网络结构拓扑图包括：节点和表示天然气管道的边，其中所述节点和边用来表示所述城市天然气管道系统的连接关系，所述边带有表示天然气流动的方向；

网络模型建立模块，用于根据所述网络结构拓扑图建立网络模型，所述网络模型包括节点信息表、边信息表以及所述节点的连接矩阵；

第一流量压力分配获取模块，用于根据所述网络模型中的所述节点信息表、所述边信息表和所述连接矩阵以及预设的约束条件，获取所述城市天然气管道系统正常状态对应的第一流量压力分配信息；

第二流量压力分配获取模块，用于在所述网络模型中模拟阀门故障，并根据预设的阀门故障传播规则和所述约束条件，获取所述城市天然气管道系统在阀门故障状态下对应的第二流量压力分配信息；

故障传播影响评估模块，用于比较所述第一流量压力分配信息和所述第二流量压力分配信息对所述城市天然气管道系统进行阀门故障传播影响评估。

本发明实施例提供的城市天然气管道系统阀门故障传播影响评估方法及系统，通过建立城市天然气管道系统的网络模型，获取城市天然气管道系统正常状态下的流量和压力分配情况，再进行阀门故障的模拟，获取城市天然气管道系统阀门故障后的流量和压力分配情况。将正常状态的流量压力的分配情况与故障状态的流量压力的分配情况进行比较，进一步进行城市天然气管道系统的阀门故障传播影响评估。实现了天然气管道阀门故障对整个天然气管道的影响的评估，提高了城市天然气管道系统阀门故障传播影响评估的准确性。

附图说明

图1为本发明实施例中城市天然气管道系统阀门故障传播影响评估方法的流程示意图；

图2为本发明实施例中网络结构拓扑图的结构示意图；

图3为本发明实施例中又一网络结构拓扑图的结构示意图；

图4为本发明实施例中阀门误关断后网络结构拓扑图的修改演化示意图；

图5为本发明实施例中城市天然气管道系统稳定性判断示意图；

图6为本发明实施例中故障判据模型结构示意图；

图7为本发明实施例中阀门泄漏故障传播处理方法流程示意图；

图8为本发明实施例中又一网络结构拓扑图的结构示意图；

图9a-图9d为本发明实施例中节点3阀门泄漏网络结构拓扑图修改过程示意图；

图10为本发明实施例中仿真阀门泄漏后管道流量分配过程图；

图11为本发明实施例中仿真阀门泄漏后节点压力分配过程图；

图12a-图12c为本发明实施例中节点5阀门误关断网络结构拓扑图修改过程示意图；

图13为本发明实施例中仿真阀门误关断后管道流量分配过程图；

图14为本发明实施例中仿真阀门误关断后节点压力分配过程图；

图15为本发明实施例中城市天然气管道系统阀门故障传播影响评估系统的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1为本发明实施例中城市天然气管道系统阀门故障传播影响评估方法的流程示意图，如图1所示，本发明实施例提供的城市天然气管道系统阀门故障传播影响评估方法包括：

B11、根据城市天然气管道系统建立所述城市天然气管道系统的网络结构拓扑图，所述网络结构拓扑图包括：节点和表示天然气管道的边，其中所述节点和边用来表示所述城市天然气管道系统的连接关系，所述边带有表示天然气流动的方向；

具体地，本发明实施例根据城市天然气管道系统建立出该城市的天然气管道网络结构拓扑图，即用节点和边来表示城市的城市天然气管道系统的连接关系以及天然气的流动方向。其中网络结构拓扑图中的节点表示城市天然气管道系统中的调压室或阀门，边表示城市天然气管道系统中的管道，并且每条边带有表示城市天然气管道系统中的天然气的流动方向。具体可以将网络结构拓扑图中的节点和边分别进行顺序编号。

B12、根据所述网络结构拓扑图建立网络模型，所述网络模型包括节点信息表、边信息表以及所述节点的连接矩阵；

具体地，建立好城市天然气管道系统的网络结构拓扑图之后，根据网络结构拓扑图建立该城市的天然气的网络模型，其中网络模型中包括节点信息表、边信息表以及节点的连接矩阵。其中节点信息表中可以包括节点对应的类型、等级、消耗流量以及节点对应的供给需求关系；边信息表可以包括各个边对应的等级、起点、终点以及该边代表的管道的长度和直径。其中，节点的类型可以根据节点的具体作用进行划分；节点和边对应的等级可以根据管道压力进行划分，管道压力越大，等级越高，管道压力越小，等级越小；节点的消耗流量可以根据城市天然气管道系统的具体情况进行设置；节点对应的供给需求关系是指该节点是向其他节点供给天然气或需要其他节点向该节点供给天然气，即天然气在该节点处时是输出还是输入；边的起点和终点根据该边对应的天然气的流动方向进行设置。

其中，连接矩阵是利用矩阵的方式表示节点之间的连接关系，本发明实施例中将定义连接矩阵为A＝[a_ij]，其中，i表示网络结构拓扑图中的节点i，j表示网络结构拓扑图中的管道j。具体地，若节点i不在管道j上，则对应在连接矩阵中的元素a_ij表示为0；若节点i在管道j上，并且为管道j的起点，则对应在连接矩阵中的元素a_ij表示为-1；若节点i在管道j上，并且为管道j的终点，则对应在连接矩阵中的元素a_ij表示为1。

如：图2为本发明实施例中网络结构拓扑图的结构示意图，如图2所示，图中圆圈表示节点，圆圈中的字母表示节点编号，带箭头的线段表示边，即表示管道，箭头表示天然气的流动方向。本发明实施例中城市天然气管道的网络结构拓扑图中有6个节点a、b、c、d、e、f，有6条边ab、bc、cd、ae、df、ef，其中箭头表示天然气在管道中的流向，则其中连接矩阵可以表示为如下公式(1)：

B13、根据所述网络模型中的所述节点信息表、所述边信息表和所述连接矩阵以及预设的约束条件，获取所述城市天然气管道系统正常状态对应的第一流量压力分配信息；

具体地，建立城市天然气管道系统的网络模型后，根据该网络模型中的节点信息表、边信息表以及预设的约束条件，获取城市天然气管道系统正常状态对应的第一流量压力分配信息，即计算城市天然气管道系统正常状态对应的流量和压力分配情况，具体可以计算出各个节点对应的压力和各个管道对应的流量。其中本发明实施例中的约束条件主要是根据质量守恒定律、节点流量平衡和环网压力平衡进行建立的，具体可以表示为如下公式(2)：

式中：∑input——表示整个城市天然气管道系统输入的天然气总量，即从上级调压室输出的天然气总量，其数值根据需求设置，也可以参照根据《城镇天然气设计规范》(GB50028-93)设置；

∑output——表示输出的天然气总量，即实际使用的需求量；

∑storage——表示贮存在天然气管道中的天然气总量，在使用过程中忽略为零；

A——表示节点的连接矩阵；Q——表示管道流量矩阵；

q——表示节点流量矩阵；p——表示节点压力矩阵；

Δp——表示管压降矩阵。

其中Q、q、p以及Δp可以从网络模型中的节点信息表以及边信息表中获得。

具体获取第一流量压力分配信息可以根据建立的网络模型和预设的约束条件，利用水利计算方程，计算出网络模型中各个节点对应的压力以及各个管道对应的流量，获取到城市天然气管道系统在正常状态下的第一流量压力分配信息。其中计算过程中所需的参数如天然气压缩因子、天然气相对密度和天然气温度等，可以根据实际情况进行设置。

B14、在所述网络模型中模拟阀门故障，并根据预设的阀门故障传播规则和所述约束条件，获取所述城市天然气管道系统在所述阀门故障状态下对应的第二流量压力分配信息；

具体地，在网络模型建立好后，在网络模型中模拟阀门故障，如随机选取其中某个表示阀门的节点假设其出现故障，根据预设的阀门故障传播规则和约束条件，获取城市天然气管道系统在该阀门故障状态对应的状态下的第二流量压力分配信息。可以根据实际管道系统出现故障的数据，通过将模型中某个表示阀门的节点的压力或流量改为非正常状态，模拟该阀门出现故障。本发明实施例主要是通过在网络模型中注入阀门故障后，根据预设的阀门故障传播规则，修改网络模型，如：修改网络模型中的节点信息表中各节点的消耗流量或节点的连接关系等，或修改边信息表中的相关信息。当网络模型改变后，对应连接矩阵、节点的流量矩阵会相应的改变，进一步约束条件会相应的改变，可以计算出阀门故障状态对应的城市天然气管道系统的流量和压力分配情况，即获取到第二流量压力分配信息。其中阀门故障传播规则可以根据实际需要进行设置，具体可以结合实际使用时阀门故障数据进行设置，如修改该阀门表示的节点的流量和压力等，本发明实施例不作具体限定。

B15、比较所述第一流量压力分配信息和所述第二流量压力分配信息对所述城市天然气管道系统进行阀门故障传播影响评估。

具体地，计算出正常状态下整个城市天然气管道系统对应的第一流量压力分配信息，和阀门故障状态时整个城市天然气管道系统对应的第二流量压力分配信息后，将第一流量压力分配信息和第二流量压力分配信息进行比较，可以分析出阀门故障对整个城市天然气管道系统的影响，进一步进行城市天然气管道系统的故障传播影响评估。如：可以分别评估每个阀门出现故障对整个城市天然气管道系统的影响，进一步评估该阀门的重要性，以及整个城市天然气管道系统的可靠性。

其中网络模型可以通过计算机软件扫描，将网络模型数字化，后期的流量和压力的分配情况的计算以及故障传播影响的评估也可以通过计算机软件进行。

本发明实施例提供的城市天然气管道系统阀门故障传播影响评估方法，通过建立城市天然气管道系统的网络模型，获取城市天然气管道系统正常状态下的流量和压力分配情况，再进行阀门故障的模拟，获取城市天然气管道系统故障后的流量和压力分配情况。将正常状态的流量压力的分配情况与故障状态的流量压力的分配情况进行比较，进一步进行城市天然气管道系统的故障传播影响评估。实现了城市天然气管道系统阀门故障对整个天然气管道的影响的评估，提高了城市天然气管道系统阀门故障传播影响评估的准确性。

在上述实施例的基础上，所述阀门故障传播规则包括：阀门故障类型以及所述阀门故障类型对应的网络结构拓扑图修改策略和/或网络模型修改策略。

具体地，本发明实施例根据城市天然气管道系统的实际使用情况，预先设置阀门故障传播规则，如设置阀门故障类型以及各阀门故障类型对应的网络结构拓扑图修改策略和/或网络模型修改策略。其中网络结构拓扑图修改策略可以根据城市天然气管道系统实际出现阀门故障后整个管道系统的变化进行设置如：网络结构拓扑图中的节点或边是否需要移除、是否需要新增节点或边等，本发明实施例不作具体限定。网络结构拓扑图修改后，对应的网络模型中的连接矩阵以及节点信息表、边信息表等可能也需要做相应的修改，同时不同的阀门故障，可能导致城市天然气管道系统中某些节点或边的流量和压力的计算方式发生改变，即不同的阀门故障类型对应不同的网络模型修改策略。

本发明实施例提供的城市天然气管道系统阀门故障传播影响评估方法，通过预先设置故障传播规则，在模拟阀门故障时，根据故障类型修改网络结构拓扑图和网络模型，并根据修改后的网络结构拓扑图以及网络模型获取城市天然气管道系统在阀门故障状态下对应的流量和压力分配情况。提高了城市天然气管道系统阀门故障传播影响评估的准确性。

在上述实施例的基础上，所述阀门故障类型包括：阀门泄漏和阀门误关断。

具体地，根据天然气系统实际使用情况，阀门故障通常包括阀门泄漏和阀门误关断，阀门泄漏是指天然气通过该阀门时有部分天然气流入外部环境，没有完全流入下一管道；阀门误关断表示由于非正常原因而关断。阀门泄漏和阀门误关断对城市天然气管道系统的影响不同，需要根据不同的阀门故障类型设置不同的阀门故障传播规则。

在上述实施例的基础上，所述方法还包括：

若所述阀门故障类型为所述阀门泄漏，则所述网络模型修改策略包括：

获取阀门泄漏量以及以所述出现泄漏的阀门表示的节点为起点的管道的管道流量，并根据所述阀门泄漏量获取所述出现泄漏的阀门表示的节点的节点流量；

根据所述阀门泄漏后所述管道流量以及所述节点流量修改所述网络模型中的节点信息表和边信息表。

具体地，若进行阀门泄漏故障模拟，则获取阀门泄漏量，根据阀门泄漏量获取出现泄漏的阀门表示的节点的节点流量，并获取以出现泄漏的阀门表示的节点为起点的管道的管道流量。其中以出现泄漏的阀门表示的节点为起点的管道表示泄漏阀门的下游管道，即天然气从该阀门输出流向的管道。获取到泄漏阀门表示的节点的节点流量以及以该泄漏阀门表示的节点为起点的管道的管道流量后，根据该泄漏阀门的节点流量以及管道流量，修改网络模型中的节点信息表和边信息表，利用上述约束条件，可以获取该阀门泄漏故障对应的天然气管道的流量压力分配信息即第二流量压力分配信息。

其中，以泄漏阀门表示的节点为起点的管道的管道流量可以根据如下公式(3)获取，具体计算方法如下：

式中：Q_in——阀门泄漏后以泄漏阀门表示的节点为起点的管道的管道流量，这里假设后面管道均分泄漏量；

Q_in(0)——以泄漏阀门表示的节点为起点的管道在阀门泄漏前的管道正常流量；

δ——泄漏系数；

n——节点数量。

其中，泄漏阀门表示的节点的节点流量在以下实施例中介绍。

在上述实施例的基础上，所述方法还包括：根据所述节点的作用将所述节点进行分类，所述节点的类型包括：源节点、第一类中转节点、第二类中转节点、第三类中转节点以及目标节点。

具体地，根据各个节点的作用，将节点进行分类，本发明实施例中节点的类型包括：源节点、第一类中转节点、第二类中转节点、第三类中转节点以及目标节点。其中源节点是指整个城市天然气管道系统中，长输管线进入城市处的调压器，源节点的作用是提供整个管道系统中天然气的来源；第一类中转节点在管道系统中代表的是不同压力等级管网之间的调压器，它的作用是降压分配，把高压天然气的压力调低；第二类中转节点在管道系统中代表的是管道之间的阀门，它的作用是进行天然气的分配，改变天然气输出路径；第三类中转节点在管道系统中代表的是某些用气区的调压器，它的作用相当于第一类中转节点和第二类中转节点作用的综合，它除了会把上游来气供给用户需求外，也把剩余天然气供给下游用户；目标节点在管道系统中代表的是某些用气区的调压器，它作用是调压供给用户。

每一类型的节点的压力和流量的计算方法不同，相应的节点之间的管道的流量和压力的计算方法也会不同，可以根据节点的类型设置其对应的压力和流量的计算方法，进一步可以计算出节点之间管道的计算方法。此外，本发明实施例中节点的类型对建立预设条件的建立也有影响，例如：约束条件中的质量守恒定律中的输入管道系统中的天然气总量等于输出的天然气总量以及管道贮存的天然气总量，其中管道系统中的天然气的输入和输出可以根据节点类型进行计算。

根据城市天然气管道系统设置各个节点的连接关系，城市天然气管道系统中的流向，各个节点的类型，以及根据管道系统中管道的压力设置个各个节点以及边的等级，即建立城市天然气管道的网络结构拓扑图。图3为本发明实施例中又一网络结构拓扑图的结构示意图，如图3所示，本发明实施例中包括3个等级，1个源节点，4个第一类中转节点，7个第二类中转节点，2个第三类中转节点和1个目标节点，其中边的箭头方向表示天然气在管道中的流向。

表1为本发明实施例中根据图2对应的网络结构拓扑图中建立的节点信息表，表2为本发明实施例中根据图2对应的网络结构拓扑图中建立的边信息表，如表1和表2所示，可以看出图2中的网络结构拓扑图中的所有的节点和边属于同一等级N，当然节点信息表和边信息表中还可以包括其他信息，如节点压力等，本发明实施例不作具体限定。

表1

网络层级节点编号节点类型消耗流量供给/需求Na第一类中转节点-200供给Nb第二类中转节点————Nc目标节点+100需求Nd第三类中转节点+100需求Ne第二类中转节点————Nf第二类中转节点————-

其中：因为在图2中只能够显示一个等级的模型，所以表1中有些节点的供给和需求关系以及消耗流量和暂时不能确定，在节点信息表中用“-”表示。

表2

网络层级边编号起点终点长度直径NababL_abd_abNbcbcL_bcd_bcNdcdcL_dcd_dcNadaeL_add_adNefefL_efd_efNfdfdL_fdd_fd

此外，若阀门故障为阀门泄漏时，泄漏阀门表示的节点的节点流量的计算方法可以根据泄漏阀门表示的节点类型获取，如：若出现泄漏的阀门表示的节点为第二类中转节点，则泄漏阀门表示的节点的节点流量可以采用如下公式(4)进行计算，具体如下：

式中：q_i——表示泄漏阀门表示的节点的节点流量；

q_leak——表示阀门泄漏量；

δ——表示泄漏系数；

Q_in(0)——表示以泄漏阀门表示的节点为起点的管道在阀门泄漏前的管道正常流量。

若出现泄漏的阀门表示的节点不是第二类中转节点，则泄漏阀门表示的节点的节点流量可以采用如下公式(5)进行计算，即该节点流量等于泄漏阀门表示的节点在正常状态下的流量减去泄漏量，具体如下：

q_i＝q_i(0)-q_leak(5)

式中：q_i——表示泄漏阀门表示的节点的节点流量；

q_i(0)——表示泄漏阀门表示的节点的节点正常流量；

q_leak——表示阀门泄漏量。

获取到泄漏阀门表示的节点的节点流量后，进一步可以获取阀门泄漏故障后城市天然气管道系统的第二流量压力分配信息，进一步可以对城市天然气管道系统进行阀门泄漏故障传播影响评估。

本发明实施例提供的城市天然气管道系统阀门故障传播影响评估方法，根据各节点的作用将节点进行分类，每一类型的节点对应不同的消耗流量以及节点压力，将各节点的类型以及对应的消耗流量等，存储在节点信息表中，以便后期计算管道系统的流量和压力分配情况，提高了城市天然气管道系统阀门故障传播影响评估的准确性。此外，根据节点类型获取阀门泄漏故障对应的泄漏节点的流量，以及泄漏节点对应的下游管道的管道流量，进一步根据约束条件获取阀门泄漏故障后城市天然气管道系统的第二流量压力分配信息，提高了第二流量压力分配信息获取的准确性，进一步提高了城市天然气管道系统阀门故障传播影响评估的准确性。

在上述实施例的基础上，所述方法还包括：

若所述阀门故障类型为所述阀门误关断，则所述网络结构拓扑图修改策略为：

将以所述误关断的阀门对应的节点为起点的边从所述网络结构拓扑图中移除，构建网络结构拓扑修改图；

将所述网络结构拓扑修改图中的孤立节点以及与所述孤立节点连接的边移除，构建网络结构拓扑优化图，其中所述孤立节点为只有天然气输出没有天然气输入的节点。

具体地，若阀门故障为阀门误关断，则误关断阀门的下游管道的天然气被阻断，将该管道所代表的边从网络结构拓扑图中移除，即将以误关断的阀门对应的节点为起点的边从网络结构拓扑图中移除，构建网络结构拓扑修改图。再次检查网络结构拓扑修改图，如果出现某节点没有输入只有输出，那么该节点为孤立节点，将该节点以及与该节点连接的边从网络结构拓扑中移除。图4为本发明实施例中阀门误关断后网络结构拓扑图的修改演化示意图，如图4所示，图4为图2中的网络结构拓扑图节点e出现阀门误关断故障后的修改演化过程。从图4可以看出节点e代表的阀门误关断后，将节点e的下游管道表示的边即边ef从网络结构拓扑图中删除，此时节点f只有输出没有输入成为孤立节点，再将节点f移除，再移除与节点f相连管道表示的边fd，最后构建出网络结构拓扑优化图。

本发明实施例提供的城市天然气管道系统阀门故障传播影响评估方法，根据城市天然气管道系统实际出现阀门误关断后，城市天然气管道系统中各个管道的天然气流通情况，合理设置了网络结构拓扑图修改策略，提高了城市天然气管道系统阀门故障后系统中管道及节点的流量压力分配计算的准确性，进一步提高了城市天然气管道系统阀门故障传播影响评估方法的准确性。

在上述实施例的基础上，所述方法还包括：所述网络模型修改策略包括：根据所述网络结构拓扑优化图相应的修改所述网络模型中的连接矩阵、节点信息表和边信息表，构建第一修改网络模型。

具体地，阀门误关断后，根据阀门误关断对应的网络结构拓扑图修改策略，将网络结构拓扑图进行了修改，获取到网络结构拓扑优化图，相应的连接矩阵要根据网络结构拓扑优化图进行适应的修改，节点的流量以及管道的流量也要进行修改，网络模型中的节点信息表以及边信息表进行相应的修改。即不同的阀门故障类型对应不同的网络模型修改策略，根据修改后的网络结构拓扑优化图构建第一修改网络模型后，根据上述约束条件以及第一修改网络模型获取阀门误关断故障后城市天然气管道系统的第二流量压力分配信息。

在上述实施例的基础上，图5为本发明实施例中城市天然气管道系统稳定性判断示意图，如图5所示，所述方法还包括：

S1、设置故障判据，在所述网络模型中模拟阀门故障，获取所述管道系统在故障状态下的对应的流量压力分配信息；

S2、根据所述故障判据和所述流量压力分配信息判断所述管道系统是否处于稳定状态；

S3、若所述管道系统处于稳定状态，则将所述管道系统状态信息作为所述第二流量压力分配信息；

S4、若所述管道系统处于不稳定状态，则修改所述网络结构拓扑图和所述网络模型，构建第二修改网络模型；

S5、根据所述第二修改网络模型，以及所述约束条件获取所述管道系统对应的流量压力分配信息，并返回步骤S2。

具体地，在模拟系统故障时，在注入阀门故障后，根据阀门故障传播规则以及约束条件，获取城市天然气管道系统在阀门故障状态下对应的流量压力分配信息。由于注入故障，可能导致城市天然气管道系统不稳定，本发明实施例通过设置故障判据，根据故障判据判断当前状态下对应的城市天然气管道系统的流量和压力的分配是否处于稳定状态，若是，则将该城市天然气管道系统状态信息作为第二流量压力分配信息。若该城市天然气管道系统不满足故障判据，即该城市天然气管道系统不稳定，则修改网络结构拓扑图和网络模型，如：部分节点或边的流量或压力过小或过大，则相应的在网络结构拓扑图中删除适应的节点或边或增加新的节点。网络结构拓扑图修改后，网络模型要做适应性修改，构建第二修改网络模型。根据第二修改网络模型，以及上述约束条件获取城市天然气管道系统对应的流量压力分配信息，并判断该流量压力分配信息是否满足故障判据，即新的城市天然气管道系统是否稳定，若不稳定，继续修改网络结构拓扑图和网络模型，直至稳定。将稳定状态下对应的城市天然气管道系统对应的流量压力分配信息作为第二流量压力分配信息。将第二流量压力分配信息与第一流量压力分配信息进行比较，进行管道系统的故障传播影响评估。

本发明实施例提供的城市天然气管道系统阀门故障传播影响评估方法，通过设置故障判据，判断城市天然气管道系统是否处于稳定状态，若不稳定，继续修改网络结构拓扑图和网络模型，直至稳定。获取稳定状态下城市天然气管道系统对应的流量压力分配信息作为第二流量压力分配信息，将第二流量压力分配信息与第一流量压力分配信息进行比较，进行管道系统的故障传播影响评估，提高了城市天然气管道系统阀门故障传播影响评估方法的准确性。

在上述实施例的基础上，所述设置故障判据包括：设置流量下限阈值和流量上限阈值，以及压力下限阈值和压力上限阈值；

若所述城市天然气管道系统中所有的节点和管道对应的流量处于所述流量下限阈值和流量上限阈值之间，且所述城市天然气管道系统中所有的节点和管道对应的压力处于所述压力下限阈值和压力上限阈值之间，则表示城市天然气管道系统处于稳定状态。

具体地，本发明实施例中的故障判据是指设置流量下限阈值和流量上限阈值，以及压力下限阈值和压力上限阈值，只有城市天然气管道系统中所有的节点和管道的流量和压力都在对应的流量下限阈值和流量上限阈值之间以及压力下限阈值和压力上限阈值之间，表示系统处于稳定状态。其中流量下限阈值和流量上限阈值以及压力下限阈值和压力上限阈值可以采用如下公式(6)进行定义：

式中：C——表示容量；

L——表示负荷，负荷是指网络单元所承受的应力，即为天然气流量和压力，都作为观测参数。

α——表示余量参数，一般情况下α>0；

j——表示节点编号。

图6为本发明实施例中故障判据模型结构示意图，如图6所示，横坐标轴表示流量，纵坐标轴表示压力，只有当流量和压力都在矩形范围内，表示该系统处于正常状态，否则认为处于故障状态。实际应用时，可以依次判断网络模型中的节点以及边是否处于正常状态，当所有的节点和边都处于正常状态时，则认为管道系统处于稳定状态。

图7为本发明实施例中阀门泄漏故障传播处理方法流程示意图，如图7所示，本发明实施例阀门泄漏故障对应的处理方法包括：

B71、获取城市天然气管道系统的第一流量压力分配信息。即输入城市天然气管道系统的参数值，根据网络模型以及约束条件获取城市天然气管道系统的第一流量压力分配信息。

B72、仿真抽样得到泄漏阀门对应的节点编号。即从网络结构拓扑图中抽样获取至少一个泄漏阀门对应的节点编号。

B73、获取泄漏阀门对应的节点的节点泄漏量，修改网络模型。即根据上述公式(4)或公式(5)获取泄漏阀门对应的节点的节点流量，并修改节点信息表和边信息表，相应的得到新的节点流量矩阵q和管道流量矩阵，获得修改后的网络模型。

B74、获取城市天然气管道系统的第二流量压力分配信息。即阀门泄漏对应的网络模型策略修改网络模型后，根据修改后的网络模型对应的节点信息表、边信息表以及连接矩阵，结合上述约束条件，即根据质量守恒定律、节点流量平衡、环网压力降平衡，结合导纳系数分配算法等，获取城市天然气管道系统在阀门泄漏故障下对应的第二流量压力分配信息。

B75、根据故障判据判断城市天然气管道系统是否稳定。即根据故障判据判断上述城市天然气管道系统在阀门泄漏故障下对应的第二流量压力分配信息中，是否有节点或管道的压力或流量超过对应的流量下限阈值、流量上限阈值、压力下限阈值或压力上限阈值，若是，即系统不稳定，则执行步骤B76，否则执行步骤B77。

B76、修改网络结构拓扑图以及网络模型，构建第二修改网络模型。即删除上述流量或压力不满足故障判据的节点或边，并返回步骤B74。

B77、进行阀门故障影响评估。即将第一流量压力分配信息和第二流量压力分配信息进行比较，根据阀门泄漏过程城市天然气管道系统各个节点以及管道的流量压力变化，评估泄漏阀门对整个城市天然气管道系统故障影响程度，还可以依次将城市天然气管道系统中各个阀门都进行阀门故障的仿真，判断各个阀门在城市天然气管道系统中的重要程度，以进行重点维护，进一判断城市天然气管道系统的可靠性和稳定性。

同样的，阀门误关断故障也可以采用上述方法进行仿真，相应的根据阀门误关断对应的拓扑图修改策略和网络模型修改策略，修改网络结构拓扑图和网络模型，并根据修改后的网络模型获取城市天然气管道系统对应的流量压力分配信息。在利用故障判据，判断修改后的城市天然气管道系统是否稳定，是否出现新的节点或管道故障，进行相应的修改如移除节点或添加节点等，直至系统稳定，获取城市天然气管道系统对应的第二流量压力分配信息。再根据第一流量压力分配信息和第二流量压力分配信息，进行阀门误关断的故障传播影响评估。具体方式同上述阀门泄漏的实施方式类似，只是网络结构拓扑图以及网络模型的修改策略不同，此处不再赘述。

本发明实施例提供的城市天然气管道系统阀门故障传播影响评估方法，通过建立城市天然气管道系统的网络模型，获取城市天然气管道系统正常状态下的流量和压力分配情况，再进行阀门故障的模拟，获取城市天然气管道系统阀门故障后的流量和压力分配情况。将正常状态的流量压力的分配情况与阀门故障状态的流量压力的分配情况进行比较，进一步进行城市天然气管道系统的阀门故障传播影响评估。实现了天然气管道阀门故障对整个天然气管道的影响的评估，提高了城市天然气管道系统阀门故障传播影响评估的准确性。

下面结合阀门泄漏故障和阀门误关断故障，具体介绍本发明实施例中城市天然气管道系统阀门故障传播影响评估的技术方案：

表3

网络层级节点编号节点类型消耗流量供给/需求11目标节点+150需求12第二类中转节点0——13第三类中转节点+120-需求14第三类中转节点+100需求15第三类中转节点+200需求16第二类中转节点+150——27第二类中转节点0——28目标节点+100需求29第三类中转节点+400需求210第三类中转节点+100需求211第二类中转节点0——212源节点-1200供给

图8为本发明实施例中又一网络结构拓扑图的结构示意图，如图8所示，图中圆圈表示节点，圆圈中的数字表示节点编号，带箭头的线段表示边，即表示管道，箭头表示天然气的流动方向。如图8所示，本发明实施例中包括14条边和12个节点，其节点信息表如表3所示，边信息表如表4所示。根据建立的网络模型和约束条件获取到正常状态下，该城市天然气管道系统的流量和压力分配信息，其中正常状态下节点的压力分配表如表5所示，管道的流量分配表如表6所示：

表4

网络层级边编号起点终点长度直径113680030012431200250136111003001423120025015548003001621900250175295025028751002502978950300210107120030021198800350212121190035021311912003502141210800350

表5

节点编号压力(pa)11331.30821358.54731331.70741337.44651624.23261331.52971912.23281894.85791893.062101956.917111992.539122000

表6

边编号流量(Nm³/h)132.979267.444332.979465.5345267.4446117.0207182.55586009147.92010747.9201147.92012352.07913352.07914847.920

获取到城市天然气管道系统正常状态下对应的第一流量压力分配信息后，本发明实施例通过仿真模拟上述图8中表示阀门的节点3出现阀门泄漏故障。图9a-图9d为本发明实施例中节点3阀门泄漏网络结构拓扑图修改过程示意图，如图9a-图9d所示，图中带箭头的边上面的数字表示该边表示的管道的管道流量，箭头方向表示天然气的流量，如节点1和节点2之间的边上的数字表示由节点2流向节点1的天然气的流量，即节点1和节点2之间的管道的管道流量。图9a表示城市天然气管道系统在节点3表示的阀门出现泄漏前，对应的网络结构拓扑图以及各个管道的管道流量；图9b表示注入节点3出现阀门泄漏故障，某一时刻城市天然气管道系统出现暂态稳定对应的网络结构拓扑图以及各个管道的管道流量；图9c表示采用故障判据判断城市天然气管道系统不稳定，移除故障节点以及边如移除节点1、2、3、4、5和6以及节点之间的边后，某一时刻城市天然气管道系统出现暂态稳定对应的网络结构拓扑图以及各个管道的管道流量；图9d表示再次采用故障判据判断城市天然气管道系统不稳定，移除故障边即移除5和7之间的边，城市天然气管道系统最终稳定状态对应的网络结构拓扑图以及各个管道的管道流量。

图10为本发明实施例中仿真阀门泄漏后管道流量分配过程图，如图10所示，图中横轴表示时间，纵轴表示管道流量。如图10所示，分别示意了图8中的网络结构拓扑图对应的城市天然气管道系统，在节点3出现阀门泄漏故障后管道1-14的管道流量分配情况。图11为本发明实施例中仿真阀门泄漏后节点压力分配过程图，如图11所示，图中横轴表示时间，纵轴表示节点压力。如图11所示，分别示意了图8中的网络结构拓扑图对应的城市天然气管道系统，在节点3出现阀门泄漏故障后节点1-11(其中节点12是源节点，本发明实施例中未对其进行仿真)的节点压力分配情况。从图10和图11可以看出节点3出现泄漏后，城市天然气管道系统最终稳定时，管道1-8的管道流量均为0，节点1-6的节点压力也均为零，即节点1-6和管道1-8均被移除，与上述图9a-图9d的网络结构拓扑图修改相同。图10和图11可以为仿真软件输出的界面图，具体可以通过仿真软件进行仿真模拟节点3出现阀门泄漏故障后，输入预设的网络结构拓扑图修改策略以及网络模型修改策略，对应的可以得到各个管道以及节点的流量压力分配过程。

本发明实施例通过仿真模拟上述图8中表示阀门的节点5出现阀门误关断故障。图12a-图12c为本发明实施例中节点5阀门误关断网络结构拓扑图修改过程示意图，如图12a-图12c所示，图中带箭头的边上面的数字表示该边表示的管道的管道流量，箭头方向表示天然气的流量。图12a表示城市天然气管道系统在节点5表示的阀门出现误关断前，对应的网络结构拓扑图以及各个管道的管道流量；图12b表示注入节点5出现阀门误关断故障，某一时刻城市天然气管道系统出现暂态稳定对应的网络结构拓扑图以及各个管道的管道流量；图12c表示采用故障判据判断城市天然气管道系统不稳定，移除故障节点以及边如移除节点1、2、3、4、5和6以及节点之间的边后，城市天然气管道系统最终稳定状态对应的网络结构拓扑图以及各个管道的管道流量。

图13为本发明实施例中仿真阀门误关断后管道流量分配过程图，如图13所示，图中横轴表示时间，纵轴表示管道流量。如图13所示，分别示意了图8中的网络结构拓扑图对应的城市天然气管道系统，在节点5出现阀门误关断故障后管道1-14的管道流量分配情况。图14为本发明实施例中仿真阀门误关断后节点压力分配过程图，如图14所示，图中横轴表示时间，纵轴表示节点压力。如图14所示，分别示意了图8中的网络结构拓扑图对应的城市天然气管道系统，在节点5出现阀门误关断故障后节点1-11(其中节点12是源节点，本发明实施例中未对其进行仿真)的节点压力分配情况。从图13和图14可以看出节点5出现误关断后，城市天然气管道系统最终稳定时，管道1-8的管道流量均为0，节点1-6的节点压力也均为零，即节点1-6和管道1-8均被移除，与上述图12a-图12c的网络结构拓扑图修改相同。图13和图14可以为仿真软件输出的界面图，具体可以通过仿真软件进行仿真模拟节5出现阀门误关断故障后，输入预设的网络结构拓扑图修改策略以及网络模型修改策略，对应的可以得到各个管道以及节点的流量压力分配过程。

本发明实施例提供的城市天然气管道系统阀门故障传播影响评估方法，可以评估和分析阀门出现不同故障后对整个管道系统的影响，可以得出不同阀门的重要度，进行系统可靠性设计和冗余设计等，同时可以根据大量的仿真数据在模型中定位故障。根据故障传播评估的大量的故障数据，可以建立数据库，作为故障字典。如果发生故障，通过对不同位置的监测信号比对和分析，搜索故障字典即可定位故障源，分析故障模式，采取相应的解决方案。

图15为本发明实施例中城市天然气管道系统阀门故障传播影响评估系统的结构示意图，如图15所示，本发明实施例提供的城市天然气管道系统阀门故障传播影响评估系统包括：拓扑图建立模块151、网络模型建立模块152、第一流量压力分配获取模块153、第二流量压力分配获取模块154和故障传播影响评估模块155，其中：

拓扑图建立模块151用于根据城市天然气管道系统建立所述城市天然气管道系统的网络结构拓扑图，所述网络结构拓扑图包括：节点和表示天然气管道的边，其中所述节点和边用来表示所述城市天然气管道系统的连接关系，所述边带有表示天然气流动的方向；网络模型建立模块152用于根据所述网络结构拓扑图建立网络模型，所述网络模型包括节点信息表、边信息表以及所述节点的连接矩阵；第一流量压力分配获取模块153用于根据所述网络模型中的所述节点信息表、所述边信息表和所述连接矩阵以及预设的约束条件，获取所述城市天然气管道系统正常状态对应的第一流量压力分配信息；第二流量压力分配获取模块154用于在所述网络模型中模拟阀门故障，并根据预设的阀门故障传播规则和所述约束条件，获取所述城市天然气管道系统在阀门故障状态下对应的第二流量压力分配信息；故障传播影响评估模块155用于比较所述第一流量压力分配信息和所述第二流量压力分配信息对所述城市天然气管道系统进行阀门故障传播影响评估。

具体地，拓扑图建立模块151根据城市天然气管道系统建立出该城市的天然气管道网络结构拓扑图，即用节点和边来表示城市的城市天然气管道系统的连接关系以及天然气的流动方向。其中网络结构拓扑图中的节点表示城市天然气管道系统中的调压室或阀门，边表示城市天然气管道系统中的管道，并且每条边带有表示城市天然气管道系统中的天然气的流动方向。网络模型建立模块152根据网络结构拓扑图建立该城市的天然气的网络模型，其中网络模型中包括节点信息表、边信息表以及节点的连接矩阵。第一流量压力分配获取模块153根据该网络模型中的节点信息表、边信息表以及预设的约束条件，获取城市天然气管道系统正常状态对应的第一流量压力分配信息，即计算城市天然气管道系统正常状态对应的流量和压力分配情况，具体可以计算出各个节点对应的压力和各个管道对应的流量。其中约束条件的建立同上述实时例一致，此处不再赘述。第二流量压力分配获取模块154在网络模型中模拟阀门故障，如随机选取其中某个表示阀门的节点假设其出现故障，根据预设的阀门故障传播规则和约束条件，获取城市天然气管道系统在阀门故障状态下对应的第二流量压力分配信息。故障传播影响评估模块155将第一流量压力分配信息和第二流量压力分配信息进行比较，可以分析出系统故障对整个城市天然气管道系统的影响，进一步进行城市天然气管道系统的阀门故障传播影响评估。具体的其中节点信息表和边信息表的内容，以及连接矩阵的建立方法，以及评估方法同上述实施例一致，此处不再赘述。

本发明实施例中的系统用于执行上述实施例所述的方法，具体实施方式同上述实施例一致，此处不再赘述。

本发明实施例提供的城市天然气管道系统故障传播影响评估系统，可以评估和分析阀门故障对整个管道系统的影响，可以得出不同阀门的重要度，进行系统可靠性设计和冗余设计等。同时可以根据大量的仿真数据在模型中定位故障。根据故障传播评估的大量的故障数据，可以建立数据库，作为故障字典。如果发生故障，通过对不同位置的监测信号比对和分析，搜索故障字典即可定位故障源，分析故障模式，采取相应的解决方案。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。