CN111898228A - 基于cad可视化燃气管网静态仿真系统及其计算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于CAD可视化燃气管网静态仿真系统及其计算方法，用于对燃气管网进行仿真计算，包括数据采集模块、仿真计算模块和结果显示模块，数据采集模块包括CAD数据输入模块，CAD数据输入模块用于将燃气管网的水力计算已知参数通过可视化的CAD图形环境输入到所述实时数据库模块中存储，仿真计算子模块获取燃气管网的水力计算已知参数，建立燃气管网仿真模型，根据燃气管网的水力计算已知参数建立节点压力方程组，并调用仿真模型求解子模块进行燃气管网仿真模型求解得到待求参数，将待求参数的计算值和所述燃气管网的水力计算已知参数通过Excel数据表格或者CAD图形进行显示、输出和存储。
Description
技术领域
本发明涉及水力计算领域，尤其涉及基于CAD可视化燃气管网静态仿真系统及其计算方法。
背景技术
燃气管网水力计算是城市燃气管网设计中的一项重要工作，燃气管网水力计算的主要任务是：根据燃气的计算流量和允许的压力损失计算管道直径，以确定管道投资和管材消耗，对已有管道进行流量和压力损失的计算，以充分发挥管道的输气能力，或决定是否需要对原有管道进行改造。
燃气管网水力计算一般分为3个阶段：第1阶段从外界获取数据，第2阶段管网平差水力计算，第3阶段计算图输出。
目前同类燃气管网水力计算中第1阶段外界获取数据，目前大部分燃气管网水力计算输入方式采用类似Excel文件方式，虽然也可输入数据，但是不直观，不能看到燃气管网的拓扑结构，如使用dos版本的水力平差软件采用手动输入数据，造成了输入数据速度慢，不直观，容易出错且查错困难，也有部分水平平差软件也可以从CAD输入数据，但是对CAD的支持有限，只支持Autocad或者专门对某种CAD支持特定的版本，例如gnet，该水力平差软件特定的版本只能从特定的CAD版本读取数据，在使用上存在很大的局限性，同时CAD文件用来储存数据的话仍具有很多的局限性，CAD的图元大多是线段和多段线、文字等，如果用来表示一个燃气管网的话，难以区分它们的具体含义，比如gnet，通过工程文件配合CAD文件来表示燃气管网，管段数据还需要额外的配置文件，所以急需找到一种实用的方法来表示燃气管网结构。
同类燃气管网水力计算第2阶段大多采用节点法水力平差计算，管网平差计算过程中，解方程组占用了大部分时间，目前解方程组方法大多采用高斯赛德尔迭代法等，计算速度较慢，一般几分钟至几十分钟可出一次结果，导致用户使用体验效果较差。
同类燃气管网水力计算第3阶段大部分在原图上进行标注，这样就限制了输入数据的管道只能是直线，增加了管网的复杂度。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题，本发明提供基于CAD可视化燃气管网静态仿真系统及其计算方法。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
基于CAD可视化燃气管网静态仿真系统，用于对燃气管网进行仿真计算，所述燃气管网静态仿真系统包括数据采集模块、仿真计算模块和结果显示模块，所述数据采集模块分别与仿真计算模块和结果显示模块相连接，其特征在于，
所述数据采集模块包括数据输入子模块和实时数据库，所述数据输入子模块包括CAD数据输入模块和EXCEL数据输入模块；
燃气管网的水力计算已知参数为Excel表格数据或CAD文件数据；
所述实时数据库包括实时数据库模块和数据检查模块，所述数据检查模块用于检查输入存储到实时数据库模块数据的有效性；
所述CAD数据输入模块用于将燃气管网的水力计算已知参数通过可视化的CAD图形环境输入到所述实时数据库模块中存储，所述Excel数据输入模块用于将所述燃气管网的水力计算已知参数通过Excel数据输入到所述实时数据库模块中存储；
所述仿真计算模块包括仿真计算子模块和仿真模型修正子模块，所述仿真计算子模块包括管网结构建立子模块、仿真模型建立子模块和仿真模型求解子模块，所述仿真模型求解子模块包括共轭梯度法解方程模块和Math·Net库解方程模块；
所述仿真计算子模块从所述实时数据库模块中获取燃气管网的水力计算已知参数，建立燃气管网仿真模型，根据燃气管网的水力计算已知参数建立节点压力方程组，并调用仿真模型求解子模块进行燃气管网仿真模型求解得到待求参数；所述仿真模型修正子模块根据仿真模型求解子模块计算得到的正确流量值对燃气管网仿真模型进行修正，并进一步利用仿真模型求解子模块计算待求参数的解，最后把待求参数的解传输至结果显示模块进行显示和输出；
所述仿真计算子模块获取燃气管网的水力计算已知参数采用COM组件接口后期绑定方法可适用多版本CAD；
所述仿真模型求解子模块用于调用共轭梯度法解方程模块和Math·Net库解方程模块求解方程组，并循环迭代；求解方程组时，先调用Math·Net库解方程模块，如计算成功，则进入下一步，如果计算失败，再调用共轭梯度法解方程模块；
所述Math·Net库解方程模块利用开源的工程计算库求解方程；
所述结果显示模块用于将燃气管网的计算结果输出并显示在燃气管网结构图中。
优选地，所述CAD文件数据表示燃气管网结构图包括：公共数据、节点数据、区域流量数据和管段数据，所述公共数据、节点数据、区域流量数据分别通过公共数据属性块、节点数据属性块和区域流量数据属性块来表示，所述管段数据直接用多段线表示。
优选地，所述待求参数包括所述燃气管网的节点压力和管段流量。
优选地，所述结果显示模块包括计算结果显示模块和结果输出模块，所述结果输出模块包括EXCEL输出模块和CAD输出模块。
优选地，所述COM组件接口后期绑定方法为：
(1)添加任意版本的CAD的COM组件接口引用；
(2)新建CAD对象及CAD图纸对象；
(3)获取CAD对象实例，查找用户电脑上COM组件接口；
(4)获取CAD图纸对象，查找CAD上目前打开的图；
(5)调试程序进行调试，调试成功后删除引用，将CAD对象修改为通用的Object对象，即可适用多版本CAD；
优选地，所述燃气管网的水力计算已知参数包括燃气管网基本参数、管网节点信息、管网区域流量信息和管段信息；
所述燃气管网基本参数包括燃气运动粘度、燃气密度、设计温度、局部阻力比例系数和要求的计算精度；
所述节点信息包括节点编号、节点类型；
所述管段信息包括管段编号、管段长度、管段内径、管段内壁当量粗糙度。
优选地，所述数据输入子模块和计算结果显示子模块为Excel表格数据和CAD文件数据。
燃气管网水力计算方法，包括如下步骤：
S1、用户在Excel数据表格中输入燃气管网的水力计算已知参数或者在CAD中绘制出燃气管网结构图；
S2、根据所述燃气管网的水力计算已知参数建立燃气管网仿真模型即绘制管网图，以节点连续性方程Aq+Q＝0为基础，把管段流量方程q＝C·Δp通过管段压降公式ATP＝Δp转化为用管段两边的节点压力表示，这样连续性方程转化为满足能量方程，以节点压力为变量的方程组[A·C·AT]·P+Q＝0，该方程组可简写为f(p)＝0，调用共轭梯度算法或Math·Net库进行管网仿真模型求解得到待求参数，所述待求参数包括燃气管网的节点压力P和管段流量；
其中A为节点关联矩阵，所述C为节点对角矩阵，所述P为节点压力向量；所述Q为节点流量向量；所述q为管段流量向量；所述ΔP为管段压降向量；所述AT为A的转置矩阵；
所述共轭梯度法解方程计算步骤包括：
(1)为求解Ax＝b这样的多元一次方程组，构造一个二次齐函数
这样求解Ax＝b的值可以转换为求解f(x)的最小值，式中A表示方程组左边系数向量，b表示方程组右边列向量；
(2)初始化，x(k)表示第r(0)＝-bn次迭代的解向量，d(k)表示第k次迭代的方向向量，r(k)表示第k次迭代的残差向量，设定初值x(0)＝0，d(0)＝0，r(0)＝-bn；
(3)计算残差向量r(k)＝Ax(k-1)-b；
(4)计算方向向量
(5)计算步长
(6)更新解向量x(k)＝x(k-1)+α(k)d(k)，当第k次计算的残差向量r(k)小于要求的精度，x(k)就是所求方程组的解；否则返回(3)计算残差向量继续迭代计算；
所述Math·Net库调用方法为：
(1)在Visual Studio中新建基本类库；
(2)在工程中添加Math·Net的引用，将下载的MathNet.Iridium.dll文件放到bin/debug目录下；
(3)编写调用函数，然后编译成DLL文件生成了MathNet_com.dll；
(4)通过RegAsm注册MathNet_com.dll文件，即可按调用COM组件接口的通用方法调用Math·Net库解方程模块；
S3、根据仿真模型求解子模块计算得到的最新管段流量值计算两次管段流量的残差，若残差在要求的精度内，则计算结束，计算结果即所求参数，若残差平方和大于要求的计算精度，则对燃气管网仿真模型进行修正，将最新管段流量值设定为本次和上次计算值的平均值，并再次利用仿真模型求解子模块计算待求参数的解；
S4、将待求参数的计算值和所述燃气管网的水力计算已知参数通过Excel数据表格或者CAD图形进行显示、输出和存储。
本发明的有益效果：
1、引入共轭梯度法和Math·Net计算库求解方程组，管段初始流量按管段数量均分总流量得到，生成节点关联矩阵，通过节点流量连续性方程、管段压降方程可得求解节点压力降平方的方程组，进而求解到节点压力，计算出节点流量，如果流量差不满足进度要求，再形成方程组逐次逼近，直到两次的流量差满足精度要求，采用共轭梯度法和Math·Net库，管网平差计算时间大幅缩小，提高了计算效率。
2、本发明将用户从复杂的计算过程解放出来，集中精力进行管网的规划，采用COM组件接口后期绑定方法，通过支持主流CAD平台，极大提高了用户的使用体验。
2、本发明使用属性块来表示燃气管网数据，公共数据表示在一个公共参数属性块里面，每个节点表示在一个节点属性块里面，属性值可表示节点流量或者节点压力，节点的位置可以表示节点坐标，每个区域流量也可用一个区域流量属性块表示区域流量数据，使用属性块表示管网数据可用一个CAD数据文件就可以完整表示一个燃气管网结构的所有数据，简单且直观。
4、直接使用多段线表示管段的方法符合工程实际情况，可以有效的简化燃气管网，既不舍弃精确度，又不增加管网复杂度，多段线的长度可以直接获得，多段线的起始点表示管段的起始点，通过和读取到的节点坐标对比，可以得到管段起始点连接在哪个节点上。
5、CAD是燃气管网设计常用的软件，修改燃气管网非常方便，通过输出的CAD计算图，能够很直观的显示燃气管网的水力工况。
附图说明
图1为燃气管网静态仿真系统结构示意图；
图2为管网水力计算方法流程图；
图3为燃气管网结构图样例；
图4为8节点燃气管网结构图；
图5为8节点燃气管网结构CAD计算输出图；
图6为37节点部分燃气管网结构图；
图7为37节点燃气管网结构CAD计算输出图；
图8为74节点中43-50节点燃气管网结构图；
图9为74节点中43-50节点燃气管网结构CAD计算输出图；
图10为74节点中21-25节点燃气管网结构图；
图11为74节点中21-25节点燃气管网结构CAD计算输出图。
具体实施方式
下面用具体实施例说明本发明，但并不是对发明的限制。
实施例1
基于CAD可视化燃气管网静态仿真系统，用于对燃气管网进行仿真，所述燃气管网静态仿真系统包括数据采集模块1、仿真计算模块和结果显示模块，所述数据采集模块1分别与仿真计算模块和结果显示模块相连接，
所述数据采集模块1包括数据输入子模块11和实时数据库，所述数据输入子模块11包括CAD数据输入模块111和EXCEL数据输入模块112；
燃气管网的水力计算已知参数为Excel表格数据或CAD文件数据，所述CAD文件数据表示燃气管网结构图包括：公共数据、节点数据、区域流量数据和管段数据，所述公共数据、节点数据、区域流量数据分别通过公共数据属性块、节点数据属性块和区域流量数据属性块来表示，所述管段数据直接用多段线表示；
所述实时数据库12包括实时数据库模块121和数据检查模块122，所述数据检查模块122用于检查输入存储到实时数据库模块121数据的有效性；
所述CAD数据输入模块111用于将燃气管网的水力计算已知参数通过可视化的CAD图形环境输入到所述实时数据库模块121中存储，所述Excel数据输入模块112用于将所述燃气管网的水力计算已知参数通过Excel数据输入到所述实时数据库模块121中存储；
所述仿真计算模块2包括仿真计算子模块21和仿真模型修正子模块22，所述仿真计算子模块21包括管网结构建立子模块211、仿真模型建立子模块212和仿真模型求解子模块213，所述仿真模型求解子模块213包括共轭梯度法解方程模块2131和Math·Net库解方程模块；
所述仿真计算子模块21从所述实时数据库模块121中获取燃气管网的水力计算已知参数，建立燃气管网仿真模型，根据燃气管网的水力计算已知参数建立节点压力方程组，并调用仿真模型求解子模块213进行燃气管网仿真模型求解得到待求参数；所述仿真模型修正子模块22根据仿真模型求解子模块213计算得到的正确流量值对燃气管网仿真模型进行修正，并进一步利用仿真模型求解子模块213计算待求参数的解，最后把待求参数的解传输至结果显示模块进行显示和输出；
所述待求参数包括所述燃气管网的节点压力和管段流量；
所述仿真计算子模块21获取燃气管网的水力计算已知参数采用COM组件接口后期绑定方法可适用多版本CAD，所述COM组件接口后期绑定方法为：
(1)添加任意版本CAD的COM组件接口引用；
(2)新建CAD对象及CAD图纸对象；
(3)获取CAD对象实例，查找用户电脑上COM组件接口；
(4)获取CAD图纸对象，查找CAD上目前打开的图；
(5)调试程序进行调试，调试成功后删除引用，将CAD对象修改为通用的Object对象，即可适用多版本CAD；
所述仿真模型求解子模块213用于调用共轭梯度法解方程模块2131和Math·Net库解方程模块求解方程组，并循环迭代；求解方程组时，先调用Math·Net库解方程模块，如计算成功，则进入下一步，如果计算失败，再调用共轭梯度法解方程模块2131；
所述Math·Net库解方程模块利用开源的工程计算库求解方程；
所述结果显示模块包括计算结果显示模块31和计算结果输出模块32，所述计算结果输出模块32包括EXCEL输出模块321和CAD输出模块322。
优选地，所述燃气管网的水力计算已知参数包括燃气管网基本参数、管网节点信息、管网区域流量信息和管段信息；
所述燃气管网基本参数包括燃气运动粘度、燃气密度、设计温度、局部阻力比例系数和要求的计算精度；
所述节点信息包括节点编号、节点类型；
所述管段信息包括管段编号、管段长度、管段内径、管段内壁当量粗糙度。
优选地，所述数据输入子模块11和计算结果显示模块31为Excel表格数据和CAD文件数据。
燃气管网水力计算方法，包括如下步骤：
S1、用户在Excel数据表格中输入燃气管网的水力计算已知参数或者在CAD中绘制出燃气管网结构图；
S2、根据所述燃气管网的水力计算已知参数建立燃气管网仿真模型即绘制管网图，以节点连续性方程Aq+Q＝0为基础，把管段流量方程q＝C·Δp通过管段压降公式ATP＝Δp转化为用管段两边的节点压力表示，这样连续性方程转化为满足能量方程，以节点压力为变量的方程组[A·C·AT]·P+Q＝0，该方程组可简写为f(p)＝0，调用共轭梯度算法或Math·Net库进行管网仿真模型求解得到待求参数，所述待求参数包括燃气管网的节点压力P和管段流量；
其中A为节点关联矩阵，所述C为节点对角矩阵，所述P为节点压力向量；所述Q为节点流量向量；所述q为管段流量向量；所述ΔP为管段压降向量；所述AT为A的转置矩阵；
所述共轭梯度法解方程计算步骤包括：
(1)为求解Ax＝b这样的多元一次方程组，构造一个二次齐函数
这样求解Ax＝b的值可以转换为求解f(x)的最小值，式中A表示方程组左边系数向量，b表示方程组右边列向量；
(2)初始化，x(k)表示第r(0)＝-bn次迭代的解向量，d(k)表示第k次迭代的方向向量，r(k)表示第k次迭代的残差向量，设定初值x(0)＝0，d(0)＝0，r(0)＝-bn；
(3)计算残差向量r(k)＝Ax(k-1)-b；
(4)计算方向向量
(5)计算步长
(6)更新解向量x(k)＝x(k-1)+α(k)d(k)，当第k次计算的残差向量r(k)小于要求的精度，x(k)就是所求方程组的解；否则返回(3)计算残差向量继续迭代计算；
所述Math·Net库调用方法为：
(1)在Visual Studio中新建基本类库；
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(3)编写调用函数，然后编译成DLL文件生成了MathNet_com.dll；
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S3、根据仿真模型求解子模块213计算得到的最新管段流量值计算两次管段流量的残差，若残差在要求的精度内，则计算结束，计算结果即所求参数，若残差平方和大于要求的集散精度，则对燃气管网仿真模型进行修正，将最新管段流量值设定为本次和上次计算值的平均值，并再次利用仿真模型求解子模块213计算待求参数的解；
S4、将待求参数的计算值和所述燃气管网的水力计算已知参数通过Excel数据表格或者CAD图形进行显示、输出和存储。
具体实施例1
在CAD中建立管网并绘制对应燃气管网结构图，为了方便建立燃气管网结构图，首先在CAD中生成一份样图，样图见图3所示，燃气管网静态仿真系统可以同时支持浩辰CAD、中望CAD、中望CAD+和AutoCAD的大部分版本，所述燃气管网结构图包括：公共数据、节点数据、区域流量数据和管段数据，所述公共数据、节点数据、区域流量数据分别通过公共数据属性块、节点数据属性块和区域流量数据属性块来表示，所述管段数据直接用多段线表示；公共数据包括运动粘度、燃气密度、设计温度、途泄流量、管道粗糙度、局部阻力、计算精度、最低压力、文字高度、圆圈半径、网格间距和偏移比例，所述节点数据包括节点坐标，节点的流量或压力，所述区域流量数据包括区域号和区域流量，所述管段数据包括管段起点和终点、管径和管段长度。
参考图4，图4为8个节点的燃气管网结构图，图中1、2点为气源，3-8点为用气点，在燃气管网结构图层中为节点，3-8各节点用气量均为100方，3-4-7-6-3节点包围的范围内区域用气量为200方，4-5-8-7-4节点包围的范围内区域用气量为200方，各节点之间的连接管段如图3所示，管段的管径用图层表示，管长根据实际长度从CAD中获取，气源点1的压力为190kpa，气源点2的压力为200kpa所述燃气管网结构的公共参数设置见表1：
表1燃气管网基本参数
| 运动粘度(10<sup>-6</sup>m<sup>2</sup>/s) | 燃气密度(kg/Nm<sup>2</sup>) | 设计温度(k) | 途泄流量 |
| 14.1 | 0.76 | 288 | 0.5 |
| 管粗糙度mm | 局部阻力比例系数 | 计算精度eps | 最低压力kpa |
| 0.2 | 0.05 | 0.01 | 100 |
燃气管网水力计算静态仿真系统通过调用程序以循环遍历方式读取CAD中公共数据属性块、节点数据属性块和区域流量数据属性块的管网数据，所述管段数据直接读取；
检查数据有效性，查看从CAD中读取的数据是否有遗漏或重复的数据，当燃气管网水力计算数据存在错误时，修改CAD中管网数据，重新读取，直至通过数据有效性检查后将数据存入系统数据库，所述燃气管网水力计算静态仿真系统读取到CAD中燃气管网结构的数据见表2，CAD中燃气管网结构图参数设置与读取表2中的管网数据相一致。
表2-8节点管网数据
分别采用传统的高斯赛德尔迭代法以及本发明使用的共轭梯度法和Math·Net库对8个节点的管网结构图进行计算，管网水力计算完成后，通过燃气管网静态仿真系统将水力计算图输出到CAD中检查管网数据是否满足要求，若不满足设计要求，重新整理CAD数据，若满足要求，则结束计算，为了使计算图看起来形象，将表示管段流量的多段线的粗细根据流量大小按比例显示，同时数据也可以输出到EXCEL数据文件中，其中，计算得到的管段数据见表3，管网计算结果分析及管材统计见表4，输出的CAD计算图见图5。
表3-8节点管段数据
表4-8节点管网计算结果分析及管材统计
所述高斯赛德尔迭代法、共轭梯度法和Math·Net库三种计算方法所耗费时间见表5：
表5-8节点三种计算所耗费时间
| 计算方法 | 高斯赛德尔迭代法 | 共轭梯度法 | Math·Net库 |
| 计算时间(ms) | 340 | 346 | 358 |
从表5可以看出，三种方法计算所需要的时间差异仅在10-20ms，在节点数量较少的情况，三种方法计算时间没有差异。
具体实施例2
参考图6，图6为37个节点部分管网结构示意图，其中1为气源，2-37为用气点，在燃气管网结构图中为节点，节点2用气量为100方，节点3、5、7、9、11、14、15、19、20、25-27、30、33-35节点用气量为10方，节点4用气量为10方，节点6用气量为36方，节点8用气量为12方，节点10用气；量为89方，节点12用气量为246方，节点13用气量为116方，节点16为40方，节点17为130方，节点18为68方，节点21为0方，节点22为340方，节点23为316方，节点24为137方，节点28为179方，节点29为29方，节点31为278方，节点32为31方，节点36为48方，节点37为190方，各节点之间的连接管段部分结构图如图6所示，管段的管径用图层表示，管长根据实际长度从CAD中获取，气源点1的压力为250kpa，所述燃气管网基本参数设置与具体实施例1相同，燃气管网基本参数设置见表1。
所述燃气管网水力计算静态仿真系统读取到CAD中燃气管网结构的数据见表6；其中计算得到的管段数据见表7，管网计算结果分析及管材统计见表8，输出的CAD计算图见图5，其中图5为37节点的燃气管网部分结构示意图。
表6-37节点管网数据
表7-37节点管段数据
表8-37节点管网计算结果分析及管材统计
所述高斯赛德尔迭代法、共轭梯度法和Math·Net库三种计算方法所耗费时间见表9：
表9-37节点三种计算所耗费时间
| 计算方法 | 高斯赛德尔迭代法 | 共轭梯度法 | Math·Net库 |
| 计算时间(ms) | 510 | 366 | 318 |
从表9可以看出，当设置成37个节点时，三种计算方法中Math·Net库计算方法所需要的的时间最少，高斯赛德尔迭代法所耗费时间与共轭梯度法、Math·Net库方法具有一定差异。
具体实施例3
参考图8、图10，图8和图10为74个节点部分管网结构示意图，其中6-9为气源，1-5、10-74为用气点，在燃气管网结构图中为节点，节点1-5、10-74用气量均为0，各节点之间的连接管段部分结构图如图8和图10所示，管段的管径用图层表示，管长根据实际长度从CAD中获取，气源点6-9的压力为400kpa，所述燃气管网基本参数设置见表10。
表10-燃气管网基本参数
| 运动粘度(10<sup>-6</sup>m<sup>2</sup>/s) | 燃气密度(kgNm<sup>2</sup>) | 设计温度(k) | 途泄流量 |
| 13.9 | 0.72 | 283 | 0.5 |
| 管粗糙度mm | 局部阻力比例系数 | 计算精度eps | 最低压力kpa |
| 0.1 | 0.05 | 0.01 | 400 |
所述燃气管网水力计算静态仿真系统读取到CAD中燃气管网结构的数据见表11；其中计算得到的管段数据见表12，管网计算结果分析及管材统计见表13，三种计算方法所耗费时间见表14，输出的CAD计算图见图9和图11，其中图9和图11与图8和图10的燃气管网部分结构示意图相对应。
表11-74节点管网数据
表12-74节点管段数据
表13-74节点管网计算结果分析及管材统计
所述高斯赛德尔迭代法、共轭梯度法和Math·Net库三种计算方法所耗费时间见表14：
表14-74节点三种计算所耗费时间
结合表14、表9和表5可以看出，当节点数较少的时候，三种方法计算时间差异较小，随着节点数的增加，高斯赛德尔迭代法计算时间成倍数增长，现有生活中，一个城市的节点数要在几百个以上，采用高斯赛德尔迭代法计算所需要的时间成几何倍数增加，计算效率低，而采用库Math·Net库和共轭梯度法可以将管网水莱丽平差计算缩短一个数量级，计算效率高。
最后应说明的是，以上实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，本领域技术人员应当理解，依然可以对本发明进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围的任何修改或局部替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围中。
Claims (8)
1.基于CAD可视化燃气管网静态仿真系统，用于对燃气管网进行仿真计算，所述燃气管网静态仿真系统包括数据采集模块、仿真计算模块和结果显示模块，所述数据采集模块分别与仿真计算模块和结果显示模块相连接，其特征在于，
所述数据采集模块包括数据输入子模块和实时数据库，所述数据输入子模块包括CAD数据输入模块和EXCEL数据输入模块；
燃气管网的水力计算已知参数为Excel表格数据或CAD文件数据；
所述实时数据库包括实时数据库模块和数据检查模块，所述数据检查模块用于检查输入存储到实时数据库模块数据的有效性；
所述CAD数据输入模块用于将燃气管网的水力计算已知参数通过可视化的CAD图形环境输入到所述实时数据库模块中存储，所述Excel数据输入模块用于将所述燃气管网的水力计算已知参数通过Excel数据输入到所述实时数据库模块中存储；
所述仿真计算模块包括仿真计算子模块和仿真模型修正子模块，所述仿真计算子模块包括管网结构建立子模块、仿真模型建立子模块和仿真模型求解子模块，所述仿真模型求解子模块包括共轭梯度法解方程模块和Math·Net库解方程模块；
所述仿真计算子模块从所述实时数据库模块中获取燃气管网的水力计算已知参数，建立燃气管网仿真模型，根据燃气管网的水力计算已知参数建立节点压力方程组，并调用仿真模型求解子模块进行燃气管网仿真模型求解得到待求参数；所述仿真模型修正子模块根据仿真模型求解子模块计算得到的正确流量值对燃气管网仿真模型进行修正，并进一步利用仿真模型求解子模块计算待求参数的解，最后把待求参数的解传输至结果显示模块进行显示和输出；
所述仿真计算子模块获取燃气管网的水力计算已知参数采用COM组件接口后期绑定方法可适用多版本CAD；
所述仿真模型求解子模块用于调用共轭梯度法解方程模块和Math·Net库解方程模块求解方程组，并循环迭代；求解方程组时，先调用Math·Net库解方程模块，如计算成功，则进入下一步，如果计算失败，再调用共轭梯度法解方程模块；
所述Math·Net库解方程模块利用开源的工程计算库求解方程；
所述结果显示模块用于将燃气管网的计算结果输出并显示在燃气管网结构图中。
2.根据权利要求1所述的基于CAD可视化燃气管网静态仿真系统，其特征在于，所述CAD文件数据表示燃气管网结构图包括：公共数据、节点数据、区域流量数据和管段数据，所述公共数据、节点数据、区域流量数据分别通过公共数据属性块、节点数据属性块和区域流量数据属性块来表示，所述管段数据直接用多段线表示。
3.根据权利要求1所述的基于CAD可视化燃气管网静态仿真系统，其特征在于，所述待求参数包括所述燃气管网的节点压力和管段流量。
4.根据权利要求1所述的一种基于CAD可视化燃气管网静态仿真系统，其特征在于，所述结果显示模块包括计算结果显示模块和结果输出模块，所述结果输出模块包括EXCEL输出模块和CAD输出模块。
5.根据权利要求1所述的基于CAD可视化燃气管网静态仿真系统，其特征在于，所述COM组件接口后期绑定方法为：
(1)添加任意版本的CAD的COM组件接口引用；
(2)新建CAD对象及CAD图纸对象；
(3)获取CAD对象实例，查找并连接用户电脑上的COM组件接口；
(4)获取CAD图纸对象，查找CAD上目前打开的图；
(5)调试程序，调试成功后删除引用，将CAD对象修改为通用的Object对象，即可适用多版本CAD。
6.根据权利要求1所述的基于CAD可视化燃气管网静态仿真系统，其特征在于，所述燃气管网的水力计算已知参数包括燃气管网基本参数、管网节点信息、管网区域流量信息和管段信息；
所述燃气管网基本参数包括燃气运动粘度、燃气密度、设计温度、局部阻力比例系数和要求的计算精度；
所述节点信息包括节点编号、节点类型；
所述管段信息包括管段编号、管段长度、管段内径、管段内壁当量粗糙度。
7.根据权利要求1所述的基于CAD可视化燃气管网静态仿真系统，其特征在，所述数据输入子模块和计算结果显示子模块为Excel表格数据和CAD文件数据。
8.燃气管网水力计算方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、用户在Excel数据表格中输入燃气管网的水力计算已知参数或者在CAD中绘制出燃气管网结构图；
S2、根据所述燃气管网的水力计算已知参数建立燃气管网仿真模型即绘制管网图，以节点连续性方程Aq+Q＝0为基础，把管段流量方程q＝C·Δp通过管段压降公式ATP＝Δp转化为用管段两边的节点压力表示，这样连续性方程转化为满足能量方程，以节点压力为变量的方程组[A·C·AT]·P+Q＝0，该方程组可简写为f(p)＝0，调用共轭梯度算法或Math·Net库进行管网仿真模型求解得到待求参数，所述待求参数包括燃气管网的节点压力P和管段流量；
其中A为节点关联矩阵，所述C为节点对角矩阵，所述P为节点压力向量；所述Q为节点流量向量；所述q为管段流量向量；所述ΔP为管段压降向量；所述AT为A的转置矩阵；
所述共轭梯度法解方程计算步骤包括：
(1)为求解Ax＝b这样的多元一次方程组，构造一个二次齐函数
这样求解Ax＝b的值可以转换为求解f(x)的最小值，式中A表示方程组左边系数向量，b表示方程组右边列向量；
(2)初始化，x(k)表示第r(0)＝-bn次迭代的解向量，d(k)表示第k次迭代的方向向量，r(k)表示第k次迭代的残差向量，设定初值x(0)＝0，d(0)＝0，r(0)＝-bn；
(3)计算残差向量r(k)＝Ax(k-1)-b；
(4)计算方向向量
(5)计算步长
(6)更新解向量x(k)＝x(k-1)+α(k)d(k)，当第k次计算的残差向量r(k)小于要求的精度，x(k)就是所求方程组的解；否则返回(3)计算残差向量继续迭代计算；
所述Math·Net库调用方法为：
(1)在Visual Studio中新建基本类库；
(2)在工程中添加Math·Net的引用，将下载的MathNet.Iridium.dll文件放到bin/debug目录下；
(3)编写调用函数，然后编译成DLL文件生成了MathNet_com.dll；
(4)通过RegAsm注册MathNet_com.dll文件，即可调用Math·Net库解方程模块；
S3、根据仿真模型求解子模块计算得到的最新管段流量值计算两次管段流量的残差，若残差在要求的精度内，则计算结束，计算结果即所求参数，若残差平方和大于要求的集散精度，则对燃气管网仿真模型进行修正，将最新管段流量值设定为本次和上次计算值的平均值，并再次利用仿真模型求解子模块计算待求参数的解；
S4、将待求参数的计算值和所述燃气管网的水力计算已知参数通过Excel数据表格或者CAD图形进行显示、输出和存储。
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