CN116910951B - 区域供热管网优化设计方法及其装置 - Google Patents
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Abstract
本公开提供了一种区域供热管网优化设计方法及其装置，该方法包括：获取目标区域的路网拓扑图，其中，路网拓扑图中包含由节点和边组成的线段；将路网拓扑图输入基环辨识算法，输出基环集合，其中，基环辨识算法用于辨识路网拓扑图中所有基环，基环是由线段组成的闭合环，且闭合环的内部不存在能够形成新闭合环的线段；基于基环集合，生成道路连通子图集；从道路连通子图集中，筛选满足供热要求的目标道路连通子图；基于目标道路连通子图，确定供热管网的拓扑布局；基于水力计算模型，对供热管网的管径进行优化设计；在确定保温结构外表面温度不超过第一阈值的情况下，对管径的外保温进行优化设计。
Description
技术领域
本公开涉及建筑物能源供应以及供热调节领域，具体涉及区域供热管网优化设计方法及其装置。
背景技术
随着世界人口的不断增长和城市化进程的不断加速，城市地区的能源需求也在不断增加。同时，为了应对全球气候变化和减少温室气体排放，各国纷纷制定碳中和目标，加快推进清洁能源的应用和发展。在这一背景下，区域能源系统作为一种集中供暖或制冷能源系统，因其多重优势而被越来越多的城市地区采用。
DHS(district heating system)系统是指区域供暖系统，是一种集中供暖的能源系统，通过直埋敷设的供热管网将产生的热水分配给所有末端用户，包括住宅、商业、工业或其他用户。与传统的分布式能源系统相比，DHS系统能够提高能源效率，降低温室气体排放，改善空气质量，并具有更好的规模经济性。
DHS系统包括供热管网、换热站、热源设备等组成部分，其生命周期涵盖设计、施工和运营等多个阶段。在城市化进程中，DHS系统在提高城市供暖质量的同时，也能够实现节能减排的目标。
在实施本公开的过程中发现，现有用于供热管网优化设计的优化算法，如混合整数线性规划(MILP)算法、混合整数非线性规划算法、遗传算法、数值伴随优化等算法，由于供热管网优化问题复杂多样，不能满足供热管网优化设计需求。
发明内容
鉴于上述问题，本公开提供了一种区域供热管网优化设计方法、装置、设备、介质和程序产品。
根据本公开的第一个方面，提供了一种区域供热管网优化设计方法，包括：
获取目标区域的路网拓扑图，其中，路网拓扑图中包含由节点和边组成的线段；
将路网拓扑图输入基环辨识算法，输出基环集合，其中，基环辨识算法用于辨识路网拓扑图中所有基环，基环是由线段组成的闭合环，且闭合环的内部不存在能够形成新闭合环的线段；
基于基环集合，生成道路连通子图集；
从道路连通子图集中，筛选满足供热要求的目标道路连通子图；
基于目标道路连通子图，确定供热管网的拓扑布局；
基于水力计算模型，对供热管网的管径进行优化设计；
在确定保温结构外表面温度不超过第一阈值的情况下，对管径的外保温进行优化设计。
根据本公开的实施例，区域供热管网优化设计方法还包括：
针对供热管网的拓扑布局，确定在生命周期内供热管网所需的投入资源；
根据投入资源，筛选满足第二阈值的目标供热管网的拓扑布局。
根据本公开的实施例，将路网拓扑图输入基环辨识算法，输出基环集合，包括：
将路网拓扑图输入基环辨识算法，以便执行下述操作：
根据路网拓扑图中的线段，构建独立回路矩阵，其中，独立回路矩阵用于表征闭合环的矩阵形式；
根据独立回路矩阵，得到独立回路矩阵对应的嵌套环集合，其中，嵌套环集合中的嵌套环数目与基环集合中的基环数目相同，且嵌套环互相不重叠；
将嵌套环集合中所有嵌套环旋转方向标准化，得到标准化后的嵌套环集合；
根据预设剪切规则，对标准化后的嵌套环集合进行剪切；
在确定标准化后的嵌套环集合全部被剪切的情况下，输出基环集
根据本公开的实施例，将路网拓扑图输入基环辨识算法，输出基环集合，还包括：
在确定标准化后的嵌套环集合未全部被剪切的情况下，将剩余未被剪切的标准化后的嵌套环分类，得到第一类嵌套环集合、第二类嵌套环集合以及第三类嵌套环集合；
在确定第三类嵌套环集合为空的情况下，将第一类嵌套环集合加入基环集合，同时将剩余未被剪切的标准化后的嵌套环中的第一类嵌套环集合移除，得到当前嵌套环集合；
在确定当前嵌套环集合的容量满足第三阈值的情况下，将当前嵌套环集合加入基环集合；
输出基环集合。
根据本公开的实施例，根据路网拓扑图中的线段，构建独立回路矩阵，包括：
根据路网拓扑图中的线段，构建基本关联矩阵，其中，基本关联矩阵用于表征节点和边的布局关系的矩阵形式；
基于基本关联矩阵，构建独立回路矩阵。
根据本公开的实施例，从道路连通子图集中，筛选满足供热要求的目标道路连通子图，包括：
根据基环集合、换热站属性、热源属性、路网拓扑图以及供热要求，构建判断矩阵；
根据道路连通子图集，构建道路连通子图集中道路连通子图对应的拓扑布局矩阵；
将拓扑布局矩阵输入判断矩阵，输出判断结果；
根据判断结果，筛选目标道路连通子图。
根据本公开的实施例，根据基环集合、换热站属性、热源属性、路网拓扑图以及供热要求，构建判断矩阵，包括：
根据换热站属性以及热源属性，确定基环集合中基环内的热源或基环内的换热站以及基环外的热源或基环外的换热站；
根据基环内的热源或基环内的换热站的数目以及基环外的热源或基环外的换热站在路网拓扑图中的线段位置的情况，确定道路连通子图集中对应连通图供热管道的供热要求；
根据供热要求，构建判断矩阵。
根据本公开的实施例，基于基环集合，生成道路连通子图集，包括：
将基环集合中的任何一条线段删除或者不删除，生成道路连通子图集。
根据本公开的实施例，基于目标道路连通子图，确定供热管网的拓扑布局，包括：
通过设置连通管，将热源或换热站与目标道路连通子图相连；
将无流体输配作用的连通管剪去，得到供热管网的拓扑布局。
本公开的第二方面提供了一种区域供热管网优化设计装置，包括：
获取模块，用于获取目标区域的路网拓扑图，其中，路网拓扑图中包含由节点和边组成的线段；
辨识模块，用于将路网拓扑图输入基环辨识算法，输出基环集合，其中，基环辨识算法用于辨识路网拓扑图中所有基环，基环是由线段组成的闭合环，且闭合环的内部不存在能够形成新闭合环的线段；
生成模块，用于基于基环集合，生成道路连通子图集；
筛选模块，用于从道路连通子图集中，筛选满足供热要求的目标道路连通子图；
第一确定模块，用于基于目标道路连通子图，确定供热管网的拓扑布局；
第一优化设计模块，用于基于水力计算模型，对供热管网的管径进行优化设计；以及
第二优化设计模块，用于在确定保温结构外表面温度不超过第一阈值的情况下，对管径的外保温进行优化设计。
本公开的第三方面提供了一种电子设备，包括：一个或多个处理器；存储器，用于存储一个或多个程序，其中，当一个或多个程序被一个或多个处理器执行时，使得一个或多个处理器执行上述区域供热管网优化设计方法。
本公开的第四方面还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有可执行指令，该指令被处理器执行时使处理器执行上述区域供热管网优化设计方法。
本公开的第五方面还提供了一种计算机程序产品，包括计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现上述区域供热管网优化设计方法。
根据本公开的实施例，通过将路网拓扑图输入基环辨识算法，得到的基环集合，可以生成道路连通子图集。从道路连通子图集中，筛选满足供热要求的目标道路连通子图，对目标区域供热管网的拓扑布局、管径和外保温进行优化，以确保供热管网的经济性和稳定性，为相关供热管网设计人员，提供了供热管网设计布局的参考，为相关供热管网决策者提供了决策支持。
附图说明
通过以下参照附图对本公开实施例的描述，本公开的上述内容以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：
图1示意性示出了根据本公开实施例的区域供热管网优化设计方法、装置、设备、介质和程序产品的应用场景图；
图2示意性示出了根据本公开实施例的区域供热管网优化设计方法的流程图；
图3示意性示出了根据本公开实施例的基环辨识算法的流程图；
图4示意性示出了根据本公开实施例的构建判断矩阵的方法流程图；
图5示意性示出了根据本公开另一实施例的区域供热管网优化设计方法的流程图；
图6示意性示出了根据本公开实施例的区域供热管网优化设计装置的结构框图；以及
图7示意性示出了根据本公开实施例的适于实现区域供热管网优化设计方法的电子设备的方框图。
具体实施方式
以下，将参照附图来描述本公开的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本公开的范围。在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本公开实施例的全面理解。然而，明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本公开的概念。
在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本公开。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。
在此使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释。
在使用类似于“A、B和C等中至少一个”这样的表述的情况下，一般来说应该按照本领域技术人员通常理解该表述的含义来予以解释(例如，“具有A、B和C中至少一个的系统”应包括但不限于单独具有A、单独具有B、单独具有C、具有A和B、具有A和C、具有B和C、和/或具有A、B、C的系统等)。
在本公开的技术方案中，所涉及的数据(如包括但不限于用户个人信息)的收集、存储、使用、加工、传输、提供、公开和应用等处理，均符合相关法律法规的规定，采取了必要保密措施，且不违背公序良俗。
在本公开实施例的技术方案中，在获取或采集用户个人信息之前，均获取了用户的授权或同意。
在实施本公开的过程中发现，供热管网的布局会直接影响管网的经济性，较长的管网需要投入更多的资金和资源来建设和维护，同时也会增加管网的能源损失和运行成本。而合理的管网布局可以最大程度地减少管网长度和能源损失，从而提高管网的经济性。供热管网的布局还会影响到管网的稳定性。不合理的管网布局可能会导致供热能力不足或管网压力不稳定，从而影响管网的正常运行和供热效果。总之，供热管网的设计和布局是DHS系统建设中的重要环节，需要充分考虑多种因素，以确保管网的经济性和稳定性。
应用于供热管网优化设计的算法有混合整数线性规划(MILP)算法、混合整数非线性规划算法、遗传算法、数值伴随优化等算法，由于供热管网优化问题复杂多样，不能满足供热管网优化设计需求，例如，MILP算法没有充分考虑到区域供热的非线性项；MINLP算法计算复杂，求解困难，很难应用于大规模区域能源系统；遗传算法的超参数多，超参数设置困难，且属于随机优化，不适合大规模区域能源系统优化；数值伴随优化能够应用于大规模DHS设计，但是不仅需要合适的初始条件，而且不能保证全局最优。此外，现有技术中没有使用实际的路网拓扑布局，而是依靠简化的网络模型，导致供热管网优化设计不能达到更优的设计。
本公开的实施例提供了一种区域供热管网优化设计方法，包括：获取目标区域的路网拓扑图，其中，路网拓扑图中包含由节点和边组成的线段；将路网拓扑图输入基环辨识算法，输出基环集合，其中，基环辨识算法用于辨识路网拓扑图中所有基环，基环是由线段组成的闭合环，且闭合环的内部不存在能够形成新闭合环的线段；基于基环集合，生成道路连通子图集；从道路连通子图集中，筛选满足供热要求的目标道路连通子图；基于目标道路连通子图，确定供热管网的拓扑布局；基于水力计算模型，对供热管网的管径进行优化设计；在确定保温结构外表面温度不超过第一阈值的情况下，对管径的外保温进行优化设计。
图1示意性示出了根据本公开实施例的区域供热管网优化设计方法、装置、设备、介质和程序产品的应用场景图。
如图1所示，根据该实施例的应用场景100可以包括第一终端设备101、第二终端设备102、第三终端设备103、网络104以及服务器105。网络104用以在第一终端设备101、第二终端设备102、第三终端设备103和服务器105之间提供通信链路的介质。网络104可以包括各种连接类型，例如有线、无线通信链路或者光纤电缆等等。
用户可以使用第一终端设备101、第二终端设备102、第三终端设备103中的至少一个通过网络104与服务器105交互，以接收或发送消息等。第一终端设备101、第二终端设备102、第三终端设备103上可以安装有各种通讯客户端应用，例如购物类应用、网页浏览器应用、搜索类应用、即时通信工具、邮箱客户端、社交平台软件等(仅为示例)。
第一终端设备101、第二终端设备102、第三终端设备103可以是具有显示屏并且支持网页浏览的各种电子设备，包括但不限于智能手机、平板电脑、膝上型便携计算机和台式计算机等等。
服务器105可以是提供各种服务的服务器，例如对用户利用第一终端设备101、第二终端设备102、第三终端设备103所浏览的网站提供支持的后台管理服务器(仅为示例)。后台管理服务器可以对接收到的用户请求等数据进行分析等处理，并将处理结果(例如根据用户请求获取或生成的网页、信息、或数据等)反馈给终端设备。
需要说明的是，本公开实施例所提供的区域供热管网优化设计方法一般可以由服务器105执行。相应地，本公开实施例所提供的区域供热管网优化设计装置一般可以设置于服务器105中。本公开实施例所提供的区域供热管网优化设计方法也可以由不同于服务器105且能够与第一终端设备101、第二终端设备102、第三终端设备103和/或服务器105通信的服务器或服务器集群执行。相应地，本公开实施例所提供的区域供热管网优化设计装置也可以设置于不同于服务器105且能够与第一终端设备101、第二终端设备102、第三终端设备103和/或服务器105通信的服务器或服务器集群中。
应该理解，图1中的终端设备、网络和服务器的数目仅仅是示意性的。根据实现需要，可以具有任意数目的终端设备、网络和服务器。
以下将基于图1描述的场景，通过图2～图5对公开实施例的区域供热管网优化设计方法进行详细描述。
图2示意性示出了根据本公开实施例的区域供热管网优化设计方法的流程图。
如图2所示，该实施例的区域供热管网优化设计方法200包括操作S210～操作S270。
在操作S210，获取目标区域的路网拓扑图，其中，路网拓扑图中包含由节点和边组成的线段。
根据本公开的实施例，目标区域可以是以省或市或区为单位，在此不作具体限定。路网拓扑图可以根据目标区域的路网图构建得到。可以将路网图中的道路作为边，道路两边的顶点作为节点。
在操作S220，将路网拓扑图输入基环辨识算法，输出基环集合，其中，基环辨识算法用于辨识路网拓扑图中所有基环，基环是由线段组成的闭合环，且闭合环的内部不存在能够形成新闭合环的线段。
根据本公开的实施例，基环辨识算法可以是先构建路网拓扑图中所有闭合环的矩阵，然后从所有闭合环中筛选基环。
在操作S230，基于基环集合，生成道路连通子图集。
根据本公开实施例，可以将基环集合中的任何一条线段删除或者不删除，生成道路连通子图集。
在操作S240，从道路连通子图集中，筛选满足供热要求的目标道路连通子图。
根据本公开实施例，可以利用判断矩阵判断道路连通子图集中连通图是否满足基础的供热要求，基础的供热要求可以指每个末端换热站都可不跨越其他末端换热站或热源，与供热主管道相连通。可以将满足基础的供热要求的道路连通子图作为目标道路连通子图。
在操作S250，基于目标道路连通子图，确定供热管网的拓扑布局。
根据本公开实施例，可以基于目标道路连通子图，设置连通管，然后进行管网剪切，得到供热管网的拓扑布局。管网剪切可以是将无流体输配作用的连通管段剪去。
在操作S260，基于水力计算模型，对供热管网的管径进行优化设计。
根据本公开实施例，水力计算模型可以是现有水力计算模型。
例如，可以使用经济比摩阻法对供热管网的管径进行优化。
在操作S270，在确定保温结构外表面温度不超过第一阈值的情况下，对管径的外保温进行优化设计。
根据本公开实施例，第一阈值可以是根据实际供热管网的运行情况而确定的。对管径的外保温进行优化设计可以是根据保温层、管道周围环境以及保温材料而确定的。
根据本公开实施例，通过将路网拓扑图输入基环辨识算法，得到的基环集合，可以生成道路连通子图集。从道路连通子图集中，筛选满足供热要求的目标道路连通子图，对目标区域供热管网的拓扑布局、管径和外保温进行优化，以确保供热管网的经济性和稳定性，为相关供热管网设计人员，提供了供热管网设计布局的参考，为相关供热管网决策者提供了决策支持。
根据本公开的实施例，区域供热管网优化设计方法还可以包括：
针对供热管网的拓扑布局，确定在生命周期内供热管网所需的投入资源；根据投入资源，筛选满足第二阈值的目标供热管网的拓扑布局。
根据本公开的实施例，可以基于管道初期投入资源、水泵初期投入资源、水泵运行资源以及散热损失资源等，确定在生命周期内供热管网所需的投入资源。第二阈值可以是根据实际供热管网优化设计需求而确定的。
例如，在全生命周期内供热管网所需的投入资源SLCC可以如下式(1)所示：
其中，Spipe可以表示管道初期投入资源；Spump可以表示水泵初期投入资源；Strans可以表示年水泵运行资源；Sloss可以表示年散热损失资源；ic可以表示基准收益率；nt可以表示设计使用年限。
根据本公开实施例，可以基于度日数法，确定不同室外温度下的热负荷，计算整个生命周期对供热管网的投入资源，选择生命周期投入资源较少的目标供热管网的拓扑布局。以最小化生命周期成本为目标，确保管网的经济性和稳定性，降低了管网生命周期内的碳排放，为“2030碳达峰，2060碳中和”的节能减排目标助力。
根据本公开的实施例，将路网拓扑图输入基环辨识算法，输出基环集合，可以包括：
将路网拓扑图输入基环辨识算法，以便执行下述操作：
根据路网拓扑图中的线段，构建独立回路矩阵，其中，独立回路矩阵用于表征闭合环的矩阵形式；根据独立回路矩阵，得到独立回路矩阵对应的嵌套环集合，其中，嵌套环集合中的嵌套环数目与基环集合中的基环数目相同，且嵌套环互相不重叠；将嵌套环集合中所有嵌套环旋转方向标准化，得到标准化后的嵌套环集合；根据预设剪切规则，对标准化后的嵌套环集合进行剪切；在确定标准化后的嵌套环集合全部被剪切的情况下，输出基环集合。
根据本公开实施例，可以将路网拓扑图以.dxf格式文件作为输入。可以根据路网拓扑图中的线段，先构建基本关联矩阵，其中，基本关联矩阵用于表征节点和边的布局关系的矩阵形式；然后基于基本关联矩阵，构建独立回路矩阵。
例如，基本关联矩阵B(F)可以表示为如下式(2)所示：
B(F)＝[B1 B2](2)
其中，B1可以表示基本关联矩阵的树枝部分；B2可以表示基本关联矩阵的余枝部分。
独立回路矩阵Cf(F)可以表示为如下式(3)所示：
其中，Cf,1可以表示独立回路矩阵的树枝部分；Cf,2可以表示独立回路矩阵的余枝部分；I可以表示单位矩阵。
可以采取逆时针作为嵌套环旋转方向，判断独立回路矩阵中嵌套环旋转方向，若嵌套环的旋转方向为顺时针，将嵌套环的旋转方向逆向，使其旋转方向变为逆时针，即将嵌套环所位于独立回路矩阵中的行向量乘以-1。
判断嵌套环旋转方向的计算公式可以如下式(4)所示：
其中，dir可以表示嵌套环的旋转方向，旋转方向可以是顺时针或逆时针；xi、xi+1均可以表示嵌套环的横坐标；yi、yi+1均可以表示嵌套环的纵坐标。
需要说明的是，若dir计算值为正，那么嵌套环为顺时针；若dir计算值为负，则嵌套环为逆时针；计算dir所需要的点集合必须包含多段线的中间节点，且整个点集合必须为有序点集合；同时嵌套环首尾需闭合，即起点与终点坐标应重合。
预设剪切规则可以是最大环为嵌套的环集合中面积最大的环，作为被剪切环。次大环为与最大环有同向公共边，仅包含在最大环内，但不被包含在其他环内的环，作为剪切环；次大环集合也称为剪切环集合。通过各有向环之间的拓扑关系，在嵌套的环中找到最大环、包含在最大环内的次大环，不需考虑嵌套包含在次大环内的环，通过最大环剪去包含在其中的次大环，便可获得一个基环。因为嵌套的环数目与基环数目相同，每得到一个基环，将最大环从嵌套的环集合中移除，多次使用剪切便可得到所有基环。
例如可以采用Shoelace公式计算嵌套环的面积s，计算公式如下式(5)所示：
需要说明的是，同判断嵌套环旋转方向的计算公式(4)，计算嵌套环的面积所需要的点集合必须包含多段线的中间节点，且整个点集合必须为有序点集合；同时嵌套环首尾需闭合，即起点与终点坐标应重合。
根据本公开的实施例，将路网拓扑图输入基环辨识算法，输出基环集合，还可以包括：
在确定标准化后的嵌套环集合未全部被剪切的情况下，将剩余未被剪切的标准化后的嵌套环分类，得到第一类嵌套环集合、第二类嵌套环集合以及第三类嵌套环集合；在确定第三类嵌套环集合为空的情况下，将第一类嵌套环集合加入基环集合，同时将剩余未被剪切的标准化后的嵌套环中的第一类嵌套环集合移除，得到当前嵌套环集合；在确定当前嵌套环集合的容量满足第三阈值的情况下，将当前嵌套环集合加入基环集合；输出基环集合。
例如，第一类嵌套环集合可以是最大环集合。第二类嵌套环集合可以是其余环集合。第三类嵌套环集合可以是可能剪切环集合。将嵌套环集合中面积最大的环作为最大环，即被剪切环；嵌套环集合中除最大环的其余环，称为其余环集合；在其余环集合中找到面积小于最大环面积，且与最大环(被剪切环)有同向公共边的环集合，即可能剪切环集合。第三阈值可以为1。
可以将可能剪切环集合按照同向公共边数目从大到小排序，若可能剪切环集合不为空，取同向公共边数目最多的环作为次大环，即剪切环；利用被剪切环剪去剪切环，即为将最大环中与次大环重叠的区域剪切掉，同时将次大环从其余环集合中移除。重构可能剪切环集合，即重新寻找其余环集合中面积小于最大环面积，且与最大环有同向公共边的环。若可能剪切环集合为空，将最大环(已被剪切为基环)加入基环集合，同时将嵌套环集合内面积最大的环(最大环被剪切之前的环)移除。若嵌套环集合的容量为1，直接将最后一个环(本身便为基环)加入基环集合，输出基环集合。
图3示意性示出了根据本公开实施例的基环辨识算法的流程图。
如图3所示，该实施例的基环辨识算法的方法300可以包括操作S301～操作S314。
在操作S301，输入路网拓扑图。
根据本公开实施例，可以将路网拓扑图以.dxf格式文件作为输入。
在操作S302，构建独立回路矩阵。
根据本公开实施例，可以根据路网拓扑图中的线段，先构建基本关联矩阵，其中，基本关联矩阵用于表征节点和边的布局关系的矩阵形式；然后基于基本关联矩阵，构建独立回路矩阵。
在操作S303，获取嵌套环集合，并将其中的所有环均置为逆时针。
在操作S304，计算嵌套环集合中环的面积，并将嵌套环集合按照环的面积从大到小排序。
在操作S305，判断嵌套环集合是否为空。
在操作S306，生成最大环、其余环集合、可能剪切环集合。
根据本公开实施例，在操作S305判断嵌套环集合不为空的情况下，生成最大环、其余环集合、可能剪切环集合。在操作S305判断嵌套环集合为空的情况下，执行操作S314。
在操作S307，将可能环集合，按照同向公共边的数目从大到小排序。
在操作S308，若存在次大环，将最大环中与次大环重叠的区域剪切掉，同时将次大环从其余环集合中移除。
在操作S309，重构可能剪切环集合。
根据本公开实施例，可以重新寻找其余环集合中面积小于最大环面积，且与最大环有同向公共边的环。
在操作S310，若可能剪切环集合为空，将最大环加入基环集合，同时将嵌套环集合内面积最大的环移除。
在操作S311，判断嵌套环集合的容量是否为1。
在操作S312，将嵌套环集合中的环，加入基环集合。
根据本公开实施例，若嵌套环集合的容量为1，直接将最后一个环(本身便为基环)加入基环集合
在操作S313，判断可能剪切环集合是否为空。
根据本公开实施例，若嵌套环集合的容量不为1，判断可能剪切环集合是否为空。可能剪切环集合为空的情况下，执行操作S305；可能剪切环集合不为空的情况下，执行操作S307。
在操作S314，输出基环集合。
根据本公开实施例，通过基环辨识算法辨识路网拓扑图中所有基环，有利于基于基环，生成道路连通子图集，进而根据道路连通子图集进行筛选目标道路连通子图；可以被用于指导供热管网局部拓扑布局的优化。
根据本公开的实施例，根据路网拓扑图中的线段，构建独立回路矩阵，可以包括：
根据路网拓扑图中的线段，构建基本关联矩阵，其中，基本关联矩阵用于表征节点和边的布局关系的矩阵形式；基于基本关联矩阵，构建独立回路矩阵。
根据本公开实施例，通过构建基本关联矩阵，将路网拓扑图中的节点和边的布局关系用矩阵形式进行了表示；进而构建独立回路矩阵，将路网拓扑图中的线段组成的闭合环用矩阵形式进行了表示，有利于基环辨识算法辨识所有闭合环中的基环。
根据本公开的实施例，从道路连通子图集中，筛选满足供热要求的目标道路连通子图，可以包括：
根据基环集合、换热站属性、热源属性、路网拓扑图以及供热要求，构建判断矩阵；根据道路连通子图集，构建道路连通子图集中道路连通子图对应的拓扑布局矩阵；将拓扑布局矩阵输入判断矩阵，输出判断结果；根据判断结果，筛选目标道路连通子图。
根据本公开的实施例，判断矩阵可以用于判断道路连通子图是否满足热源、换热站的供热管道敷设要求，判断矩阵的行数可以为热源及换热站的数目总和，判断矩阵的列数可以为多段线路网的道路数目；矩阵的每一行代表了某个热源或换热站的需要将管道沿着某条道路敷设供热管道，或需要将管道沿着若干条道路中的任意一条敷设供热管道。判断矩阵可以保证热源、换热站与供热管网的连接线不横跨别的地块的连通图，满足供热管道敷设要求。
根据本公开实施例，利用基环集合、换热站属性、热源属性、路网拓扑图以及供热要求，构建的判断矩阵，能够保证热源、换热站与供热管网的连接线不横跨别的地块的连通图，满足供热管道敷设要求。
根据本公开的实施例，根据基环集合、换热站属性、热源属性、路网拓扑图以及供热要求，构建判断矩阵，可以包括：
根据换热站属性以及热源属性，确定基环集合中基环内的热源或基环内的换热站以及基环外的热源或基环外的换热站；根据基环内的热源或基环内的换热站的数目以及基环外的热源或基环外的换热站在路网拓扑图中的线段位置的情况，确定道路连通子图集中对应连通图供热管道的供热要求；根据供热要求，构建判断矩阵。
根据本公开的实施例，可以利用射线法判断被测点是否位于任意多边形内部，热源、换热站与基环间的位置关系可以分为：
(1)、热源、换热站位于基环内部；
(2)、热源、换热站位于基环外部且位于某条道路的端点处；
(3)、热源、换热站位于基环外部且并不位于某条道路的端点处；
射线法算法的思想可以为：以被测点Q为端点，向任意方向作射线(一般水平向右作射线)，统计该射线与多边形的交点数目，若为奇数，Q在多边形内；如果为偶数，Q在多边形外。
考虑射线与多边形顶点相交，射线与多边形的一条边重合等特殊情况，射线法算法的具体实现可以如下：设点Q′的纵坐标与Q相同，但Q′的横坐标为一很大的整数，则可用水平向右的线段QQ′代替射线。且计数准则可以为：若线段QQ′与多边形的水平边重合，该水平边不作考虑；若线段QQ′与多边形的顶点相交，如果该顶点是其所在边上纵坐标较大的顶点，则计数，否则忽略该顶点；若需要考虑Q在多边形上的情形，直接可判断Q是否属于多边形。
可以根据基环内部热源或换热站的数目，将基环分为：
(1)、基环内部无热源或换热站；
(2)、基环内部含有一个热源或换热站；
(3)、基环内部含有两个热源或换热站；
(4)、基环内部含有三个及以上热源或换热站；
基环内部包含有多个热源或换热站意味着基环内部包含多个独立地块。热源或换热站与供热管网的连通方式为通过垂线段与附近的管网相连，但不允许跨越其他地块。故对于不同的热源或换热站其对附近管网的需要也不相同，分类如下所示：
(1)、位于基环内，且基环内部含有一个热源或换热站，那么道路连通子图包含基环的任意一条多段线道路即可；
(2)、位于基环内，且基环内部含有两个热源或换热站，那么道路连通子图包含基环的任意一条多段线道路即可；
(3)、位于基环内，且基环内部含有多个热源或换热站，那么道路连通子图包含距离该热源或换热站最近的多段线道路，即基环中垂线段最短的道路；
(4)、位于基环外，且为多段线道路的端点，那么道路连通子图包含该多段线道路；
(5)、位于基环外，且并不是多段线道路的端点，那么道路连通子图包含整个多段线路网中垂线段最短的多段线道路；
需要说明的是，点到多段线的垂线段为点到多段线的若干线段中最短的垂线段。
例如，判断矩阵Jud可以表示为如下式(6)所示：
Jud＝{judij＝0or1.0}(6)
其中，i可以表示第i个热源或换热站；j可以表示多段线路网的道路编号。
若表示第i个热源或换热站仅需要将管道沿着某条多段线道路敷设供热管道，且多段线道路为judij＝1所对应的道路；
若表示第i个热源或换热站需要将管道沿着若干条多段线道路中的任意一条敷设供热管道，且若干条多段线道路为judij＝1所对应的道路集合。
图4示意性示出了根据本公开实施例的构建判断矩阵的方法流程图。
如图4所示，该实施例的构建判断矩阵的方法400包括操作S401～操作S406。
在操作S401，输入参数：基环集合、换热站及热源集合、多段线路网图。
在操作S402，辨识基环内的热源或换热站、基环外的热源或换热站。
在操作S403，基环内的热源或换热站根据其所属基环内部热源或换热站的数目确定连通图供热管道的敷设要求。
在操作S404，基环外的热源或换热站根据是否为多段线道路的端点确定连通图供热管道的敷设要求。
在操作S405，根据各个热源或换热站的供热要求构造判断矩阵。
在操作S406，输出判断矩阵。
根据本公开实施例，利用基环集合、换热站属性、热源属性、路网拓扑图以及供热要求，构建的判断矩阵，能够保证热源、换热站与供热管网的连接线不横跨别的地块的连通图，满足供热管道敷设要求。利用判断矩阵将不满足供热要求的所有的连通图筛除，使其子图不再被遍历，提高算法的运行效率。
根据本公开的实施例，基于基环集合，生成道路连通子图集，可以包括：
将基环集合中的任何一条线段删除或者不删除，生成道路连通子图集。
根据本公开实施例，使用尚未遍历的基环，删除该基环中的任何一条道路，或者不删除，所生成的众多连通图便构成道路连通子图集。利用将基环集合中的任何一条线段删除或者不删除，生成道路连通子图集的方法，可以对供热管网进行进化，选择出较优的道路连通子图。
根据本公开的实施例，基于目标道路连通子图，确定供热管网的拓扑布局，可以包括：
通过设置连通管，将热源或换热站与目标道路连通子图相连；将无流体输配作用的连通管剪去，得到供热管网的拓扑布局。
根据本公开实施例，通过设置连通管，然后进行连通管剪切，将无流体输配作用的连通管剪切掉，有利于实现对供热管网优化的目的，获得供热管网的拓扑布局。
图5示意性示出了根据本公开另一实施例的区域供热管网优化设计方法的流程图。
如图5所示，该实施例的区域供热管网优化设计方法500包括操作S501～操作S509。
在操作S501，输入目标区域的路网拓扑图以及热源和换热站的位置及属性。
在操作S502，基环辨识。
根据本公开的实施例，利用基环辨识算法进行基环辨识。其中，基环辨识算法用于辨识路网拓扑图中所有基环，基环是由线段组成的闭合环，且闭合环的内部不存在能够形成新闭合环的线段。基环辨识算法可以是先构建路网拓扑图中所有闭合环的矩阵，然后从所有闭合环中筛选基环。
在操作S503，构建判断矩阵。
根据本公开的实施例，判断矩阵可以用于判断道路连通子图是否满足热源、换热站的供热管道敷设要求，判断矩阵的行数可以为热源及换热站的数目总和，判断矩阵的列数可以为多段线路网的道路数目；矩阵的每一行代表了某个热源或换热站的需要将管道沿着某条道路敷设供热管道，或需要将管道沿着若干条道路中的任意一条敷设供热管道。
在操作S504，供热管网的进化。
根据本公开的实施例，进化是基于路网或道路连通子图集，使用尚未遍历的基环，删除该基环中的任何一条道路，或者不删除，所生成的众多连通图便构成道路连通子图集。若为第一次进化则基于路网，后面的其他进化基于道路连通子图集选择出较优的道路连通子图。
在操作S505，道路连通子图的筛选。
根据本公开的实施例，利用判断矩阵判断连通图是否满足基础的供热要求，基础的供热要求指的是每个末端换热站都可不跨越其他地块与供热主管道相连通。
例如，可以构造连通图对应的拓扑布局矩阵graph，如下式(7)所示：
graph＝{graphj＝0or1.0}(7)
其中，j可以表示多段线路网的道路编号。若graphj＝0，表示道路连通子图不包含第j段多段线道路；若graphj＝1，表示道路连通子图包含第j段多段线道路。
利用判断矩阵判断道路连通子图是否满足基础的供热需求的判断结果计算公式如下式(8)所示：
其中，i可以表示第i个热源或换热站；j可以表示多段线路网的道路编号；m可以表示热源或换热站的总数；n可以表示多段线路网的道路总数。若judgement＝0表示道路连通子图不满足基础的供热需求；若judgement＝1表示道路连通子图满足基础的供热需求。将不满足基础供热需求的道路连通子图从集合中删除。
在操作S506，供热管网的生成。
根据本公开的实施例，可以通过设置连通管，将热源或换热站与路网连通图相连通，简称为“管网连通”；将无流体输配作用的管段剪去，简称为“管网剪枝”，可以获得供热管网的拓扑布局。基于网状管网水力计算模型，使用经济比摩阻法对供热管网的管径进行优化；在保证保温结构外表面温度不超过50℃的前提下，对不同管径的外保温进行设计。
“管网连通”：根据热源或换热站的位置的不同，连通管也有所不同。
例如，具体可以如下：
(1)、热源或换热站位于多段线道路连通子图的基环内部：连通管为热源或换热站向所在基环的若干多段线所做垂线段中最短的垂线段，简称为“基环内点”设置连通管。
(2)、热源或换热站位于多段线道路连通子图的基环外部，且位于多段线道路的端点：不设置连通管，简称为“环外枝端点”设置连通管。
(3)、热源或换热站位于多段线道路连通子图的基环外部，且并不位于多段线道路的端点：连通管为热源或换热站向多段线道路连通子图的若干多段线所做垂线段中的最短的垂线段，简称“基环外点”设置连通管。
“管网剪切”可以指将无流体输配作用的多段线管段剪去，将“管网连通”操作后的多段线管网连通图中顶点度数为1的顶点所在的多段线删去，通过使用递归算法直至所有顶点度数为1的顶点均为热源或换热站即可，即所有的无流体输配作用的多段线管线均被剪去。
根据本公开的实施例，可以对管径进行优化。
例如，通过建筑面积以及面积热指标法确定各个末端换热站的设计热负荷；在已知设计工况下供回水温差的前提下，便可确定各个末端换热站的设计流量。基于网状管网水力计算模型，计算各管段的压力降ΔP，保证比摩阻在30～70Pa/m范围内，对离散的管径进行优化。
可以对管径外保温进行设计。
例如，管径外保温设计计算公式如下式(9)所示：
/>
其中，δ可以表示保温层厚度，单位可以为m；din,o可以表示管道保温层外径，单位可以为m；dste,o可以表示工作管外径，单位可以为m；tin,o可以表示保温结构外表面计算温度，单位可以为℃；tsoi可以表示管道中心埋深度处的土壤自然温度，单位可以为℃，土壤自然温度应取设计工况下相应的月平均土壤自然温度；tste,o可以表示管道外壁面温度，单位可以为℃；λin可以表示保温材料在运行温度下的导热系数，单位可以为W/(m·K)；λsoi可以表示管道周围土壤的导热系数，单位可以为W/(m·K)；hl可以表示管道的当量覆土深度，单位可以为m。
管道的当量埋深与管道的中心埋深有关，当管道的中心埋深小于2倍的管道保温层外径时，管道当量埋深的计算须考虑土壤与地表空气之间的对流换热，即h/din,o＜2时，管道当量覆土深度hl如下式(10)所示：
hl＝h+(λsoi/α)(10)
其中，hl表示管道当量覆土深度，单位可以为m；h表示管道中心线覆土深度，单位可以为m，管道的中心埋深与管道外保温直径、管道最小覆土深度有关；din,o表示保温层外径，单位可以为m；λsoi表示土壤的导热系数，单位可以为W/(m·K)；α表示管道上方土壤表面的对流传热系数，单位可以为W/(m2·K)；当管道的中心埋深小于2倍的管道保温层外径时，管道的当量埋深取为管道的中心埋深，即h/din,o≥2时，hl＝h。
在操作S507，道路连通子图的择优。
根据本公开的实施例，通过对不同拓扑布局的供热管网进行评价，计算其生命周期投入资源，选择经济性较优的n个供热管网对应的道路连通子图。
根据本公开的实施例，可以基于管道初期投入资源、水泵初期投入资源、水泵运行资源以及散热损失资源等，确定在生命周期内供热管网所需的投入资源。可以根据实际供热管网优化设计需求而确定第二阈值。将满足第二阈值的n个供热管网对应的道路连通子图，作为经济性较优的道路连通子图。
在操作S508，所有基环是否被遍历。
根据本公开的实施例，若所有基环均被遍历，则算法结束，执行操作S509。若仍有基环未被遍历，则返回操作S504，继续对供热管网进行局部拓扑布局优化。
在操作S509，输出较优供热管网设计。
根据本公开的实施例，通过将目标区域的路网拓扑图以及热源和换热站的位置及属性，输入启发式区域供热管网优化算法，以最小化生命周期成本为目标，对区域供热管网的拓扑布局、管径和其他参数进行优化，以确保管网的经济性和稳定性，降低了管网生命周期内的碳排放，为“2030碳达峰，2060碳中和”的节能减排目标助力，同时也为相关供热管网设计人员，提供了供热管网设计布局的参考，为相关决策者提供决策支持。经实际工程案例分析，本算法所设计的供热管网比经验丰富的设计人员，在初投资方面节约9.5％，经济性显著提高。
基于上述区域供热管网优化设计方法，本公开还提供了一种区域供热管网优化设计装置。以下将结合图6对该装置进行详细描述。
图6示意性示出了根据本公开实施例的区域供热管网优化设计装置的结构框图。
如图6所示，该实施例的区域供热管网优化设计装置600包括获取模块610、辨识模块620、生成模块630、筛选模块640、第一确定模块650、第一优化设计模块660和第二优化设计模块670。
获取模块610用于获取目标区域的路网拓扑图，其中，路网拓扑图中包含由节点和边组成的线段。在一实施例中，获取模块610可以用于执行前文描述的操作S210，在此不再赘述。
辨识模块620用于将路网拓扑图输入基环辨识算法，输出基环集合，其中，基环辨识算法用于辨识路网拓扑图中所有基环，基环是由线段组成的闭合环，且闭合环的内部不存在能够形成新闭合环的线段。在一实施例中，辨识模块620可以用于执行前文描述的操作S220，在此不再赘述。
生成模块630用于基于基环集合，生成道路连通子图集。在一实施例中，生成模块630可以用于执行前文描述的操作S230，在此不再赘述。
筛选模块640用于从道路连通子图集中，筛选满足供热要求的目标道路连通子图。在一实施例中，筛选模块640可以用于执行前文描述的操作S240，在此不再赘述。
第一确定模块650用于基于目标道路连通子图，确定供热管网的拓扑布局。在一实施例中，第一确定模块650可以用于执行前文描述的操作S250，在此不再赘述。
第一优化设计模块660用于基于水力计算模型，对供热管网的管径进行优化设计基于水力计算模型，对供热管网的管径进行优化设计。在一实施例中，第一优化设计模块660可以用于执行前文描述的操作S260，在此不再赘述。
第二优化设计模块670用于在确定保温结构外表面温度不超过第一阈值的情况下，对管径的外保温进行优化设计。在一实施例中，第二优化设计模块670可以用于执行前文描述的操作S270，在此不再赘述。
根据本公开的实施例，区域供热管网优化设计装置600还可以包括第二确定模块和筛选模块。
第二确定模块用于针对供热管网的拓扑布局，确定在生命周期内供热管网所需的投入资源。
筛选模块用于根据投入资源，筛选满足第二阈值的目标供热管网的拓扑布局。
根据本公开的实施例，获取模块610、辨识模块620、生成模块630、筛选模块640、第一确定模块650、第一优化设计模块660和第二优化设计模块670中的任意多个模块可以合并在一个模块中实现，或者其中的任意一个模块可以被拆分成多个模块。或者，这些模块中的一个或多个模块的至少部分功能可以与其他模块的至少部分功能相结合，并在一个模块中实现。根据本公开的实施例，获取模块610、辨识模块620、生成模块630、筛选模块640、第一确定模块650、第一优化设计模块660和第二优化设计模块670中的至少一个可以至少被部分地实现为硬件电路，例如现场可编程门阵列(FPGA)、可编程逻辑阵列(PLA)、片上系统、基板上的系统、封装上的系统、专用集成电路(ASIC)，或可以通过对电路进行集成或封装的任何其他的合理方式等硬件或固件来实现，或以软件、硬件以及固件三种实现方式中任意一种或以其中任意几种的适当组合来实现。或者，获取模块610、辨识模块620、生成模块630、筛选模块640、第一确定模块650、第一优化设计模块660和第二优化设计模块670中的至少一个可以至少被部分地实现为计算机程序模块，当该计算机程序模块被运行时，可以执行相应的功能。
图7示意性示出了根据本公开实施例的适于实现区域供热管网优化设计方法的电子设备的方框图。
如图7所示，根据本公开实施例的电子设备700包括处理器701，其可以根据存储在只读存储器(ROM)702中的程序或者从存储部分708加载到随机访问存储器(RAM)703中的程序而执行各种适当的动作和处理。处理器701例如可以包括通用微处理器(例如CPU)、指令集处理器和/或相关芯片组和/或专用微处理器(例如，专用集成电路(ASIC))等等。处理器701还可以包括用于缓存用途的板载存储器。处理器701可以包括用于执行根据本公开实施例的方法流程的不同动作的单一处理单元或者是多个处理单元。
在RAM 703中，存储有电子设备700操作所需的各种程序和数据。处理器701、ROM702以及RAM 703通过总线704彼此相连。处理器701通过执行ROM 702和/或RAM 703中的程序来执行根据本公开实施例的方法流程的各种操作。需要注意，程序也可以存储在除ROM702和RAM 703以外的一个或多个存储器中。处理器701也可以通过执行存储在一个或多个存储器中的程序来执行根据本公开实施例的方法流程的各种操作。
根据本公开的实施例，电子设备700还可以包括输入/输出(I/O)接口705，输入/输出(I/O)接口705也连接至总线704。电子设备700还可以包括连接至I/O接口705的以下部件中的一项或多项：包括键盘、鼠标等的输入部分706；包括诸如阴极射线管(CRT)、液晶显示器(LCD)等以及扬声器等的输出部分707；包括硬盘等的存储部分708；以及包括诸如LAN卡、调制解调器等的网络接口卡的通信部分709。通信部分709经由诸如因特网的网络执行通信处理。驱动器710也根据需要连接至I/O接口705。可拆卸介质711，诸如磁盘、光盘、磁光盘、半导体存储器等等，根据需要安装在驱动器710上，以便于从其上读出的计算机程序根据需要被安装入存储部分708。
本公开还提供了一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质可以是上述实施例中描述的设备/装置/系统中所包含的；也可以是单独存在，而未装配入该设备/装置/系统中。上述计算机可读存储介质承载有一个或者多个程序，当上述一个或者多个程序被执行时，实现根据本公开实施例的方法。
根据本公开的实施例，计算机可读存储介质可以是非易失性的计算机可读存储介质，例如可以包括但不限于：便携式计算机磁盘、硬盘、随机访问存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦式可编程只读存储器(EPROM或闪存)、便携式紧凑磁盘只读存储器(CD-ROM)、光存储器件、磁存储器件、或者上述的任意合适的组合。在本公开中，计算机可读存储介质可以是任何包含或存储程序的有形介质，该程序可以被指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用。例如，根据本公开的实施例，计算机可读存储介质可以包括上文描述的ROM 702和/或RAM 703和/或ROM 702和RAM 703以外的一个或多个存储器。
本公开的实施例还包括一种计算机程序产品，其包括计算机程序，该计算机程序包含用于执行流程图所示的方法的程序代码。当计算机程序产品在计算机系统中运行时，该程序代码用于使计算机系统实现本公开实施例所提供的方法。
在该计算机程序被处理器701执行时执行本公开实施例的系统/装置中限定的上述功能。根据本公开的实施例，上文描述的系统、装置、模块、单元等可以通过计算机程序模块来实现。
在一种实施例中，该计算机程序可以依托于光存储器件、磁存储器件等有形存储介质。在另一种实施例中，该计算机程序也可以在网络介质上以信号的形式进行传输、分发，并通过通信部分709被下载和安装，和/或从可拆卸介质711被安装。该计算机程序包含的程序代码可以用任何适当的网络介质传输，包括但不限于：无线、有线等等，或者上述的任意合适的组合。
在这样的实施例中，该计算机程序可以通过通信部分709从网络上被下载和安装，和/或从可拆卸介质711被安装。在该计算机程序被处理器701执行时，执行本公开实施例的系统中限定的上述功能。根据本公开的实施例，上文描述的系统、设备、装置、模块、单元等可以通过计算机程序模块来实现。
根据本公开的实施例，可以以一种或多种程序设计语言的任意组合来编写用于执行本公开实施例提供的计算机程序的程序代码，具体地，可以利用高级过程和/或面向对象的编程语言、和/或汇编/机器语言来实施这些计算程序。程序设计语言包括但不限于诸如Java，C++，python，“C”语言或类似的程序设计语言。程序代码可以完全地在用户计算设备上执行、部分地在用户设备上执行、部分在远程计算设备上执行、或者完全在远程计算设备或服务器上执行。在涉及远程计算设备的情形中，远程计算设备可以通过任意种类的网络，包括局域网(LAN)或广域网(WAN)，连接到用户计算设备，或者，可以连接到外部计算设备(例如利用因特网服务提供商来通过因特网连接)。
附图中的流程图和框图，图示了按照本公开各种实施例的系统、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段、或代码的一部分，上述模块、程序段、或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个接连地表示的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图或流程图中的每个方框、以及框图或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或操作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。
本领域技术人员可以理解，本公开的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合或/或结合，即使这样的组合或结合没有明确记载于本公开中。特别地，在不脱离本公开精神和教导的情况下，本公开的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合和/或结合。所有这些组合和/或结合均落入本公开的范围。
以上对本公开的实施例进行了描述。但是，这些实施例仅仅是为了说明的目的，而并非为了限制本公开的范围。尽管在以上分别描述了各实施例，但是这并不意味着各个实施例中的措施不能有利地结合使用。本公开的范围由所附权利要求及其等同物限定。不脱离本公开的范围，本领域技术人员可以做出多种替代和修改，这些替代和修改都应落在本公开的范围之内。
Claims (7)
1.一种区域供热管网优化设计方法，包括：
获取目标区域的路网拓扑图，其中，所述路网拓扑图中包含由节点和边组成的线段；
将所述路网拓扑图输入基环辨识算法，输出基环集合，其中，所述基环辨识算法用于辨识所述路网拓扑图中所有基环，所述基环是由所述线段组成的闭合环，且所述闭合环的内部不存在能够形成新闭合环的所述线段；
基于所述基环集合，生成道路连通子图集；
从所述道路连通子图集中，筛选满足供热要求的目标道路连通子图；
基于所述目标道路连通子图，确定供热管网的拓扑布局；
基于水力计算模型，对所述供热管网的管径进行优化设计；
在确定保温结构外表面温度不超过第一阈值的情况下，对所述管径的外保温进行优化设计；
其中，所述将所述路网拓扑图输入基环辨识算法，输出基环集合，包括：
将所述路网拓扑图输入所述基环辨识算法，以便执行下述操作：
根据所述路网拓扑图中的所述线段，构建独立回路矩阵，其中，所述独立回路矩阵用于表征所述闭合环的矩阵形式；
根据所述独立回路矩阵，得到所述独立回路矩阵对应的嵌套环集合，其中，所述嵌套环集合中的嵌套环数目与所述基环集合中的基环数目相同，且所述嵌套环互相不重叠；
将所述嵌套环集合中所有所述嵌套环旋转方向标准化，得到标准化后的嵌套环集合；
根据预设剪切规则，对所述标准化后的嵌套环集合进行剪切；
在确定所述标准化后的嵌套环集合全部被剪切的情况下，输出所述基环集合；
其中，所述将所述路网拓扑图输入基环辨识算法，输出基环集合，还包括：
在确定所述标准化后的嵌套环集合未全部被剪切的情况下，将剩余未被剪切的标准化后的嵌套环分类，得到第一类嵌套环集合、第二类嵌套环集合以及第三类嵌套环集合；
在确定所述第三类嵌套环集合为空的情况下，将所述第一类嵌套环集合加入所述基环集合，同时将所述剩余未被剪切的标准化后的嵌套环中的所述第一类嵌套环集合移除，得到当前嵌套环集合；
在确定所述当前嵌套环集合的容量满足第三阈值的情况下，将所述当前嵌套环集合加入所述基环集合；
输出所述基环集合；
其中，所述根据所述路网拓扑图中的所述线段，构建独立回路矩阵，包括：
根据所述路网拓扑图中的所述线段，构建基本关联矩阵，其中，所述基本关联矩阵用于表征所述节点和所述边的布局关系的矩阵形式；
基于所述基本关联矩阵，构建所述独立回路矩阵。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括：
针对所述供热管网的拓扑布局，确定在生命周期内所述供热管网所需的投入资源；
根据所述投入资源，筛选满足第二阈值的目标供热管网的拓扑布局。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述从所述道路连通子图集中，筛选满足供热要求的目标道路连通子图，包括：
根据所述基环集合、换热站属性、热源属性、所述路网拓扑图以及所述供热要求，构建判断矩阵；
根据所述道路连通子图集，构建所述道路连通子图集中道路连通子图对应的拓扑布局矩阵；
将所述拓扑布局矩阵输入所述判断矩阵，输出判断结果；
根据所述判断结果，筛选所述目标道路连通子图。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述根据所述基环集合、换热站属性、热源属性、所述路网拓扑图以及所述供热要求，构建判断矩阵，包括：
根据所述换热站属性以及所述热源属性，确定所述基环集合中基环内的热源或基环内的换热站以及基环外的热源或基环外的换热站；
根据所述基环内的热源或基环内的换热站的数目以及所述基环外的热源或基环外的换热站在所述路网拓扑图中的所述线段位置的情况，确定所述道路连通子图集中对应连通图供热管道的所述供热要求；
根据所述供热要求，构建所述判断矩阵。
5.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述基于所述基环集合，生成道路连通子图集，包括：
将所述基环集合中的任何一条所述线段删除或者不删除，生成所述道路连通子图集。
6.根据权利要求4所述的方法，其中，所述基于所述目标道路连通子图，确定供热管网的拓扑布局，包括：
通过设置连通管，将所述热源或所述换热站与所述目标道路连通子图相连；
将无流体输配作用的连通管剪去，得到所述供热管网的拓扑布局。
7.一种区域供热管网优化设计装置，包括：
获取模块，用于获取目标区域的路网拓扑图，其中，所述路网拓扑图中包含由节点和边组成的线段；
辨识模块，用于将所述路网拓扑图输入基环辨识算法，输出基环集合，其中，所述基环辨识算法用于辨识所述路网拓扑图中所有基环，所述基环是由所述线段组成的闭合环，且所述闭合环的内部不存在能够形成新闭合环的所述线段；
生成模块，用于基于所述基环集合，生成道路连通子图集；
筛选模块，用于从所述道路连通子图集中，筛选满足供热要求的目标道路连通子图；
第一确定模块，用于基于所述目标道路连通子图，确定供热管网的拓扑布局；
第一优化设计模块，用于基于水力计算模型，对所述供热管网的管径进行优化设计；以及
第二优化设计模块，用于在确定保温结构外表面温度不超过第一阈值的情况下，对所述管径的外保温进行优化设计；
其中，所述将所述路网拓扑图输入基环辨识算法，输出基环集合，包括：
将所述路网拓扑图输入所述基环辨识算法，以便执行下述操作：
根据所述路网拓扑图中的所述线段，构建独立回路矩阵，其中，所述独立回路矩阵用于表征所述闭合环的矩阵形式；
根据所述独立回路矩阵，得到所述独立回路矩阵对应的嵌套环集合，其中，所述嵌套环集合中的嵌套环数目与所述基环集合中的基环数目相同，且所述嵌套环互相不重叠；
将所述嵌套环集合中所有所述嵌套环旋转方向标准化，得到标准化后的嵌套环集合；
根据预设剪切规则，对所述标准化后的嵌套环集合进行剪切；
在确定所述标准化后的嵌套环集合全部被剪切的情况下，输出所述基环集合；
其中，所述将所述路网拓扑图输入基环辨识算法，输出基环集合，还包括：
在确定所述标准化后的嵌套环集合未全部被剪切的情况下，将剩余未被剪切的标准化后的嵌套环分类，得到第一类嵌套环集合、第二类嵌套环集合以及第三类嵌套环集合；
在确定所述第三类嵌套环集合为空的情况下，将所述第一类嵌套环集合加入所述基环集合，同时将所述剩余未被剪切的标准化后的嵌套环中的所述第一类嵌套环集合移除，得到当前嵌套环集合；
在确定所述当前嵌套环集合的容量满足第三阈值的情况下，将所述当前嵌套环集合加入所述基环集合；
输出所述基环集合；
其中，所述根据所述路网拓扑图中的所述线段，构建独立回路矩阵，包括：
根据所述路网拓扑图中的所述线段，构建基本关联矩阵，其中，
所述基本关联矩阵用于表征所述节点和所述边的布局关系的矩阵形式；
基于所述基本关联矩阵，构建所述独立回路矩阵。
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