原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明：所呈交的學(xué)位論文，是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下，獨(dú)立進(jìn)行研 究所取得的成果。除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個(gè)人 或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的科研成果。對(duì)本文的研究作出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集 體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。本聲明的法律責(zé)任由本人承擔(dān)。 學(xué)位論文作者：奎未囊、 學(xué)位論文使用授權(quán)聲明 日期：蘆口父 本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下完成的論文及相關(guān)的職務(wù)作品，知識(shí)產(chǎn)權(quán)歸屬鄭州大學(xué)。 根據(jù)鄭州大學(xué)有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意學(xué)校保留或向國家有關(guān)部 門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱；本人授權(quán)鄭州 大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部或部分編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索，可以采用影印、 縮印或者其他復(fù)制手段保存論文和匯編本學(xué)位論文。本人離校后發(fā)表、使用學(xué) 位論文或與該學(xué)位論文直接相關(guān)的學(xué)術(shù)論文或成果時(shí)，第一署名單位仍然為鄭 州大學(xué)。保密論文在解密后應(yīng)遵守此規(guī)定。 學(xué)位論文作者：專童薔、日期：砷f 胗 摘要 摘要 城市給水系統(tǒng)是由取水工程、水處理工程、泵站、輸配水工程( 輸水管道、 配水管網(wǎng)、調(diào)節(jié)構(gòu)筑物) 等組成的一整套工程設(shè)施。給水管網(wǎng)是城市給水系統(tǒng)的 重要組成部分，其投資往往占整個(gè)給水系統(tǒng)工程總投資的6 0 0 曠8 0 ，而且運(yùn)行 期間每年還需投入龐大的運(yùn)行動(dòng)力費(fèi)及管理維修費(fèi)。 目前各城市給水管網(wǎng)一般均具規(guī)模，由于管網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行到一定年限出現(xiàn)了 供水效益低、管網(wǎng)二次污染嚴(yán)重、管道爆管漏損率高、運(yùn)行管理不科學(xué)等一系 列問題。針對(duì)這些問題，需對(duì)現(xiàn)有給水管網(wǎng)進(jìn)行改擴(kuò)建優(yōu)化設(shè)計(jì)。改擴(kuò)建優(yōu)化 設(shè)計(jì)就是在改造現(xiàn)有舊管網(wǎng)、挖掘舊管網(wǎng)的輸水能力基礎(chǔ)上，決定如何經(jīng)濟(jì)合 理的增敷新管，協(xié)調(diào)新舊管網(wǎng)功能，使新舊管網(wǎng)在滿足用戶要求的水量、水壓、 水質(zhì)的前提下保證安全性、可靠性，并使改擴(kuò)建的費(fèi)用最低。 通過對(duì)已有的管網(wǎng)改擴(kuò)建優(yōu)化模型的研究，本文建立了一種更全面的管網(wǎng) 改擴(kuò)建優(yōu)化設(shè)計(jì)模型，并對(duì)模型中涉及的各個(gè)經(jīng)濟(jì)技術(shù)參數(shù)進(jìn)行了研究。建模 時(shí)，將系統(tǒng)可靠性定義為節(jié)點(diǎn)可靠度及管網(wǎng)可靠度進(jìn)行衡量，并作為約束條件； 并考慮水擊及水質(zhì)的定性約束；在管網(wǎng)改擴(kuò)建優(yōu)化設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上進(jìn)行供水設(shè)施的 優(yōu)化改造，以期得到最經(jīng)濟(jì)的管道建設(shè)費(fèi)用及管理運(yùn)行費(fèi)用下的管網(wǎng)布置方案。 由于所建模型為非線性模型，通過對(duì)常用的給水管網(wǎng)優(yōu)化模型算法如非線 性規(guī)劃法、動(dòng)態(tài)規(guī)劃法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法、蟻群算法等的分析比較，提出 了采用基于整數(shù)編碼的改進(jìn)遺傳算法對(duì)所建模型求解。在進(jìn)行環(huán)狀管網(wǎng)的遺傳 優(yōu)化設(shè)計(jì)過程中選擇用節(jié)點(diǎn)水頭法進(jìn)行水力平衡計(jì)算，直接利用所計(jì)算出的節(jié) 點(diǎn)壓力來確定個(gè)體適應(yīng)度的高低，提高了計(jì)算速度，減少了計(jì)算工作量。 最后，以一個(gè)具有代表性的給水管網(wǎng)改擴(kuò)建工程實(shí)例進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，對(duì)所 建模型采用基于整數(shù)編碼的改進(jìn)遺傳算法求解，并將優(yōu)化結(jié)果與傳統(tǒng)模型得到 的結(jié)果進(jìn)行比較，充分說明了該模型及算法在工程實(shí)際中有重要的理論和應(yīng)用 價(jià)值。在管網(wǎng)改擴(kuò)建優(yōu)化設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上對(duì)水廠加壓泵站進(jìn)行優(yōu)化選型及調(diào)度，進(jìn) 一步減少了改擴(kuò)建運(yùn)行費(fèi)用，節(jié)省了能耗。 關(guān)鍵詞：給水管網(wǎng)改擴(kuò)建優(yōu)化設(shè)計(jì)模型改進(jìn)遺傳算法 a b s t r a c t u r b a nw a t e rs u p p l ys y s t e mi sas e to fe n g i n e e r i n gf a c i l i t i e s ，w h i c hi sc o m p o s e d o fw a t e ri n t a k eu n i t s ，w a t e rt r e a t m e n ts t r u c t u r e s ，p u m p i n gs t a t i o n s ，p i p e s ( w a t e r d i s t r i b u t i o nn e t w o r k ) a n ds oo n w a t e rs u p p l yn e t w o r ki sa ni m p o r t a n tp a r ti nu r b a n w a t e rs u p p l ys y s t e m ，f o ri t si n v e s t m e n ti so f t e na c c o u n t e df o r6 0 t o8 0 o ft h et o t a l i n v e s t m e n to ft h ee n t i r ew a t e rs u p p l ys y s t e mp r o j e c t ，d u r i n gt h eo p e r a t i o na n da l s o n e e d st op u ti n t oah u g ep o w e re x p e n s ea n dm a n a g e m e n ta n dm a i n t e n a n c ef e e se a c h y e a r a tp r e s e n tt h ew a t e rs u p p l ys y s t e mo fe a c hc i t yi so fs u f f i c i e n ts i z ei ng e n e r a l b e c a u s eo f p i p en e t w o r ks y s t e mi sr u n n i n gu p t oac e r t a i nn u m b e ro fy e a r s ，i ta p p e a r s s u c hp r o b l e m s ：t h el o we f f i c i e n c yo fw a t e rs u p p l y , s e r i o u ss e c o n d a r yp o l l u t i o no f p i p en e t w o r k ，h i g hr a t eo fp i p e b u r s ta n dl e a k a g e ，u n s c i e n t i f i c o p e r a t i o na n d m a n a g e m e n t e t c t h e r e f o r e ，i ti sn e c e s s a r yt oo p t i m i z er e h a b i l i t a t i o na n de x p a n s i o n o ft h ee x i s t i n gw a t e rs u p p l yn e t w o r k o p t i m a ld e s i g no fr e c o n s t r u c t i o na n de x t e n s i o n i st ot a pw a t e rs u p p l yc a p a c i t ya n dt r a n s f o r mo ft h eo l dp i p e ，t od e c i d eh o wt ol a y n e wp i p ee c o n o m i ca n dr e a s o n a b l e ，t oc o o r d i n a t et h eo l da n dn e wp i p en e t w o r k ， w h i c hs h o u l dm e e tu s e rr e q u i r e m e n t si nt h ea m o u n to fw a t e r , w a t e rp r e s s u r e ，w a t e r q u a l i t y , s a f e t ya n dr e l i a b i l i t y , a n dt h el o w e s tc o s to f r e c o n s t r u c t i o na n de x t e n s i o n t h r o u g ht h er e s e a r c ho fe x i s t i n gp i p en e t w o r ko p t i m a lr e n o v a t i o na n de x p a n s i o n m o d e l ，t h i sp a p e rp r e s e n t sam o r ec o m p r e h e n s i v em o d e lw h i c hi n v o l v e di nav a r i e t y o fe c o n o m i ca n dt e c h n i c a lp a r a m e t e r s i nt h i sm o d e l ，s y s t e mr e l i a b i l i t yi sd e f i n e da s t h en o d ea n dp i p e l i n er e l i a b i l i t y ；t oc o n s i d e rt h eq u a l i t a t i v ec o n s t r a i n t so fw a t e r h a m m e ra n dw a t e rq u a l i t y ；t oc o m b i n et h eo p t i m a ls e l e c t i o na n ds c h e d u l i n go fp u m p s 、析n 1t h eo p t i m a le x p a n s i o nd e s i g ns ot h a tt h ec o s to fp i p e l i n ec o n s t r u c t i o n ，o p e r a t i o n a n dm a n a g e m e n ti st h em o s te c o n o m i c a l t h r o u g ht h ea n a l y s i s a n dc o m p a r i s o no nt h ec o m m o na l g o r i t h m sf o rw a t e r d i s t r i b u t i o nn e t w o r ko p t i m i z a t i o nm o d e ls u c ha sn o n - l i n e a rp r o g r a m m i n g ，d y n a m i c p r o g r a m m i n g ， n e u r a ln e t w o r k s ， g e n e t i ca l g o r i t h m s ， a n t c o l o n ya l g o r i t h m ， a n a b s t r a c t i m p r o v e dg e n e t i ca l g o r i t h m b a s i n go na l li n t e g e r c o d ei sp r o p o s e dt os o l v et h e n o n 1 i n e a rm o d e l d u r i n gt h ep r o c e s s ，c h o o s et h en o d e - f o r m u l a ( ah y d r a u l i c c a l c u l a t i o nm e t h o d ) t oc a l c u l a t ea n dc o m b i n ew i t hg e n e t i ca l g o r i t h m t h i sm e t h o d c a nu s et h en o d ep r e s s u r e sc a l c u l a t e dd i r e c t l yt od e t e r m i n et h el e v e lo fi n d i v i d u a l f i t n e s s ，i m p r o v et h ec o m p u t i n gs p e e da n dr e d u c et h ea m o u n to fc a l c u l a t i o n f i n a l l y , t h i s m o d e li sv e r i f i e d b y i t s a p p l i c a t i o n o n ar e p r e s e n t a t i v e r e c o n s t r u c t i o na n de x t e n s i o no fw a t e rd i s t r i b u t i o nn e t w o r ko p t i m i z a t i o ne n g i n e e r i n g e x a m p l e ，u s i n gi m p r o v e dg e n e t i ca l g o r i t h m c o m p a r i n gt h eo p t i m a lr e s u l t st ot h e r e s u l t sw i t ht h et r a d i t i o n a ld e s i g nm e t h o d ，i tf u l l yi l l u s t r a t e st h a tt h e r ea l ei m p o r t a n t t h e o r e t i c a la n da p p l i c a t i o nv a l u eo ft h em o d e la n da l g o r i t h mi ne n g i n e e r i n gp r a c t i c e o p t i m i z i n gt h es e l e c t i o na n ds c h e d u l i n go ft h ep u m ps t a t i o nb a s e do nt h eo p t i m a l d e s i g no fw a t e rs u p p l yn e t w o r kc a nr e d u c et h er e c o n s t r u c t i o na n de x t e n s i o no p e r a t i n g c o s t sf u r t h e ra n ds a v ee n e r g y k e yw o r d s ：w a t e rs u p p l yn e t w o r k ；o p t i m a ld e s i g nm o d e lo fr e c o n s t r u c t i o na n d e x t e n s i o n ；i m p r o v e dg e n e t i ca l g o r i t h m i i 目錄 目錄 1 緒論1 1 1 課題研究背景及意義l 1 2 國內(nèi)外給水管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究進(jìn)展2 1 2 1 國內(nèi)外給水管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)模型研究進(jìn)展2 1 2 2 給水管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)模型求解算法研究進(jìn)展一4 1 3 本課題主要研究內(nèi)容6 2 給水管網(wǎng)改擴(kuò)建優(yōu)化設(shè)計(jì)理論及建模8 2 1 給水管網(wǎng)水力計(jì)算理論8 2 1 1 管網(wǎng)水力計(jì)算的基礎(chǔ)方程一8 2 1 2 水頭損失計(jì)算一9 2 1 3 給水管網(wǎng)水力計(jì)算方法1 0 2 2 常用給水管網(wǎng)改擴(kuò)建優(yōu)化設(shè)計(jì)模型1 4 2 2 1 優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)1 4 2 2 2 約束條件1 5 3 給水管網(wǎng)改擴(kuò)建優(yōu)化設(shè)計(jì)模型若干問題研究1 6 3 1 管道建造費(fèi)用模型1 6 3 1 1 管材選擇1 6 3 1 2 管道造價(jià)c 1 9 3 1 3 管道造價(jià)模型1 9 3 2 目標(biāo)函數(shù)中其他經(jīng)濟(jì)技術(shù)參數(shù)的研究2 4 3 2 1 資金時(shí)間價(jià)值2 4 3 2 2 時(shí)間t 2 5 3 2 3 管網(wǎng)折舊及大修費(fèi)用2 6 3 2 4 供水能量不均勻系數(shù)y 2 6 3 3 舊管道阻力系數(shù)模型2 7 目錄 3 3 1 管道阻力系數(shù)的影響2 7 3 3 2 管道內(nèi)部粗糙系數(shù)的測試原理及方法2 8 3 3 3 管道阻力系數(shù)模型3 0 3 4 管網(wǎng)改擴(kuò)建的可靠性約束。3 1 3 4 1 管網(wǎng)可靠性與經(jīng)濟(jì)性的矛盾協(xié)調(diào)3 1 3 4 2 管網(wǎng)系統(tǒng)可靠性度量3 2 3 5 考慮水擊的定性約束3 4 3 6 管網(wǎng)水質(zhì)問題。3 4 3 7 管網(wǎng)改擴(kuò)建優(yōu)化設(shè)計(jì)模型中供水設(shè)施的優(yōu)化改造3 5 3 7 1 現(xiàn)有供水設(shè)備節(jié)能改造3 5 3 7 2 水泵優(yōu)化選型及運(yùn)行調(diào)度方案3 5 3 8 修正后的給水管網(wǎng)改擴(kuò)建優(yōu)化設(shè)計(jì)模型3 7 4 給水管網(wǎng)改擴(kuò)建優(yōu)化設(shè)計(jì)模型求解4l 4 1 基于整數(shù)編碼的改進(jìn)遺傳算法4 1 4 1 1 整數(shù)編碼4 l 4 1 2 創(chuàng)建初始種群4 2 4 1 3 適應(yīng)度函數(shù)設(shè)計(jì)4 2 4 1 4 遺傳算子設(shè)計(jì)4 2 4 1 5 最優(yōu)個(gè)體保留4 3 4 1 6 算法的終止條件4 4 4 1 7 控制參數(shù)設(shè)定4 4 4 1 8 管網(wǎng)水力計(jì)算方法的選擇4 4 4 1 9 環(huán)狀管網(wǎng)改進(jìn)遺傳算法優(yōu)化設(shè)計(jì)的主要步驟4 6 4 2 管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)程序?qū)崿F(xiàn)。4 6 5 工程實(shí)例4 8 5 1 工程概況4 8 5 2 管網(wǎng)改擴(kuò)建優(yōu)化設(shè)計(jì)模型有關(guān)問題及數(shù)據(jù)準(zhǔn)備4 9 5 3 管網(wǎng)改擴(kuò)建優(yōu)化設(shè)計(jì)5 1 5 3 1 用改進(jìn)遺傳算法對(duì)修正后的模型進(jìn)行管網(wǎng)改擴(kuò)建優(yōu)化設(shè)計(jì)5 1 t t 目錄 5 3 2 用改進(jìn)遺傳算法對(duì)傳統(tǒng)模型進(jìn)行管網(wǎng)改擴(kuò)建設(shè)計(jì)5 2 5 3 3 結(jié)果比較5 3 5 4 管網(wǎng)改擴(kuò)建優(yōu)化設(shè)計(jì)模型中供水設(shè)施的優(yōu)化改造5 3 5 4 1 現(xiàn)有水泵運(yùn)行工況校核5 3 5 4 2 水泵優(yōu)化選型節(jié)能改造方案5 4 5 5 小結(jié)5 6 6 結(jié)論與展望5 7 6 1 結(jié)論5 7 6 2 展望5 8 參考文獻(xiàn)5 9 附錄6 2 個(gè)人簡歷7 0 致 射7 1 i i i 圖表清單 插圖清單 圖2 1 解節(jié)點(diǎn)方程法計(jì)算流程圖1 1 圖2 2 解節(jié)點(diǎn)方程法計(jì)算流程圖1 2 圖2 3 解節(jié)點(diǎn)方程法計(jì)算流程圖1 3 圖3 1 各種管材事故分布圖1 7 圖3 2 不同管材的生存函數(shù)曲線圖1 8 圖3 3m a t l a b 遺傳算法運(yùn)行界面2 1 圖3 4 模型一遺傳算法求解過程圖像2 2 圖3 5 模型一擬合后曲線2 3 圖3 6 模型二遺傳算法求解過程圖像2 3 圖3 7 模型二擬合后曲線2 4 圖3 8 三壓力表法示意圖2 9 圖3 9 可靠性與經(jīng)濟(jì)性關(guān)系圖3 2 圖3 1 0 泵站節(jié)能優(yōu)化運(yùn)行調(diào)度系統(tǒng)3 7 圖4 1 兩點(diǎn)式雜交示意圖4 3 圖4 2 節(jié)點(diǎn)水壓法的管網(wǎng)計(jì)算程序框圖4 5 圖4 3 環(huán)狀網(wǎng)改進(jìn)遺傳算法計(jì)算流程圖4 7 圖5 1 河南省某城市給水管網(wǎng)改擴(kuò)建示意圖4 9 圖表清單 附表清單 表3 1 建設(shè)項(xiàng)目概算投資計(jì)算公式1 9 表3 2 單位長度管道新建及改建造價(jià)表( 承插球墨鑄鐵管) 1 9 表3 3 兩種造價(jià)公式得出的結(jié)果及精度比較2 4 表3 4 斜率k 與公稱直徑的關(guān)系3 0 表3 5 砂漿內(nèi)防腐鑄鐵管系數(shù)c 實(shí)測數(shù)據(jù)3 1 表5 1 不同時(shí)段用電價(jià)格5 0 表5 2 事故工況下斷開各主干管控制點(diǎn)所需水壓5 2 表5 3 傳統(tǒng)模型及修正后模型用改進(jìn)遺傳算法優(yōu)化設(shè)計(jì)的費(fèi)用比較5 3 表5 4 現(xiàn)有水泵設(shè)計(jì)工況下運(yùn)行參數(shù)5 4 表5 5 現(xiàn)有水泵平均工況下運(yùn)行參數(shù)5 4 表5 6 優(yōu)化選型水泵設(shè)計(jì)工況下運(yùn)行參數(shù)5 5 表5 7 優(yōu)化選型水泵平均工況下運(yùn)行參數(shù)5 5 附表1 現(xiàn)狀管網(wǎng)管長、管徑及管段粗糙度系數(shù)6 2 附表2 各節(jié)點(diǎn)流量及地面標(biāo)高6 3 附表3 傳統(tǒng)模型優(yōu)化設(shè)計(jì)的水力計(jì)算結(jié)果表6 4 附表4 傳統(tǒng)模型優(yōu)化設(shè)計(jì)的的節(jié)點(diǎn)水壓表6 5 附表5 修正后模型優(yōu)化設(shè)計(jì)的水力計(jì)算結(jié)果表6 6 附表6 修正后模型優(yōu)化設(shè)計(jì)的節(jié)點(diǎn)水壓表6 7 附表7 修正后模型優(yōu)化設(shè)計(jì)平均工況下水力計(jì)算結(jié)果表6 8 附表8 修正后模型優(yōu)化設(shè)計(jì)平均工況下節(jié)點(diǎn)水壓表6 9 l 緒論 1 緒論 1 1 課題研究背景及意義 城市給水系統(tǒng)是由取水工程、凈水工程、輸配水工程( 包括輸水管道、配水 管網(wǎng)及調(diào)節(jié)構(gòu)筑物) 、泵站等組成的【1 1 。輸配水管網(wǎng)( 以下簡稱給水管網(wǎng)) 是其中 的重要組成部分，它負(fù)責(zé)把處理過的滿足用戶水量、水壓、水質(zhì)要求的水安全 可靠的輸送至用戶，它的投資往往占給水系統(tǒng)工程總投資的6 0 8 0 ，而且運(yùn) 行過程中每年還需投入龐大的運(yùn)行動(dòng)力費(fèi)及管理維修費(fèi)。因此，對(duì)給水管網(wǎng)系 統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)顯得尤為重要。 目前，我國各城市給水管網(wǎng)都已達(dá)到一定規(guī)模，管網(wǎng)運(yùn)行到一定年限會(huì)出 現(xiàn)外壁腐蝕、內(nèi)壁結(jié)垢、爆管漏損率高、二次污染嚴(yán)重等問題：同時(shí)，由于城 市的快速發(fā)展、規(guī)劃方案的變更，舊城區(qū)需要拆遷、改造或擴(kuò)建，使現(xiàn)有管網(wǎng) 系統(tǒng)的部分管道無法滿足當(dāng)前或規(guī)劃期內(nèi)的供水需求；由于城市街道的拓寬、 其他管線的施工等原因，使現(xiàn)有管道位置、埋深需做相應(yīng)的調(diào)整而改建。上述 諸方面的原因 2 1 使給水系統(tǒng)處于不斷更新和發(fā)展中，給水管網(wǎng)設(shè)計(jì)更多的是對(duì)現(xiàn) 有管網(wǎng)系統(tǒng)的改擴(kuò)建設(shè)計(jì)。 給水管網(wǎng)系統(tǒng)改擴(kuò)建優(yōu)化設(shè)計(jì)在一些方面不同于新建管網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，它 是在改造現(xiàn)有舊管網(wǎng)、發(fā)揮舊管網(wǎng)輸水能力的基礎(chǔ)上，決定如何經(jīng)濟(jì)合理的增 敷新管，協(xié)調(diào)新舊管網(wǎng)功能，使新舊管網(wǎng)在滿足用戶要求的水量、水壓、水質(zhì) 的前提下保證安全性、可靠性，并使改擴(kuò)建后的系統(tǒng)建造和運(yùn)行年折算費(fèi)用最 低。目前給水管網(wǎng)改擴(kuò)建優(yōu)化設(shè)計(jì)方面存在的問題也較多，主要表現(xiàn)在： ( 1 ) 管網(wǎng)改擴(kuò)建優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型中的一些問題考慮的不夠全面也不切合 實(shí)際。管網(wǎng)的改擴(kuò)建是在舊管網(wǎng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行的改造和擴(kuò)建，因此需要考慮舊 管網(wǎng)運(yùn)行現(xiàn)狀及其阻力系數(shù)的變化對(duì)管網(wǎng)輸水能力、安全性、可靠性以及水質(zhì) 要求的制約等問題。 ( 2 ) 管網(wǎng)改擴(kuò)建優(yōu)化設(shè)計(jì)在工程實(shí)際中未廣泛應(yīng)用和推廣。長期以來，我國 大多數(shù)給水管網(wǎng)在建設(shè)初期就缺乏系統(tǒng)的合理規(guī)劃，更談不上合理的改擴(kuò)建。 盡管許多學(xué)者對(duì)管網(wǎng)優(yōu)化進(jìn)行了研究，但我國中小城市依然根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定管網(wǎng) 的改擴(kuò)建，大城市未充分考慮舊管網(wǎng)存在的一些問題，在工程實(shí)際中未實(shí)現(xiàn)最 1 緒論 優(yōu)化。 ( 3 ) 缺乏管網(wǎng)改擴(kuò)建優(yōu)化設(shè)計(jì)與水廠泵站節(jié)能改造和運(yùn)行優(yōu)化調(diào)度的結(jié)合 研究。管網(wǎng)改擴(kuò)建優(yōu)化設(shè)計(jì)受現(xiàn)有水廠供水能力的制約，現(xiàn)有水泵機(jī)組能否發(fā) 揮管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)效果尚需進(jìn)行分析，而常見的管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)模型和方法 只是單獨(dú)研究管網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，如何在管網(wǎng)改擴(kuò)建優(yōu)化設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上充分發(fā)揮現(xiàn) 有機(jī)組供水能力，而且最大程度地達(dá)到節(jié)能降耗的效果等問題尚需迸一步研究。 因此，建立一個(gè)全面、統(tǒng)一的給水管網(wǎng)改擴(kuò)建優(yōu)化設(shè)計(jì)模型，運(yùn)用現(xiàn)代算 法，在滿足用戶對(duì)水量、水壓、水質(zhì)要求的前提下，尋求經(jīng)濟(jì)合理的改擴(kuò)建方 案，對(duì)于節(jié)約投資、降低能耗、提高經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益有重要的現(xiàn)實(shí)意義。 1 2 國內(nèi)外給水管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究進(jìn)展 給水管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的研究包括管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)模型和優(yōu)化算法兩個(gè)方面，優(yōu) 化設(shè)計(jì)模型需要相應(yīng)的優(yōu)化算法進(jìn)行求解。隨著計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)及其應(yīng)用軟件的 開發(fā)，兩者在理論和工程實(shí)際的應(yīng)用上都逐漸成熟，應(yīng)用比較廣泛。 1 2 1 國內(nèi)外給水管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)模型研究進(jìn)展 給水管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)模型是進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，其優(yōu)劣程度決定優(yōu)化設(shè)計(jì) 是否成功。因此，所建模型必須真實(shí)地反映管網(wǎng)運(yùn)行特征及管理要求。其模型 的發(fā)展經(jīng)歷單目標(biāo)函數(shù)和多目標(biāo)函數(shù)兩個(gè)階段。 上世紀(jì)4 0 年代，前蘇聯(lián)學(xué)者羅巴喬夫和莫希寧首次在管網(wǎng)設(shè)計(jì)中引入了經(jīng) 濟(jì)性的概念，提出以管網(wǎng)建造費(fèi)用與運(yùn)行費(fèi)用之和為目標(biāo)函數(shù)，以水力平衡關(guān) 系為約束的環(huán)狀管網(wǎng)優(yōu)化模型。該模型比較粗糙，實(shí)用價(jià)值不大，但具有開創(chuàng) 意義。 1 9 6 8 年，k a r m e ie ta l 、s c h a a k el a i 先后提出了針對(duì)樹狀網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)模型， 能得到全局最優(yōu)解。隨后，a l p e r o v i t s 提出了第一個(gè)環(huán)狀管網(wǎng)線性模型，他以管 段建造費(fèi)用為目標(biāo)，同時(shí)滿足水力約束條件。該模型所得結(jié)果管徑直接為標(biāo)準(zhǔn) 尺寸；1 9 8 5 年，m o r g a n 建立的模型以管段建造費(fèi)用為目標(biāo)函數(shù)，假設(shè)每根管線 由兩個(gè)管段組成，并對(duì)各個(gè)管段引入權(quán)重來反映各管段尺寸的變化對(duì)節(jié)點(diǎn)壓力 的影響，同時(shí)考慮水力約束。該模型沒考慮泵站的運(yùn)行管理費(fèi)用；隨后，l a n c e y 等人在總結(jié)以前優(yōu)化模型的基礎(chǔ)上，提出了適用于樹狀、環(huán)狀管網(wǎng)的模型【3 】。 1 緒論 隨后越來越多的研究者進(jìn)行管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)模型的研究。1 9 9 9 年，h y u n g o n s h i n 通過對(duì)給水管網(wǎng)連接特點(diǎn)的分析，建立了以管段基建費(fèi)用最小為目標(biāo)的數(shù)學(xué) 模型【4 】；2 0 0 5 年，z y w u 等人建立了以管網(wǎng)建造費(fèi)用( 包括管段、水箱、閥門和 泵站) 最小和節(jié)點(diǎn)自由水頭為目標(biāo)函數(shù)的改擴(kuò)建管網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)模型1 5 j 。 上世紀(jì)5 0 年代后，國內(nèi)的研究者開始對(duì)管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)模型研究，取得一定 成果的有同濟(jì)大學(xué)、哈爾濱工程大學(xué)等。國內(nèi)研究者一般都以管網(wǎng)年費(fèi)用折算 值最小為目標(biāo)函數(shù)建立管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型，例如：吉燈才以管網(wǎng)年費(fèi)用為 目標(biāo)函數(shù)建立了供水管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)非線性數(shù)學(xué)模型【6 j 。 以上模型都沒有考慮管網(wǎng)的可靠性約束。隨著研究的深入和實(shí)踐證明，人 們逐漸認(rèn)識(shí)到若僅以經(jīng)濟(jì)性作為管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的目標(biāo)函數(shù)與工程實(shí)際相比存在 某種欠缺和不足，還需要考慮系統(tǒng)可靠性這一因素。目前，關(guān)于給水管網(wǎng)可靠 性的衡量標(biāo)準(zhǔn)還沒有統(tǒng)一的指標(biāo)1 7 j 。 可靠度是對(duì)管網(wǎng)可靠性的度量。對(duì)于如何在管網(wǎng)優(yōu)化模型中加入可靠性因 素，研究者做了大量研究。2 0 0 2 年，t a n y i m b o h 建立的模型以管網(wǎng)建造費(fèi)用和 管網(wǎng)信息熵為目標(biāo)函數(shù)，通過管網(wǎng)信息熵度量管網(wǎng)可靠性。通過該模型可以實(shí) 現(xiàn)給水管網(wǎng)布局的優(yōu)化，但是該模型未考慮管網(wǎng)的運(yùn)行費(fèi)用【8 】。之后，p r a s a d 以 管網(wǎng)建造費(fèi)用為目標(biāo)函數(shù)，管網(wǎng)可靠度采用節(jié)點(diǎn)剩余能量與整個(gè)管網(wǎng)的供入能 量和節(jié)點(diǎn)所需能量( 此時(shí)要滿足節(jié)點(diǎn)最小水壓要求) 的差值之比度量1 9 。該模型不 能很好地反映管網(wǎng)可靠度和建造費(fèi)用之間的關(guān)系。 2 0 0 6 年，儲(chǔ)誠山提出了以經(jīng)濟(jì)性和可靠性為目標(biāo)的多目標(biāo)優(yōu)化數(shù)學(xué)模型， 將經(jīng)濟(jì)性定義為管網(wǎng)年折算費(fèi)用，可靠性定義為節(jié)點(diǎn)富余水頭加權(quán)平均值和管 網(wǎng)恢復(fù)力i l 叭。蔣懷德提出了以管網(wǎng)總費(fèi)用年折算值最小、管網(wǎng)供水可靠度及供 水均勻性為目標(biāo)的多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)模型【i 。采用管網(wǎng)節(jié)點(diǎn)可利用水量作為可靠 度指標(biāo)、管網(wǎng)熵值指數(shù)度量管網(wǎng)流量分配均勻程度。管網(wǎng)可靠度的定義還有【1 2 】： 以管網(wǎng)水壓滿足最低水頭限制的概率來表示管網(wǎng)可靠度。該方法以管網(wǎng)各組分 的故障概率為基礎(chǔ)，因此在實(shí)際中難以實(shí)現(xiàn)。以上分析看出，管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)模 型的建立尚存在較多爭論，特別是將管網(wǎng)可靠性因素引入優(yōu)化設(shè)計(jì)模型的時(shí)候。 盡管一些模型中考慮了水質(zhì)約束和安全性約束，但未充分考慮舊管網(wǎng)和新 管網(wǎng)的不同特性，約束或模型不盡合理。 1 緒論 1 2 2 給水管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)模型求解算法研究進(jìn)展 在給水管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)模型建立以后，需要用合適的算法去求解相應(yīng)的模型， 以得到模型的最優(yōu)解或較優(yōu)解。給水管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)模型的求解方法主要經(jīng)歷了 拉格朗日函數(shù)優(yōu)化法、數(shù)學(xué)規(guī)劃法( 線性規(guī)劃法、動(dòng)態(tài)規(guī)劃法和非線性規(guī)劃法) 和隨機(jī)搜索算法( 遺傳算法、模擬退火法、蟻群算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法) 三個(gè)階段。本 文著重介紹目前常用的幾種算法【1 3 】。 ( 1 ) 拉格朗日函數(shù)優(yōu)化法 該方法主要用于求解以管徑和水頭損失為變量的單目標(biāo)單工況優(yōu)化設(shè)計(jì)模 型。應(yīng)用拉格朗日未定系數(shù)法，將目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，然后用計(jì)算機(jī)進(jìn)行求解。 但是由于管徑為離散變量，應(yīng)用此法求得的管徑需要進(jìn)行圓整，化為市售管徑， 這在某種程度上破壞了解的最優(yōu)性。該算法目前應(yīng)用較少。 ( 2 ) 數(shù)學(xué)規(guī)劃法 1 ) 線性規(guī)劃法 線性規(guī)劃法是在一組線性約束條件下，求某個(gè)線性目標(biāo)函數(shù)的最小值( 最大 值) 。該方法只能解決樹狀管網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，因此該算法應(yīng)用較少。 2 ) 動(dòng)態(tài)規(guī)劃法 動(dòng)態(tài)規(guī)劃法是一種求解多階段決策過程最優(yōu)化方法。該法對(duì)模型中的目標(biāo) 函數(shù)和約束條件的形式要求不高，以標(biāo)準(zhǔn)管徑為變量計(jì)算結(jié)果不需要調(diào)整。1 9 7 1 年，l i a n g 采用動(dòng)態(tài)規(guī)劃法對(duì)模型進(jìn)行求解，所建模型以建造運(yùn)行費(fèi)用和整個(gè)系 統(tǒng)的效率為目標(biāo)函數(shù)，以管徑為決策變量。隨后，k w a n g 等人在樹狀管網(wǎng)的優(yōu) 化設(shè)計(jì)中采用了動(dòng)態(tài)規(guī)劃的數(shù)學(xué)模型求解，取得了一定的成功。魏永曜、劉子 沛先后用動(dòng)態(tài)規(guī)劃法求解簡單環(huán)狀管網(wǎng)的優(yōu)化模型。 因此，該方法對(duì)小型樹狀管網(wǎng)能得到最優(yōu)解；對(duì)于簡單的環(huán)狀管網(wǎng)，需預(yù) 先假設(shè)一組管徑并進(jìn)行初始流量分配，將環(huán)狀網(wǎng)化為樹狀網(wǎng)；對(duì)于復(fù)雜管網(wǎng)應(yīng) 用該法不能得到最優(yōu)解。 3 ) 非線性規(guī)劃法 非線性規(guī)劃法是在一組非線性約束條件下，尋求非線性目標(biāo)函數(shù)的最大值 或最小值。在管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)中，目前所建的模型基本都是非線性模型，因?yàn)榇?種模型能更好的反映管網(wǎng)系統(tǒng)各因素之間的關(guān)系，因此該方法能提高計(jì)算精度。 最早將非線性規(guī)劃法用于給水管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的是j a c o b y ，他采用數(shù)值梯度 技術(shù)對(duì)簡單環(huán)狀管網(wǎng)的非線性模型進(jìn)行求解。1 9 8 7 年，s u 采用簡約梯度法對(duì)以 4 1 緒論 可靠性為約束的環(huán)狀管網(wǎng)非線性模型進(jìn)行求解。隨后，l a n s e y 用非線性規(guī)劃法 進(jìn)行管網(wǎng)優(yōu)化布置和設(shè)計(jì)。國內(nèi)方面，1 9 8 3 年，魏永曜利用微分法對(duì)樹狀管網(wǎng) 非線性規(guī)劃模型進(jìn)行求解。俞國平提出用廣義簡約梯度法求解環(huán)狀管網(wǎng)非線性 規(guī)劃模型，且無需預(yù)先分配管段流量。隨后劉子沛、楊開林等人進(jìn)行了改進(jìn)， 采用線性規(guī)劃法將各管段管徑取整。 非線性規(guī)劃法能較好的反映管網(wǎng)系統(tǒng)的本質(zhì)，但也存在一些問題：設(shè)計(jì)變 量為連續(xù)型，所得管徑結(jié)果需進(jìn)行二次圓整，圓整后的管徑難以保證是最優(yōu)方 案；對(duì)初始值依賴性較強(qiáng)；一般只能得到局部最優(yōu)解。 ( 3 ) 隨機(jī)搜索優(yōu)化方法 1 ) 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法是將優(yōu)化問題的目標(biāo)函數(shù)和約束條件映射到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)動(dòng)力系 統(tǒng)，利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)力系統(tǒng)演化機(jī)制，搜索到局部最優(yōu)解，將最優(yōu)解映 射為動(dòng)力系統(tǒng)平衡點(diǎn)。 1 9 世紀(jì)8 0 年代，h o p f i e l d 成功將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用在組合優(yōu)化問題中。之后國 內(nèi)外學(xué)者將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于給水管網(wǎng)優(yōu)化中。2 0 0 2 年，周榮敏【l6 】用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn) 行重力樹狀管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)。目前將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法用于環(huán)狀管網(wǎng)方面的研究較少。 2 ) 蟻群算法 蟻群算法( a c o a s ) 是由意大利學(xué)者d o r i g o 于19 9 6 年提出的一種模擬螞蟻尋 食行為的算法【1 1 7 1 。其基本原理是基于螞蟻能找到在他們的巢穴和食物源之間的 最短的線路。該算法能夠智能搜索、全局優(yōu)化，且易與其它算法結(jié)合。但有以 下缺點(diǎn)：1 ) 當(dāng)規(guī)模較大時(shí)，算法效率下降得很快，需要較長的搜索時(shí)間；2 ) 容易 出現(xiàn)停滯現(xiàn)象，即搜索到一定程度后，所有個(gè)體所發(fā)現(xiàn)的解完全一致，不能對(duì) 解空間進(jìn)一步進(jìn)行搜索，不利于發(fā)現(xiàn)更好的解，從而容易陷入局部最優(yōu)。 3 ) 遺傳算法 遺傳算法( g a ) 近年來被認(rèn)為是管網(wǎng)優(yōu)化技術(shù)的飛躍，它通過模擬自然界生 物種群的遺傳和自然選擇機(jī)制，隨機(jī)搜索最優(yōu)解。1 9 7 5 年，h o l l a n d 提出了遺傳 算法的概念和方法，1 9 8 7 年，g o l d b e r g 將這一算法應(yīng)用于管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)中。 上世紀(jì)末以來，m u r p h y 和s i m p s o n 等人先后將遺傳算法用于管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì) 問題，以費(fèi)用最低為目標(biāo)函數(shù)，用標(biāo)準(zhǔn)管徑作為決策變量，采用二進(jìn)制編碼方 式。國內(nèi)方面，王文遠(yuǎn)【18 1 、呂縊【1 9 1 、鄒林和馬光文【2 0 】、周榮敏 2 1 1 等人于2 0 0 0 年前后先后以標(biāo)準(zhǔn)管徑為決策變量，采用遺傳算法進(jìn)行環(huán)狀管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)計(jì)算。 1 緒論 因此，遺傳算法是以標(biāo)準(zhǔn)管徑為決策變量的，對(duì)其采用一定的編碼方式， 通過選擇、交叉和變異等操作，求得最優(yōu)解。它的優(yōu)勢主要在于：1 ) 該算法不 受可微、可導(dǎo)、連續(xù)等數(shù)學(xué)處理方式的限制；2 ) 以離散的標(biāo)準(zhǔn)管徑為決策變量 避免了非線性規(guī)劃法需對(duì)連續(xù)管徑進(jìn)行“圓整 帶來的偏差；3 ) 該算法是一種 隨機(jī)搜索過程，不會(huì)形成局部最優(yōu)解；4 ) 用該算法進(jìn)行管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，一次 可以得到幾種不同的接近最低造價(jià)的方案，可再根據(jù)其他要求選取合適的方案。 該算法也存在一些缺陷，如遺傳算法的早熟現(xiàn)象、適應(yīng)度值難以標(biāo)定、接近最 優(yōu)解時(shí)收斂很慢等。 常用基本遺傳算法進(jìn)行管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，通常采用二進(jìn)制編碼，這種編碼 方式存在編碼冗余的缺點(diǎn)，且在水力計(jì)算時(shí)需進(jìn)行譯碼，影響算法的性能和實(shí) 用性。為了避免這種問題，采用基于整數(shù)編碼和實(shí)數(shù)編碼的改進(jìn)的遺傳算法。 改進(jìn)后的遺傳算法尋優(yōu)能力有較大提高。周榮敏采用基于整數(shù)編碼的改進(jìn)遺傳 算法對(duì)環(huán)狀管網(wǎng)優(yōu)化模型求解【2 2 1 ，既避免了編碼冗余問題還在較大解空間范圍 內(nèi)獲得最優(yōu)管徑組合方案從而實(shí)現(xiàn)盡可能小的管網(wǎng)投資。廖青桃和俞國平采用 改進(jìn)遺傳算法通過引入啟發(fā)式的選擇、交叉和變異算子，提高了求解效率，改 善了求解結(jié)果【23 。但這些環(huán)狀管網(wǎng)優(yōu)化的遺傳算法存在的最大問題是沒有對(duì)初 始流量進(jìn)行優(yōu)化分配。 4 ) 模擬退火算法 模擬退火算法( s a ) 是k i r k p a t r i c k 于1 9 8 3 年提出的一種模擬金屬退火，并將 物理退火過程與組合優(yōu)化相結(jié)合的一種隨機(jī)迭代尋求最優(yōu)結(jié)果的算法。對(duì)于給 水管網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)問題，模擬退火算法理論上可以找到整體最優(yōu)解。但實(shí)際運(yùn) 用中，由于控制參數(shù)值的選定至今還沒有一個(gè)比較成熟可靠的標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)優(yōu)化結(jié) 果影響較大。 目前將模擬退火法與其他方法結(jié)合使用是一種新趨勢，典型的是與遺傳算 法結(jié)合形成遺傳退火算法。它兼顧了遺傳算法的啟發(fā)式搜索和退火算法的接受 逆優(yōu)化解的尋優(yōu)特點(diǎn)，使得計(jì)算過程更加智能化，是未來優(yōu)化方法的發(fā)展方向。 但目前應(yīng)用還不夠成熟。 1 3 本課題主要研究內(nèi)容 ( 1 ) 建立全面的給水管網(wǎng)改擴(kuò)建優(yōu)化設(shè)計(jì)模型 6 1 緒論 管網(wǎng)改擴(kuò)建優(yōu)化設(shè)計(jì)模型中的多個(gè)經(jīng)濟(jì)技術(shù)參數(shù)的確定直接影響優(yōu)化結(jié) 果。因此，應(yīng)從實(shí)際出發(fā)綜合分析，合理確定多個(gè)參數(shù)，其中包括提出新的管 道造價(jià)模型、資金時(shí)間價(jià)值的考慮、年費(fèi)用折算值中的時(shí)間t 的討論、管網(wǎng)折 舊及大修費(fèi)用的確定以及供水能量變化系數(shù)的確定。本文還考慮了管道造價(jià)、 電費(fèi)、舊管網(wǎng)阻力系數(shù)等因逐年發(fā)生變化對(duì)模型的影響。 ( 2 ) 分析并改造舊管道與擴(kuò)建管道統(tǒng)一進(jìn)行優(yōu)化 對(duì)現(xiàn)有的舊管道進(jìn)行分析，若舊管道規(guī)劃設(shè)計(jì)不合理或因使用年限較長、 內(nèi)外壁腐蝕嚴(yán)重則需進(jìn)行優(yōu)化改造。在舊管網(wǎng)基礎(chǔ)上擴(kuò)建新管網(wǎng)，考慮舊管網(wǎng) 阻力系數(shù)的變化對(duì)新建管網(wǎng)的制約。通過考慮各種因素建立起符合工程實(shí)際的 管網(wǎng)改擴(kuò)建優(yōu)化設(shè)計(jì)模型，使管網(wǎng)擴(kuò)建后整個(gè)管網(wǎng)系統(tǒng)相互影響、相互制約， 統(tǒng)一協(xié)調(diào)運(yùn)行。 ( 3 ) 將管網(wǎng)改擴(kuò)建優(yōu)化設(shè)計(jì)與水廠泵站節(jié)能改造和優(yōu)化運(yùn)行調(diào)度相結(jié)合 管網(wǎng)改擴(kuò)建優(yōu)化設(shè)計(jì)受到現(xiàn)有水廠供水能力制約，現(xiàn)有水泵機(jī)組能否發(fā)揮 管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)效果尚需進(jìn)行分析，因此需構(gòu)建一個(gè)完善的管網(wǎng)改擴(kuò)建優(yōu) 化設(shè)計(jì)模型，使得在管網(wǎng)改擴(kuò)建優(yōu)化設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上充分發(fā)揮現(xiàn)有機(jī)組供水能力， 而且最大程度地達(dá)到節(jié)能降耗的效果。 ( 4 ) 充分考慮新舊管網(wǎng)不同的約束要求，并完善約束條件。 管網(wǎng)的改擴(kuò)建是在舊管網(wǎng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行的改造和擴(kuò)建，因此需要考慮舊管 網(wǎng)運(yùn)行現(xiàn)狀特性對(duì)整個(gè)管網(wǎng)的安全性、可靠性以及水質(zhì)要求的制約等問題，區(qū) 別舊管網(wǎng)和新擴(kuò)建管網(wǎng)的不同要求。 ( 5 ) 合理選用管網(wǎng)改擴(kuò)建優(yōu)化設(shè)計(jì)模型的求解算法 本文在總結(jié)前人給水管網(wǎng)優(yōu)化算法的基礎(chǔ)上，采用基于整數(shù)編碼的改進(jìn)遺 傳算法對(duì)給水管網(wǎng)管徑進(jìn)行優(yōu)化。該算法可以避免編碼冗余問題，使算法更加 簡便易用，且計(jì)算效率較高。實(shí)際應(yīng)用該算法時(shí)為保證得到最優(yōu)結(jié)果，采用隨 機(jī)數(shù)產(chǎn)生不同的變異率，選取管網(wǎng)造價(jià)最低且水力性能較優(yōu)的最佳管徑組合方 案作為最終改擴(kuò)建設(shè)計(jì)方案。 7 2 給水管網(wǎng)改擴(kuò)建優(yōu)化設(shè)計(jì)理論及建模 2 給水管網(wǎng)改擴(kuò)建優(yōu)化設(shè)計(jì)理論及建模 2 1 給水管網(wǎng)水力計(jì)算理論 給水管網(wǎng)水力計(jì)算是進(jìn)行管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的依據(jù)以及對(duì)管網(wǎng)運(yùn)行時(shí)的各種工 況進(jìn)行分析的基礎(chǔ)【4 5 1 。水力計(jì)算是在管網(wǎng)布置方案確定后，對(duì)管段流量、流速、 管徑及水頭損失等的計(jì)算。樹狀管網(wǎng)水力計(jì)算方法比較簡單，而環(huán)狀管網(wǎng)水力 計(jì)算方法很多，且比較復(fù)雜，但都是基于管網(wǎng)水力計(jì)算基礎(chǔ)方程。 2 1 1 管網(wǎng)水力計(jì)算的基礎(chǔ)方程 設(shè)p 為管網(wǎng)管段數(shù)，s 為水源數(shù)，為節(jié)點(diǎn)數(shù)，三為基環(huán)數(shù)，則未知量為尸 個(gè)管段流量g ，和水頭損失h 盯，s 個(gè)水源供水量和，個(gè)節(jié)點(diǎn)水壓日，。管網(wǎng)水力計(jì) 算的基礎(chǔ)方程有節(jié)點(diǎn)連續(xù)方程、壓降方程、能量方程。 ( 1 ) 節(jié)點(diǎn)連續(xù)方程 節(jié)點(diǎn)流量平衡條件為：對(duì)任一節(jié)點(diǎn)，流入該節(jié)點(diǎn)的流量等于流出該節(jié)點(diǎn)的 流量。連續(xù)性方程規(guī)定，流向節(jié)點(diǎn)的流量為負(fù)，流出為正。表示為： q ，+ ( g f ) = 0 ( 2 1 ) 式中：q 節(jié)點(diǎn)f 的流量( m 3 s ) ； g 玎管段f - 間的流量( m 3 s ) 。 由于管網(wǎng)總用水量已知并等于供水量，所以連續(xù)性方程中有一個(gè)方程為恒 定。節(jié)點(diǎn)數(shù)為，的管網(wǎng)，可寫出工1 個(gè)節(jié)點(diǎn)連續(xù)性方程。 ( 2 ) 壓降方程 壓降方程又叫水頭損失方程，表示管段水頭損失與其兩端節(jié)點(diǎn)水壓的關(guān)系。 根據(jù)能量守恒定律，管線兩端節(jié)點(diǎn)間的水頭損失等于該管段兩端節(jié)點(diǎn)水壓差。 管網(wǎng)計(jì)算時(shí)，一般不計(jì)局部水頭損失。若只計(jì)沿程水頭損失，管段流量g ，和水 頭損失廳，的關(guān)系表示如下： h o = h f h ，=