給水管網(wǎng)改擴(kuò)建畢業(yè)設(shè)計(jì)開題報(bào)告.

1、畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）題 目 某城市智慧城市給水管網(wǎng)改擴(kuò)建優(yōu)化設(shè)計(jì)專 業(yè)給水排水工程班 級(jí) 學(xué) 生指導(dǎo)教師 教授2014 年i畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）課題來源、類型課題來源：本課題來源于工程實(shí)際，屬克拉瑪依供水系統(tǒng)改造工程的一部 分，克拉瑪依改水管網(wǎng)優(yōu)化改擴(kuò)建。全市主要水源有風(fēng)城高庫、白楊河水庫、黃羊泉水庫、西郊水庫、三坪水庫、調(diào)節(jié)水庫六處地表水源，還有黃羊泉水源地 和百口泉水源地兩處地下水源。 用水經(jīng)過西干渠、風(fēng)克干渠、白克明渠三處干渠 流入市區(qū)，供城市使用。全市常住人口為 391008人，本設(shè)計(jì)為滿足城市供水， 主要對(duì)舊城區(qū)管網(wǎng)進(jìn)行改造優(yōu)化， 并對(duì)新城區(qū)進(jìn)行管網(wǎng)統(tǒng)一鋪設(shè)，以滿足城市人 口用水。課題類型：

2、本課題屬于工程設(shè)計(jì)性論文。二、選題的目的及意義2.1舊城市管網(wǎng)存在的問題舊城給水管網(wǎng)改造勢(shì)在必行幾十年來 ，我國(guó)給水事業(yè)的迅速發(fā)展.各地城 市均具規(guī)模。城市給水管網(wǎng)在其新建成的一定時(shí)期內(nèi)，其供水能力是可以滿足用 戶用水要求的.由于給水工程在工業(yè)建設(shè)和人民生活中占有重要地位，隨著城市的發(fā)展、用水人口的不斷增加和人民生活水平的曰益提高 ，城市用水量急劇增長(zhǎng)， 給水管網(wǎng)供水能力逐漸不能適應(yīng)用水量增長(zhǎng)的需要。同時(shí)，由于給水管網(wǎng)規(guī)模的 不斷擴(kuò)大、管線改造、鋪設(shè)缺乏統(tǒng)一規(guī)劃，大規(guī)模給水管網(wǎng)系統(tǒng)在管線連接、構(gòu) 筑物設(shè)置等方面存在諸多不合理之處 ，增大了供水能耗，并使部分供水區(qū)域水量 欠缺、低壓區(qū)不斷擴(kuò)大、供

3、水安全性降低。這一系列問題成為我國(guó)各城市面臨的 供水管網(wǎng)擴(kuò)建優(yōu)化的重大問題和難題。城市給水設(shè)施屬市政基礎(chǔ)設(shè)施，給水管網(wǎng)是給水設(shè)施的主要組成部分。舊城給水管網(wǎng)改造對(duì)管網(wǎng)的安全運(yùn)行、 適用與經(jīng)濟(jì) 至關(guān)重要。2.2管網(wǎng)改擴(kuò)建的目的目前，我國(guó)好多城市給水管網(wǎng)存在很多問題。大多城市的供水歷史較長(zhǎng)， 供水管網(wǎng)中不少管道鋪設(shè)時(shí)間較長(zhǎng)， 這些管道的銹蝕和結(jié)垢嚴(yán)重，易爆管，影響 到供水水質(zhì)和供水安全。近年來，一些居民住宅區(qū)由于規(guī)模擴(kuò)大， 人口增加和生 活水平的提高，引起用水量大幅度增加，導(dǎo)致原有配水管道管徑偏小，出現(xiàn)小區(qū) 附近輸水干管壓力正常，而小區(qū)內(nèi)部供水壓力不足的現(xiàn)象。 由于城市周邊地帶的 開發(fā)和近郊農(nóng)村的

4、城市化進(jìn)程，原有供水管已不能滿足需求，極需擴(kuò)大向城市周 邊地區(qū)的供水能力。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和人民生活水平的不斷提高，城市化建設(shè)的速度 和規(guī)模也越來越快，使得城市用水量不斷的遞增。全國(guó)各個(gè)城市每年都要投入相 當(dāng)數(shù)量的資金用于現(xiàn)有給水輸配系統(tǒng)的新建、 改造和擴(kuò)建。城市人口的不斷增大， 使給水規(guī)模不斷擴(kuò)大，同時(shí)城市供水系統(tǒng)的電耗也越來越大。 因此，改善管網(wǎng)運(yùn) 行狀況，降低供水電耗，不僅可以緩解國(guó)家能源緊張的局面， 而且可以提高供水 企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。所以，我們有必要對(duì)城市的給水管網(wǎng)進(jìn)行擴(kuò)建優(yōu)化， 這樣不僅 可以解決城市擴(kuò)張、人口增加給城市帶來的問題， 還可以保證供水水質(zhì)和供水安 全，同時(shí)經(jīng)過優(yōu)化

5、的給水管網(wǎng)還可以減少供水成本， 節(jié)約能源，使國(guó)家的資金發(fā) 揮更好的經(jīng)濟(jì)效益2.3管網(wǎng)改擴(kuò)建的意義管網(wǎng)改擴(kuò)建的主要目的是在滿足供水要求的前提下，使管網(wǎng)運(yùn)行更加經(jīng)濟(jì)，所以解決舊城市給水系統(tǒng)的改擴(kuò)建和優(yōu)化已經(jīng)勢(shì)在必行。為了更好實(shí)現(xiàn)“兩個(gè)提高、三個(gè)降低”問（提高水質(zhì)、供水安全性，降低電耗、藥耗、漏耗 ）技術(shù)發(fā) 展目標(biāo)，針對(duì)城市的水量、水壓等信息及整個(gè)舊管網(wǎng)與泵站的配置來建立一定的 數(shù)學(xué)模型。引入先進(jìn)的計(jì)算機(jī)進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，通過現(xiàn)代的控制工程使給水系統(tǒng)在 最佳狀態(tài)下工作，不僅使系統(tǒng)安全可靠地滿足用戶所需的水量、 水壓和水質(zhì)，而 且要經(jīng)濟(jì)合理地進(jìn)行給水系統(tǒng)的調(diào)度管理和運(yùn)行。管網(wǎng)改擴(kuò)建不僅滿足了城市人 口對(duì)水

6、量、水質(zhì)、水壓的要求，還節(jié)約能源，降低供水成本。已經(jīng)是當(dāng)今我國(guó)舊 城市不可不實(shí)行的一項(xiàng)工程。三、本課題在國(guó)內(nèi)外的研究狀況及發(fā)展趨勢(shì)3.1.國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)對(duì)于管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)中的上述難點(diǎn)，我國(guó)學(xué)者也付出了不少的努力。王彤、趙洪賓、鞏馴冋等針對(duì)我國(guó)城市給水管網(wǎng)改擴(kuò)建過程中遇到的實(shí)際問題，提出了采用直接優(yōu)化方法一約束非線性混合離散變量規(guī)劃方法 （MDOD算法）進(jìn)行管網(wǎng)優(yōu) 化改擴(kuò)建模型的計(jì)算，從而確定出各改擴(kuò)建管段的最優(yōu)管徑和各水源最優(yōu)水量分 配。鄒林凹等提出了利用潰傳算法進(jìn)行給水管網(wǎng)管徑優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法。特點(diǎn)在于從多個(gè)初始點(diǎn)開始尋優(yōu)，并采用交迭和變異算子避免過早地收斂到局部最優(yōu)解，可獲得全局最優(yōu)解

7、，且不受初始值影響。遺傳算法對(duì)函數(shù)沒有專門限制，不必求導(dǎo)計(jì)算，算法及編程均簡(jiǎn)單，計(jì)算過程僅涉及目標(biāo)函數(shù)和約束條件的比較， 二進(jìn)制數(shù)與十進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換，約束條件不需要用設(shè)計(jì)變量的顯式表示。它能夠獲得 全局最優(yōu)解而不是局部最優(yōu)解，這是由于它的初始值不是一個(gè)點(diǎn)， 而是多個(gè)初始 點(diǎn)。這種多樣性的解一代又一代的被保留， 即使有些解收斂到局部最優(yōu)解， 而變 異過程又會(huì)隨機(jī)地產(chǎn)生出截然不同的解， 這樣，交迭和變異的有機(jī)結(jié)合會(huì)保證遺 傳算法收斂到全局最優(yōu)解。周云購等提出了一種給水管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，該方法分三段進(jìn)行，先用最 小二乘法分配管段通過流量，再用無條件極值法計(jì)算優(yōu)化管徑， 最后對(duì)計(jì)算管徑 按市場(chǎng)規(guī)格管徑取整

8、，這種方法具有實(shí)用、可靠、便于調(diào)整、計(jì)算快、易收斂等 優(yōu)點(diǎn)。王榮和12和顧國(guó)維問分析了我國(guó)目前給水管網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、運(yùn)行中存在的問 題，并對(duì)標(biāo)準(zhǔn)優(yōu)化技術(shù)沒有在實(shí)際工作中廣泛應(yīng)用的原因進(jìn)行分析，提出應(yīng)用優(yōu)選管徑法（枚舉技術(shù)）進(jìn)行給水管網(wǎng)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)計(jì)算，并編寫 WDO軟件系統(tǒng) 進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。與標(biāo)準(zhǔn)優(yōu)化技術(shù)相比較，有優(yōu)化結(jié)果準(zhǔn)確、實(shí)用性強(qiáng)、工程性強(qiáng)的特 點(diǎn)，尤其是可以同時(shí)進(jìn)行多種工況優(yōu)化。呂謀、趙洪賓19等根據(jù)給水管網(wǎng)的水力特性，構(gòu)造了以管段壓力及管段流 量為求解變量的優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)函數(shù)，利用線性約束的特點(diǎn)，采用了優(yōu)化效率明顯 的簡(jiǎn)約梯度法進(jìn)行計(jì)算，通過目標(biāo)函數(shù)變換，一次性解決了圓整地難題。 王圃12 等

9、對(duì)傳統(tǒng)遺傳算法存在的問題提出了改進(jìn)意見， 并將改進(jìn)遺傳算法應(yīng)用于城市給 水管網(wǎng)優(yōu)化，使之在收斂速度和計(jì)算結(jié)果方面都優(yōu)于傳統(tǒng)算法。2006 年,儲(chǔ)誠(chéng)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。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。 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) 嫡值指數(shù)度量管網(wǎng)流量分配均勻程度。我國(guó)給水管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究最近幾年也取得很大進(jìn)展。天津大學(xué)、同濟(jì)大 學(xué)、湖南大學(xué)、重慶大學(xué)等對(duì)給水管網(wǎng)改擴(kuò)建研究進(jìn)行了較多的理論研究瞄。許多專家和學(xué)

10、者對(duì)管網(wǎng)設(shè)計(jì)中諸如經(jīng)濟(jì)流速，加壓泵站和水庫的選址、容量選擇等 作了有益的探討，并對(duì)流量分配進(jìn)行了研究；方永忠用生成樹變換法求輸配水系統(tǒng)最短供水路線，解決了多水源輸配水系統(tǒng)中有一個(gè)以上節(jié)點(diǎn)流量為負(fù)值的最短 供水路線問題；王榮和、顧國(guó)維等編制 HYPNW和PCAD件系統(tǒng)，建立了青島高 科技開發(fā)園區(qū)給水管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)模型，該模型屬地形起伏大、水源多、分區(qū)供水的大型給水管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型， 并對(duì)輸入、輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行特殊處理，建立圖 形菜單和數(shù)據(jù)庫，繪制水力計(jì)算成果圖、等壓線圖，并且在給定平面圖的情況下 自動(dòng)生成縱剖面圖。32國(guó)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)自從二十世紀(jì)六十年代人們就開始應(yīng)用系統(tǒng)分析方法設(shè)計(jì)給水管網(wǎng)

11、，并將優(yōu)化程序應(yīng)用于其中。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。最早的給水管網(wǎng)優(yōu)化模型是針對(duì)樹狀網(wǎng)建立的，如Kanneli(1968)等人的模型，這些模型能夠獲得全局最優(yōu)解，但是模型僅僅適用于樹狀網(wǎng)，不利于實(shí)際 工程運(yùn)用。1977 年和1981年Alperovits ，shamirt等人開始使用線形規(guī)劃法求解管網(wǎng)優(yōu)化問題，即使用梯度搜索方法尋找在滿足環(huán)狀網(wǎng)約束條件下，目標(biāo)函數(shù)(投資)最小的管網(wǎng)，此模型能夠方便的求解環(huán)狀網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)，引起了當(dāng)

12、時(shí)學(xué)術(shù)界的 極大地重視。但是線形規(guī)劃法也存在不足之處， 首先，這些模型難于求解變量和 用水情況較為復(fù)雜的管網(wǎng)優(yōu)化問題； 第二，管網(wǎng)優(yōu)化結(jié)果往往趨向于樹狀網(wǎng)。 設(shè) 計(jì)結(jié)果中管網(wǎng)的環(huán)狀形式是由一些較小管徑的管段連接較大管徑的樹狀網(wǎng)管段 形成的。因而模型的尋優(yōu)過程是通過去除系統(tǒng)的某些冗余條件為前提而實(shí)現(xiàn)的， 這些冗余條件在某些特定用水情況下是可以不予滿足的，但是在管網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行過程中的多用水情況下，這些冗余條件必須滿足。1985 年 Morgan和 Goultoru 基于線形規(guī)戈U方法提出了一個(gè)兩步式試探步驟： 通過模擬管網(wǎng)中多種用水情況，求出管網(wǎng)的各種水力條件：搜索新的 水力條件使管網(wǎng)投資最少，然后

13、不斷優(yōu)化同樣的步驟，求得最優(yōu)解。1989年 Lansey 和 Mayu應(yīng)用非線形規(guī)戈U方法，在考慮了布置泵站、蓄水池、閥門等的情況下，求解管網(wǎng)優(yōu)化模型，更加準(zhǔn)確地反映了管網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行情況。 實(shí)際上，該模型是對(duì)以前優(yōu)化模型的一個(gè)概括，實(shí)用性很廣，能適用于枝狀、環(huán) 狀管網(wǎng)，缺點(diǎn)在于沒有考慮管網(wǎng)的可靠性。1999 年,Hyun Gonshin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 ；2005年,Z.Y.WU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。2002年Janyimboh建立的模型以管網(wǎng)建造費(fèi)

14、用和管網(wǎng)信息墑為目標(biāo)函數(shù)通過管網(wǎng)信息嫡度量管網(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。 之后,Prasad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。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)系現(xiàn)代優(yōu)化算法包括神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法、模擬退火和拉格朗日松弛等算法。 這些算法涉及神經(jīng)系統(tǒng)、生物進(jìn)化、人工智能、數(shù)學(xué)和物理科學(xué)和統(tǒng)計(jì)力學(xué)等概 念，都是以一定的直觀基礎(chǔ)而構(gòu)造的算法，因而又被稱之為啟發(fā)式算法。 啟發(fā)式算法是相對(duì)于最優(yōu)算法提出的概念， 它是一種基于直觀或經(jīng)驗(yàn)構(gòu)

15、造的算法， 在可 接受的花費(fèi)（上機(jī)計(jì)算時(shí)間、占用內(nèi)存）下給出問題的一個(gè)近似最優(yōu)解。1987年 Goldberg開始應(yīng)用遺傳算法求解管網(wǎng)優(yōu)化模型，隨后Simps on等也分別建立遺傳模型并取得了良好的效果。遺傳算法的應(yīng)用，引起了學(xué)術(shù)界對(duì)現(xiàn)代優(yōu)化算法的 極大重視，紛紛進(jìn)行研究，推動(dòng)了給水管網(wǎng)優(yōu)化模型研究的進(jìn)步。33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、

16、蟻群算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法）三個(gè)階段。目前常 用的幾種算法。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

17、，以標(biāo)準(zhǔn)管徑為變量計(jì)算結(jié)果不需要調(diào)整。 1971年丄iang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,Kwang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。魏永耀、劉子沛 先后用動(dòng)態(tài)規(guī)劃法求解簡(jiǎn)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(jiǎn)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11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

18、都是非線性模型，因?yàn)榇朔N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Jacoby,他采用數(shù)值梯度技術(shù)對(duì)簡(jiǎn)單環(huán)狀管網(wǎng)的非線性模型進(jìn)行求解。1987年,Su采用簡(jiǎn)約梯度法對(duì)以可靠性為 約束的環(huán)狀管網(wǎng)非線性模型進(jìn)行求解。隨后丄ansey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(guó)內(nèi)方面，1983年,魏永耀利用微分法對(duì)樹狀管網(wǎng)非線性規(guī)劃模 型進(jìn)行求解。俞國(guó)平提出用廣義簡(jiǎn)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

19、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)化冋題的 目標(biāo)函數(shù)和約束條件映射至U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)。19 世紀(jì)80年代,Hopfield 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(guó) 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。 2002年，周榮敏用神經(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（ACOAs）11

20、是由意大利學(xué)者 Dorigo于19和提出的一種模擬螞蟻 尋食行為的算法。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(zhǎng)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21 （GA）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。1975年,Holland 提出了遺傳 算法的概念和方法，198

21、7年,Goldberg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，Murp勿和Simpson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(guó)內(nèi)方面， 王文遠(yuǎn)、呂糯、鄒林和馬光文、周榮敏等人于2000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。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(shì)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

22、）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，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

23、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(guó)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。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）模擬退火算法阿模擬退火算法（SA）是Kirkp時(shí)rick于1983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(shì) ，典型的是與遺傳

24、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。四、本課題主要研究?jī)?nèi)容(1) 、新城區(qū)供水方案的確定(2) 、新城區(qū)給水管網(wǎng)定線(3) 、新城區(qū)設(shè)計(jì)流量計(jì)算(用水定額、生活用水設(shè)計(jì)流量組成和計(jì)算、用水量 預(yù)測(cè))(4) 、新城區(qū)沿線流量、節(jié)點(diǎn)流量計(jì)算(5) 、流量分配，初選管徑(6) 、新城區(qū)管網(wǎng)平差計(jì)算(7) 、新城區(qū)水壓確定及水泵的選取(8) 、分析并改造舊管道，并與擴(kuò)建管道統(tǒng)一進(jìn)行校核 (事故、消防、最大轉(zhuǎn)輸)(9) 、改造后舊管道與擴(kuò)建管道統(tǒng)一進(jìn)行經(jīng)濟(jì)計(jì)算(10) 、建

25、立輸水系統(tǒng)優(yōu)化模型，確定優(yōu)化方程，求解優(yōu)化方程(11) 、優(yōu)化設(shè)計(jì)與常規(guī)設(shè)計(jì)結(jié)果比較。五、完成論文的條件和擬采用的研究手段(途徑)(1) 文獻(xiàn)研究法：通過閱讀中、外文獻(xiàn)，調(diào)查研究與收集有關(guān)資料，擬定設(shè)計(jì)方案，在經(jīng)綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析，選擇合理的設(shè)計(jì)方案。(2) 比較分析法：了解市場(chǎng)的管材、管件，選擇經(jīng)濟(jì)合理的管材、管件，以及水泵等。分析比較設(shè)計(jì)出相對(duì)經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的材料，管線及管網(wǎng)附屬構(gòu)筑物盡可能占地少、施工簡(jiǎn)單。(3) 數(shù)學(xué)方法：給水管網(wǎng)閉合差指的是：在管網(wǎng)管徑已知的情況下，不斷調(diào)整管網(wǎng)的初分流量，使環(huán)狀管網(wǎng)的閉合差滿足精度要求，從而確定管網(wǎng)的流量的計(jì)算過程。給水環(huán)狀管網(wǎng)閉合差理論上應(yīng)該等于 0,但實(shí)

26、際由于流量分配的問題， 在計(jì)算的時(shí)候各管段水頭損失的誤差，導(dǎo)致閉合差不等于 0,計(jì)算時(shí)要求一個(gè)精 度值，手工計(jì)算小環(huán)小于 0.5米，大環(huán)小于1米。計(jì)算機(jī)要求的精度更高。 計(jì)算公式：柯爾-勃洛克公式匸 入 W2/(2.0*g*D)1.0/ X A0.5=-2.0*lgk/(3.7*D)+2.5/(Re*A0.5)Re=V*D/ v給水管徑計(jì)算公式(1) 給水管徑計(jì)算公式一：D=出石WD管道的計(jì)算內(nèi)徑(單位：米)V 秒- 通過管道的流量(單位：米 3/秒)n 常數(shù)：3.14(2) 給水管徑計(jì)算公式二：式中：D I -某一管段的供水直徑（mm）Q i -該管段的用水量（L/s）卩-管網(wǎng)中水流速度（m

27、；一般取經(jīng)濟(jì)流速1.52.0米.根據(jù)計(jì)算而得的某一管段的最大用水量再將卩=1.5m/s和2.0m/s分別代入公式，則可計(jì)算出兩個(gè)管徑，選擇兩個(gè)計(jì)算管徑中間的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格的水管即可； 如 果沒有這種規(guī)格的水管，也可選用直徑接近的水管。（3）給水管徑計(jì)算公式三：標(biāo)稱管徑 DN的單位 mM毫米）、流速 u 的單位 m/s （米/秒）、流量 q 的單位 m3/h（立方米/小時(shí)）。給水允許流速 u: DN500時(shí)，u為0.51.5m/s、DN 500 時(shí)，u 為 1.5 3m/s。管徑計(jì)算公式：d=18.8x （q/uF（0.5）=18.8x sqrt （q/u）根據(jù)d的數(shù)值選擇與其最接近的標(biāo)稱管徑的給水管

28、。 實(shí)踐操作法：畢業(yè)設(shè)計(jì)圖紙要求用 AutoCad繪制，應(yīng)能較準(zhǔn)確地表達(dá)設(shè)計(jì)意 圖，圖面力求布局合理、緊湊、正確清晰，符合專業(yè)制圖標(biāo)準(zhǔn)、專業(yè)規(guī)范及有 關(guān)規(guī)定。較復(fù)雜的設(shè)計(jì)計(jì)算需用計(jì)算機(jī)進(jìn)行的，自己動(dòng)手編制計(jì)算機(jī)程序解決設(shè)計(jì)中某些問題。六、本課題進(jìn)度安排、各階段預(yù)期達(dá)到的目標(biāo)2014年2月23 3月1: 了解論文主要目的，杳看文獻(xiàn)2014年3月02 08:制定論文主要內(nèi)容，翻譯英文文獻(xiàn)2014年03月915: 了解項(xiàng)目概況，舊城區(qū)了解、擴(kuò)建新區(qū)了解、舊管網(wǎng)資料了解、水源地了解2014年03月1622:完成開題報(bào)告2014年03月2329:管網(wǎng)優(yōu)化模型的研究2014年03月3004月05:現(xiàn)有城區(qū)

29、舊管網(wǎng)的布局優(yōu)化2014年04月0612:當(dāng)?shù)財(cái)U(kuò)建新城區(qū)地形研究、繪制新城區(qū)舊區(qū)地質(zhì)地勘2014年04月1319:結(jié)合舊區(qū)進(jìn)行擴(kuò)建新區(qū)管網(wǎng)的布置2014年04月2026:新建管網(wǎng)節(jié)點(diǎn)流量的確定2014年04月2705月03:管道造價(jià)公式的確定2014年05月0410:管道造價(jià)公式擬合系數(shù)的確定2014年05月11 17:模擬目標(biāo)函數(shù)的構(gòu)建，約束方程的建立2014年05月1824:模型的求解（編程實(shí)現(xiàn)優(yōu)化算法的求解）2014年05月2531:對(duì)比優(yōu)化結(jié)果2014年06月01 07:編寫論文初稿2014年06月0814:修改論文七、參考文獻(xiàn)：【1】嚴(yán)煦世、范謹(jǐn)初，給水工程M，第四版，中國(guó)建筑工業(yè)版

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