某城市智慧城市給水管網(wǎng)改擴建優(yōu)化設(shè)計開題報告.doc

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畢業(yè)設(shè)計（論文） 題 目 某城市智慧城市給水管網(wǎng)改擴建優(yōu)化設(shè)計 專 業(yè) 給水排水工程 班 級 學(xué) 生 指導(dǎo)教師 教授 2014 年 一、 畢業(yè)設(shè)計(論文)課題來源、類型 課題來源：本課題來源于工程實際，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)計為滿足城市供水，主要對舊城區(qū)管網(wǎng)進行改造優(yōu)化，并對新城區(qū)進行管網(wǎng)統(tǒng)一鋪設(shè)，以滿足城市人口用水。 課題類型：本課題屬于工程設(shè)計性論文。 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)改造勢在必行幾十年來,我國給水事業(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日益提高,城市用水量急劇增長,給水管網(wǎng)供水能力逐漸不能適應(yīng)用水量增長的需要。同時,由于給水管網(wǎng)規(guī)模的不斷擴大、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)不斷擴大、供水安全性降低。這一系列問題成為我國各城市面臨的供水管網(wǎng)擴建優(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)改造對管網(wǎng)的安全運行、適用與經(jīng)濟至關(guān)重要。 2.2管網(wǎng)改擴建的目的 目前，我國好多城市給水管網(wǎng)存在很多問題。大多城市的供水歷史較長，供水管網(wǎng)中不少管道鋪設(shè)時間較長，這些管道的銹蝕和結(jié)垢嚴重，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)村的城市化進程，原有供水管已不能滿足需求，極需擴大向城市周邊地區(qū)的供水能力。 隨著我國經(jīng)濟的快速發(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。全國各個城市每年都要投入相當數(shù)量的資金用于現(xiàn)有給水輸配系統(tǒng)的新建、改造和擴建。城市人口的不斷增大，使給水規(guī)模不斷擴大，同時城市供水系統(tǒng)的電耗也越來越大。因此，改善管網(wǎng)運行狀況，降低供水電耗，不僅可以緩解國家能源緊張的局面，而且可以提高供水企業(yè)的經(jīng)濟效益。所以，我們有必要對城市的給水管網(wǎng)進行擴建優(yōu)化，這樣不僅可以解決城市擴張、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，同時經(jīng)過優(yōu)化的給水管網(wǎng)還可以減少供水成本，節(jié)約能源，使國家的資金發(fā)揮更好的經(jīng)濟效益。 2.3管網(wǎng)改擴建的意義 管網(wǎng)改擴建的主要目的是在滿足供水要求的前提下，使管網(wǎng)運行更加經(jīng)濟，所以解決舊城市給水系統(tǒng)的改擴建和優(yōu)化已經(jīng)勢在必行。為了更好實現(xiàn)“兩個提高、三個降低”[8](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，針對城市的水量、水壓等信息及整個舊管網(wǎng)與泵站的配置來建立一定的數(shù)學(xué)模型。引入先進的計算機進行優(yōu)化計算，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)濟合理地進行給水系統(tǒng)的調(diào)度管理和運行。管網(wǎng)改擴建不僅滿足了城市人口對水量、水質(zhì)、水壓的要求，還節(jié)約能源，降低供水成本。已經(jīng)是當今我國舊城市不可不實行的一項工程。 三、 本課題在國內(nèi)外的研究狀況及發(fā)展趨勢 3.1.國內(nèi)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 對于管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計中的上述難點，我國學(xué)者也付出了不少的努力。王彤、趙洪賓、鞏馴[19]等針對我國城市給水管網(wǎng)改擴建過程中遇到的實際問題，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)進行管網(wǎng)優(yōu)化改擴建模型的計算，從而確定出各改擴建管段的最優(yōu)管徑和各水源最優(yōu)水量分配。 鄒林[19]等提出了利用遺傳算法進行給水管網(wǎng)管徑優(yōu)化設(shè)計的方法。特點在于從多個初始點開始尋優(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，且不受初始值影響。遺傳算法對函數(shù)沒有專門限制，不必求導(dǎo)計算，算法及編程均簡單，計算過程僅涉及目標函數(shù)和約束條件的比較，二進制數(shù)與十進制數(shù)轉(zhuǎn)換，約束條件不需要用設(shè)計變量的顯式表示。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點，而是多個初始點。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，而變異過程又會隨機地產(chǎn)生出截然不同的解，這樣，交迭和變異的有機結(jié)合會保證遺傳算法收斂到全局最優(yōu)解。 周云[19]等提出了一種給水管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計方法，該方法分三段進行，先用最小二乘法分配管段通過流量，再用無條件極值法計算優(yōu)化管徑，最后對計算管徑按市場規(guī)格管徑取整，這種方法具有實用、可靠、便于調(diào)整、計算快、易收斂等優(yōu)點。 王榮和[12]和顧國維[19]分析了我國目前給水管網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計、運行中存在的問題，并對標準優(yōu)化技術(shù)沒有在實際工作中廣泛應(yīng)用的原因進行分析，提出應(yīng)用優(yōu)選管徑法(枚舉技術(shù))進行給水管網(wǎng)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計計算，并編寫WDOC軟件系統(tǒng)進行實現(xiàn)。與標準優(yōu)化技術(shù)相比較，有優(yōu)化結(jié)果準確、實用性強、工程性強的特點，尤其是可以同時進行多種工況優(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)計目標函數(shù)，利用線性約束的特點，采用了優(yōu)化效率明顯的簡約梯度法進行計算，通過目標函數(shù)變換，一次性解決了圓整地難題。王圃[12]等對傳統(tǒng)遺傳算法存在的問題提出了改進意見，并將改進遺傳算法應(yīng)用于城市給水管網(wǎng)優(yōu)化，使之在收斂速度和計算結(jié)果方面都優(yōu)于傳統(tǒng)算法。 2006年,儲誠山[3]提出了以經(jīng)濟性和可靠性為目標的多目標優(yōu)化數(shù)學(xué)模型,將經(jīng)濟性定為管網(wǎng)年折算費用,可靠性定義為節(jié)點富余水頭加權(quán)平均值和管網(wǎng)恢復(fù)力。蔣懷德提出了以管網(wǎng)總費用年折算值最小、管網(wǎng)供水可靠度及供水均勻性為目標的多目標優(yōu)化設(shè)計模型。采用管網(wǎng)節(jié)點可利用水量作為可靠度指標、管網(wǎng)嫡值指數(shù)度量管網(wǎng)流量分配均勻程度。 我國給水管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計研究最近幾年也取得很大進展。天津大學(xué)、同濟大學(xué)、湖南大學(xué)、重慶大學(xué)等對給水管網(wǎng)改擴建研究進行了較多的理論研究瞄。許多專家和學(xué)者對管網(wǎng)設(shè)計中諸如經(jīng)濟流速，加壓泵站和水庫的選址、容量選擇等作了有益的探討，并對流量分配進行了研究；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)中有一個以上節(jié)點流量為負值的最短供水路線問題；王榮和、顧國維等編制HYPNW和PCAD軟件系統(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)計數(shù)學(xué)模型，并對輸入、輸出數(shù)據(jù)進行特殊處理，建立圖形菜單和數(shù)據(jù)庫，繪制水力計算成果圖、等壓線圖，并且在給定平面圖的情況下自動生成縱剖面圖。 3.2.國外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 自從二十世紀六十年代人們就開始應(yīng)用系統(tǒng)分析方法設(shè)計給水管網(wǎng)，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[8]首次在管網(wǎng)設(shè)計中引入了經(jīng)濟性的概念,提出以管網(wǎng)建造費用與運行費用之和為目標函數(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,實用價值不大,但具有開創(chuàng)意義。最早的給水管網(wǎng)優(yōu)化模型是針對樹狀網(wǎng)建立的，如Kanneli(1968)[3]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)，不利于實際工程運用。 1977年和1981年Alperovits，shamirt[8]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，引起了當時學(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)實際運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[3]基于線形規(guī)劃方法提出了一個兩步式試探步驟：(1)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：(2)搜索新的水力條件使管網(wǎng)投資最少，然后不斷優(yōu)化同樣的步驟，求得最優(yōu)解。 1989年Lansey[8]和Mayu應(yīng)用非線形規(guī)劃方法，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，更加準確地反映了管網(wǎng)實際運行情況。實際上，該模型是對以前優(yōu)化模型的一個概括，實用性很廣，能適用于枝狀、環(huán)狀管網(wǎng)，缺點在于沒有考慮管網(wǎng)的可靠性。 1999年,Hyun一Gonshin[3]通過對給水管網(wǎng)連接特點的分析,建立了以管段基建費用最小為目標的數(shù)學(xué)模型;2005年,Z.Y.WU[3]等人建立了以管網(wǎng)建造費用(包括管段、水箱、閥門和泵站)最小和節(jié)點自由水頭為目標函數(shù)的改擴建管網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計模型。 2002年,Janyimboh[3]建立的模型以管網(wǎng)建造費用和管網(wǎng)信息墑為目標函數(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)的運行費用。之后,Prasad[3]以管網(wǎng)建造費用為目標函數(shù),管網(wǎng)可靠度采用節(jié)點剩余能量與整個管網(wǎng)的供入能量和節(jié)點所需能量(此時要滿足節(jié)點最小水壓要求)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)、生物進化、人工智能、數(shù)學(xué)和物理科學(xué)和統(tǒng)計力學(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)式算法是相對于最優(yōu)算法提出的概念，它是一種基于直觀或經(jīng)驗構(gòu)造的算法，在可接受的花費(上機計算時間、占用內(nèi)存)下給出問題的一個近似最優(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Simpson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)界對現(xiàn)代優(yōu)化算法的極大重視，紛紛進行研究，推動了給水管網(wǎng)優(yōu)化模型研究的進步。 3.3.給水管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計模型求解算法研究進展 在給水管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計模型建立以后,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、動態(tài)規(guī)劃法和非線性規(guī)劃法)和隨機搜索算法(遺傳算法、模擬退火法、蟻群算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法)三個階段。目前常用的幾種算法。 (1)拉格朗日函數(shù)優(yōu)化法[8] 該方法主要用于求解以管徑和水頭損失為變量的單目標單工況優(yōu)化設(shè)計模型。應(yīng)用拉格朗日未定系數(shù)法,將目標函數(shù)進行轉(zhuǎn)換,然后用計算機進行求解。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 l)線性規(guī)劃法 線性規(guī)劃法[8]是在一組線性約束條件下,求某個線性目標函數(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,因此該算法應(yīng)用較少。 2)動態(tài)規(guī)劃法 動態(tài)規(guī)劃法[8]是一種求解多階段決策過程最優(yōu)化方法。該法對模型中的目標函數(shù)和約束條件的形式要求不高,以標準管徑為變量計算結(jié)果不需要調(diào)整。1971年,Liang采用動態(tài)規(guī)劃法對模型進行求解,所建模型以建造運行費用和整個系統(tǒng)的效率為目標函數(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)計中采用了動態(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,該方法對小型樹狀管網(wǎng)能得到最優(yōu)解;對于簡單的環(huán)狀管網(wǎng),需預(yù)先假設(shè)一組管徑并進行初始流量分配,將環(huán)狀網(wǎng)化為樹狀網(wǎng);對于復(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,尋求非線性目標函數(shù)的最大值或最小值。在管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計中,目前所建的模型基本都是非線性模型,因為此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)計的是Jacoby,他采用數(shù)值梯度技術(shù)對簡單環(huán)狀管網(wǎng)的非線性模型進行求解。1987年,Su采用簡約梯度法對以可靠性為約束的環(huán)狀管網(wǎng)非線性模型進行求解。隨后,Lansey用非線性規(guī)劃法進行管網(wǎng)優(yōu)化布置和設(shè)計。國內(nèi)方面,1983年,魏永耀利用微分法對樹狀管網(wǎng)非線性規(guī)劃模型進行求解。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、楊開林等人進行了改進,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)計變量為連續(xù)型,所得管徑結(jié)果需進行二次圓整,圓整后的管徑難以保證是最優(yōu)方案;對初始值依賴性較強;一般只能得到局部最優(yōu)解。 (3)隨機搜索優(yōu)化方法 l)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法[3]是將優(yōu)化問題的目標函數(shù)和約束條件映射到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)動力系統(tǒng),利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的動力系統(tǒng)演化機制,搜索到局部最優(yōu)解,將最優(yōu)解映射為動力系統(tǒng)平衡點。 19世紀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)進行重力樹狀管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計。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]是由意大利學(xué)者Dorigo于19%年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:1)當規(guī)模較大時,算法效率下降得很快,需要較長的搜索時間;2)容易出現(xiàn)停滯現(xiàn)象,即搜索到一定程度后,所有個體所發(fā)現(xiàn)的解完全一致,不能對解空間進一步進行搜索,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制,隨機搜索最優(yōu)解。1975年,Holland提出了遺傳算法的概念和方法,1987年,Goldberg將這一算法應(yīng)用于管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計中。上世紀末以來,Murp勿和Simpson等人先后將遺傳算法用于管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計問題,以費用最低為目標函數(shù),用標準管徑作為決策變量,采用二進制編碼方式。國內(nèi)方面,王文遠、呂糯、鄒林和馬光文、周榮敏等人于2000年前后先后以標準管徑為決策變量,采用遺傳算法進行環(huán)狀管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計計算。 因此,遺傳算法是以標準管徑為決策變量的,對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)以離散的標準管徑為決策變量避免了非線性規(guī)劃法需對連續(xù)管徑進行“圓整”帶來的偏差;3)該算法是一種隨機搜索過程,不會形成局部最優(yōu)解;4)用該算法進行管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計時,一次可以得到幾種不同的接近最低造價的方案,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)度值難以標定、接近最優(yōu)解時收斂很慢等。 常用基本遺傳算法進行管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計時,通常采用二進制編碼,這種編碼方式存在編碼冗余的缺點,且在水力計算時需進行譯碼,影響算法的性能和實用性。為了避免這種問題,采用基于整數(shù)編碼和實數(shù)編碼的改進的遺傳算法。改進后的遺傳算法尋優(yōu)能力有較大提高。周榮敏采用基于整數(shù)編碼的改進遺傳算法對環(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)管徑組合方案從而實現(xiàn)盡可能小的管網(wǎng)投資。廖青桃和俞國平采用改進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初始流量進行優(yōu)化分配。 4)模擬退火算法[18] 模擬退火算法(SA)是Kirkp時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)合的一種隨機迭代尋求最優(yōu)結(jié)果的算法。對于給水管網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計問題,模擬退火算法理論上可以找到整體最優(yōu)解。但實際運用中,由于控制參數(shù)值的選定至今還沒有一個比較成熟可靠的標準,對優(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,使得計算過程更加智能化,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、 本課題主要研究內(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)計流量計算（用水定額、生活用水設(shè)計流量組成和計算、用水量預(yù)測） （4）、新城區(qū)沿線流量、節(jié)點流量計算 （5）、流量分配，初選管徑 （6）、新城區(qū)管網(wǎng)平差計算 （7）、新城區(qū)水壓確定及水泵的選取 （8）、分析并改造舊管道，并與擴建管道統(tǒng)一進行校核（事故、消防、最大轉(zhuǎn)輸） （9）、改造后舊管道與擴建管道統(tǒng)一進行經(jīng)濟計算 （10)、建立輸水系統(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)計與常規(guī)設(shè)計結(jié)果比較。 五、 完成論文的條件和擬采用的研究手段（途徑） （1）文獻研究法：通過閱讀中、外文獻，調(diào)查研究與收集有關(guān)資料，擬定設(shè)計方案，在經(jīng)綜合技術(shù)經(jīng)濟分析，選擇合理的設(shè)計方案。 （2)比較分析法：了解市場的管材、管件，選擇經(jīng)濟合理的管材、管件，以及水泵等。分析比較設(shè)計出相對經(jīng)濟實惠的材料，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，但實際由于流量分配的問題，在計算的時候各管段水頭損失的誤差，導(dǎo)致閉合差不等于0，計算時要求一個精度值，手工計算小環(huán)小于0.5米，大環(huán)小于1米。計算機要求的精度更高。 計算公式： 柯爾－勃洛克公式 I=λ*V^2/(2.0*g*D) 1.0/λ^0.5=-2.0*lg[k/(3.7*D)+2.5/(Re*^0.5)] Re=V*D/ν 給水管徑計算公式 （1） 給水管徑計算公式一： D------- 管道的計算內(nèi)徑（單位：米） V秒----- 通過管道的流量（單位：米3/秒） π----- 常數(shù)：3.14 （2）給水管徑計算公式二： 式中: Dι----某一管段的供水直徑(mm) Qι----該管段的用水量(L/s) μ-----管網(wǎng)中水流速度(m/s);一般取經(jīng)濟流速1.5~2.0米. 根據(jù)計算而得的某一管段的最大用水量Qι，再將μ=1.5m/s和2.0m/s分別代入公式，則可計算出兩個管徑，選擇兩個計算管徑中間的標準規(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）給水管徑計算公式三： 標稱管徑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）。給水允許流速u：DN≥500時，u為0.5～1.5m/s、DN＜500時，u為1.5～3m/s。 管徑計算公式： d=18.8[(q/u)^(0.5)]=18.8[sqrt (q/u)] 根據(jù)d的數(shù)值選擇與其最接近的標稱管徑的給水管。 (4) 實踐操作法：畢業(yè)設(shè)計圖紙要求用AutoCad繪制，應(yīng)能較準確地表達設(shè)計意圖，圖面力求布局合理、緊湊、正確清晰，符合專業(yè)制圖標準、專業(yè)規(guī)范及有關(guān)規(guī)定。較復(fù)雜的設(shè)計計算需用計算機進行的，自己動手編制計算機程序解決設(shè)計中某些問題。 六、 本課題進度安排、各階段預(yù)期達到的目標 2014年2月23—3月1：了解論文主要目的，查看文獻 2014年3月02—08：制定論文主要內(nèi)容，翻譯英文文獻 2014年03月9—15：了解項目概況，舊城區(qū)了解、擴建新區(qū)了解、舊管網(wǎng)資料了解、水源地了解 2014年03月16—22：完成開題報告 2014年03月23—29：管網(wǎng)優(yōu)化模型的研究 2014年03月30—04月05：現(xiàn)有城區(qū)舊管網(wǎng)的布局優(yōu)化 2014年04月06—12：當?shù)財U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13—19: 結(jié)合舊區(qū)進行擴建新區(qū)管網(wǎng)的布置 2014年04月20—26: 新建管網(wǎng)節(jié)點流量的確定 2014年04月27—05月03：管道造價公式的確定 2014年05月04—10：管道造價公式擬合系數(shù)的確定 2014年05月11—17：模擬目標函數(shù)的構(gòu)建，約束方程的建立 2014年05月18—24：模型的求解（編程實現(xiàn)優(yōu)化算法的求解） 2014年05月25—31：對比優(yōu)化結(jié)果 2014年06月01—07：編寫論文初稿 2014年06月08—14：修改論文 七、 參考文獻： 【1】.嚴煦世 、范謹初，給水工程[M] ，第四版，中國建筑工業(yè)版社，2006.02 【2】.GB50013—2006室外給水設(shè)計規(guī)范[S] 【3】.李京京，夏龍興副教授，城市給水管網(wǎng)改擴建優(yōu)化設(shè)計模型研究[D] ，鄭州大學(xué)，碩士學(xué)位論文，2010年5月 【4】.管網(wǎng)最優(yōu)化理論與技術(shù)[J]，黃河水利出版社; 第1版 (2002年1月1日)，山西建筑 ，2009年23期 【5】.Wan Shanshan ，Sun Lei ，Department of Computer Science ，Beijing University of Civil Engineering and Architecture ，“Hybrid Intelligent Algorithm for Optimization Design of Annular Water Supply Network ”，2009[J] 【6】.Wenyan Wu ，F(xiàn)aculty of Computing, Engineering and Technology，Staffordshire University, Xi Jin ，Department of Municipal Engineering, ，Wuhan University of Technology, Jinliang Gao ，School of Municipal and Environment Engineering, ，Harbin Institute of Technology, “Multi-objective optimization of water supply network rehabilitation”，2009[J] 【7】.Faculty of Chemistry and Chemical Engineering，University of Maribor, Smetanova ul， 2000 Maribor，“Slovenia Optimisation of tree path pipe network with nonlinear optimisation method”[J] 【8】 傅維秀，《城市給水管網(wǎng)改擴建優(yōu)化設(shè)計方法研——以威海市某區(qū)給水管網(wǎng)改擴建工程為例》[D] ， 環(huán)境工程，碩士論文，2006 ，1 【9】莊寶玉，趙新華教授，區(qū)域供水管網(wǎng)規(guī)劃的優(yōu)化研究[D] ，天津大學(xué) ，碩士論文， 2012年 【10】王昊，趙新華教授，供水管網(wǎng)改造的優(yōu)化研究[D] ，天津大學(xué) ，碩士論文， 2009年 【11】許 剛，朱汶遷，吳金民，基于蟻群算法的給水管網(wǎng)改擴建優(yōu)化[J]，中國農(nóng)村水利水電，2006年第3期：67—69 【12】邢穎，呂炳南教授，黃島區(qū)供水管網(wǎng)優(yōu)化改擴建研究[D] ，哈爾濱工業(yè)大學(xué)，碩士論文，2012 年 7 月 【13】 張祥丹，給水管網(wǎng)擴建工程優(yōu)化設(shè)計方法探討[J]，工業(yè)用水與廢水， Vol.36 No.2 2005年04：57—59 【14】李樹清，給水管網(wǎng)改擴建設(shè)計分析[J]，黑龍江科技信息 2012年第3期:225—226 【15】羅紅云，給水管網(wǎng)改擴建若干問題探索[J]，中華建設(shè)，2008年第12期:211—212 【16】劉貴清，城市市政給水管網(wǎng)改造的優(yōu)化問題探究[J]，建材與裝飾 2013年第5期:278—279 【17】杜延超，城市供水管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計計算[J]，西南民族大學(xué)學(xué)報自然科學(xué)版， 第34卷第3期:552—559 【18】阮剛石，城市供水管網(wǎng)改擴建優(yōu)化方法的研究[J]，湖南城市學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)版)，第13卷第3期2004年9月:29—31 【19】張德祥，劉小兵教授，城市給水管網(wǎng)改擴建優(yōu)化與數(shù)值計算[D] ，西華大學(xué)，碩士學(xué)位論文，2009，05 【20】牟守國，城市改擴建給水管網(wǎng)管材的選擇[J]，中國高新技術(shù)企業(yè)，2010年10期:82—84 【21】張亮，蔣紹階，基于微粒群算法的給水管網(wǎng)改擴建研究，碩士學(xué)位論文，重慶大學(xué)，2007年04 八、 指導(dǎo)教師意見 對本課題的深度、廣度及工作量的意見和對設(shè)計（論文）結(jié)果的預(yù)測： 指導(dǎo)教師： 年 月 日 九、 所在專業(yè)審查意見 負責人： 年 月 日