市政管網(wǎng)優(yōu)化技術(shù)研究現(xiàn)狀與趨勢(shì)

【摘要】市政管網(wǎng)優(yōu)化技術(shù)的目的是提高城市水資源的利用率，本文從多種技術(shù)綜述當(dāng)前國(guó)內(nèi)外市政管網(wǎng)優(yōu)化技術(shù)的研究現(xiàn)狀和歷史進(jìn)程以及急需解決的國(guó)內(nèi)市政管網(wǎng)中出現(xiàn)的問題，并從多視角多方面展望了其發(fā)展趨勢(shì)。

【關(guān)鍵詞】市政；管網(wǎng)；優(yōu)化；水資源

一、引言

水，對(duì)我們的生命起著重要的作用，它是生命的源泉，是人類賴以生存和發(fā)展的不可缺少的最重要的物質(zhì)資源之一。水資源是地球上所有生物生存的寶貴不可或缺的資源，更是人類經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)進(jìn)步的重要基石。從上世紀(jì)90年代起，隨著世界人口的急速增長(zhǎng)以及社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速前進(jìn)，還有人類為一己之私，不合理的利用水資源，水資源的匱乏及污染已經(jīng)成為各國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展面臨的難題。不得不承認(rèn)，水資源已經(jīng)變成阻礙我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的重要原因。

伴隨我國(guó)城市化水平和進(jìn)程的推進(jìn)，城市用水逐漸成為水資源開發(fā)利用的重心，引發(fā)最近幾年城市水資源匱乏態(tài)勢(shì)十分嚴(yán)峻，因此要想解決城市水資源短缺問題，重要的是建設(shè)及優(yōu)化城市水資源基礎(chǔ)設(shè)施，市政管網(wǎng)作為城市水系統(tǒng)的不可缺少的一部分，加強(qiáng)其建設(shè)與優(yōu)化顯得尤為重要，市政管網(wǎng)優(yōu)化由布置優(yōu)化、設(shè)計(jì)優(yōu)化及算法優(yōu)化等幾部分組成，這一類優(yōu)化在節(jié)能降耗、增加系統(tǒng)可靠性及減少運(yùn)行消耗和增進(jìn)新技術(shù)的研發(fā)及應(yīng)用等方面都有著有現(xiàn)實(shí)和深遠(yuǎn)意義。本文綜述了當(dāng)前時(shí)期國(guó)內(nèi)外在市政管網(wǎng)優(yōu)化技術(shù)方面的研究現(xiàn)狀，目的是為市政管網(wǎng)優(yōu)化的具體實(shí)踐和市政管網(wǎng)優(yōu)化的進(jìn)一步探索提供理論基礎(chǔ)，在水資源的可持續(xù)發(fā)展和合理利用方面也有著重要意義。

二、市政管網(wǎng)優(yōu)化技術(shù)的研究發(fā)展歷程

市政管網(wǎng)優(yōu)化是一門交叉學(xué)科，其涉及到技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)體系、相關(guān)計(jì)算機(jī)功能軟件以及最優(yōu)化數(shù)學(xué)理論的綜合運(yùn)用。管網(wǎng)優(yōu)化主要是以目標(biāo)體系構(gòu)造模型的優(yōu)化為依據(jù)，采用最優(yōu)化技術(shù)和理論，采用最佳的設(shè)計(jì)參數(shù)，設(shè)計(jì)以工程實(shí)際為基礎(chǔ)的工程方案，這些便是優(yōu)化工程施工建設(shè)和發(fā)展管理的理論依據(jù)，以達(dá)到使管網(wǎng)建設(shè)系統(tǒng)最小的管網(wǎng)投資、年運(yùn)行費(fèi)以及強(qiáng)穩(wěn)定性，高可靠性，較好的運(yùn)行效果的目的。市政管網(wǎng)優(yōu)化技術(shù)的發(fā)展概括起來有分為以下幾個(gè)內(nèi)容：在市政管網(wǎng)優(yōu)化過程中的采取經(jīng)典的優(yōu)化理論，其比較有代表性理論包括線性以及非線性規(guī)劃法、動(dòng)態(tài)規(guī)劃法等；市政管網(wǎng)優(yōu)化過程中的啟發(fā)式算法的縱向推進(jìn)，經(jīng)典的算法包括人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、遺傳算法；市政管網(wǎng)優(yōu)化中的多方法優(yōu)化的橫向混合，最具代表的是動(dòng)態(tài)規(guī)劃、線形規(guī)劃、遺傳算法、模糊數(shù)學(xué)相互取長(zhǎng)補(bǔ)短結(jié)合運(yùn)用的方法，還有MATLAB、地理信息系統(tǒng)等高科技電腦軟件相結(jié)合的技術(shù)；管網(wǎng)優(yōu)化中分級(jí)逐步優(yōu)化的技術(shù)，從傳統(tǒng)算法逐漸到新型算法的演變和發(fā)展，更加先進(jìn)合理準(zhǔn)確的優(yōu)化方法已經(jīng)代替了傳統(tǒng)的分級(jí)優(yōu)化方法。

三、市政管網(wǎng)優(yōu)化技術(shù)的研究現(xiàn)狀

市政管網(wǎng)包括給水管網(wǎng)、雨水管網(wǎng)、污水管網(wǎng)。經(jīng)過近四十年的逐步發(fā)展與演變，我們國(guó)家市政管網(wǎng)優(yōu)化技術(shù)取得了一定的成績(jī)，其優(yōu)化技術(shù)的漸變過程是從開始的傳統(tǒng)的經(jīng)典單一型到如今新型綜合型。

1、遺傳算法

遺傳算法是以自然界中的生物在遺傳和進(jìn)化過程為依據(jù)，創(chuàng)造的一種能全局性搜索的算法。因?yàn)楣芫W(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)很繁瑣，遺傳算法能提供新的途徑來解決問題，該算法可以解決離散變量函數(shù)的優(yōu)化問題不用后期調(diào)整管徑；該算法更接近工程實(shí)際，因?yàn)槠渚哂邢鄬?duì)應(yīng)的內(nèi)編碼空間以及問題空間，從本質(zhì)上解決平常算法得出的管徑與市售管徑不符的問題；該算法可以給設(shè)計(jì)人員提供多個(gè)接近最優(yōu)解的方案，盡一切可能滿足管網(wǎng)優(yōu)化在可靠性、經(jīng)濟(jì)性方面的要求；在解決全局優(yōu)化方面的問題時(shí)可以該算法隨機(jī)搜索的功能，比梯度搜索方便快捷。該方法也有一些不足，單調(diào)的編碼問題、簡(jiǎn)單的遺傳算子以及不通用的參數(shù)設(shè)置，局部尋優(yōu)能力較差、前后期進(jìn)化速度不統(tǒng)一。

2、序列二次規(guī)劃法

該方法是運(yùn)用Kuhn.Tucker最優(yōu)化條件所形成的非線性方程，求解相應(yīng)的二次規(guī)劃問題用迭代計(jì)算的方法，也就是用一個(gè)二次規(guī)劃序列的求解過程替代原來的求解過程。該方法將KT條件、變尺度、線性及二次近似等有效手段相結(jié)合。該方法所選取的迭代序列通常從不可行域逐步向可行域轉(zhuǎn)化，只有極限情況下才能實(shí)現(xiàn)完全約束的現(xiàn)象，所以盡快求解有困難。另外在優(yōu)化設(shè)計(jì)過程中優(yōu)化迭代一般需要用齒行法，所以可采用構(gòu)造修正的射線步來把中途優(yōu)化迭代點(diǎn)放在約束界面上。

3、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化算法

生物神經(jīng)元本質(zhì)及其功能的數(shù)學(xué)抽象是存在于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中人工神經(jīng)元，而大批基礎(chǔ)的神經(jīng)元以相互連接的方式可以形成計(jì)算結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)解決實(shí)際問題是通過在某種范圍內(nèi)模擬生物神經(jīng)系統(tǒng)的運(yùn)行原理。該算法計(jì)算能力的構(gòu)造是通過存在于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中神經(jīng)元的相互協(xié)調(diào)并行，把實(shí)際問題的優(yōu)化解對(duì)應(yīng)到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的穩(wěn)定狀態(tài)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的演化過程被映射成實(shí)際問題的優(yōu)化過程。

4、模擬退火算法

該方法是以Mente Carlo迭代求解為依據(jù)的隨機(jī)尋優(yōu)算法，其原理以物理中固體物質(zhì)的退火過程為元原型，尋找一般優(yōu)化組合問題和前者的相似性，其具體的方法如下：設(shè)定一個(gè)最初溫度，在溫度不斷下降的同時(shí)，運(yùn)用概率突跳特性，然后隨機(jī)尋找目標(biāo)函數(shù)在全局中最優(yōu)解，概率性的跳出通過局部?jī)?yōu)化，最終實(shí)現(xiàn)全局趨于最優(yōu)。

四、市政管網(wǎng)優(yōu)化技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

市政管網(wǎng)優(yōu)化技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)主要以市政管網(wǎng)優(yōu)化影響原因的多元化和復(fù)雜性的特點(diǎn)為基石，改變傳統(tǒng)優(yōu)化方法普適性差、計(jì)算量大的缺陷，未來發(fā)展方向應(yīng)該是充分結(jié)合利用上述幾種算法。在優(yōu)化過程中，管網(wǎng)運(yùn)行的可靠性和經(jīng)濟(jì)性是優(yōu)化考慮的重點(diǎn)指標(biāo)，具體管網(wǎng)形式應(yīng)結(jié)合樹狀和環(huán)狀兩種方法進(jìn)行優(yōu)化。在實(shí)際操作中，提倡計(jì)算軟件采用可視化技術(shù)，市政管網(wǎng)優(yōu)化軟件應(yīng)向集成GIS和優(yōu)化算法的方向發(fā)展。

五、結(jié)語

隨著我國(guó)市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，市政管網(wǎng)已邁向大規(guī)模的開發(fā)和應(yīng)用階段，市政管網(wǎng)的的發(fā)展趨勢(shì)從原有管網(wǎng)系統(tǒng)改造、推充工程逐步多樣化、復(fù)雜化和大型化，這就要求大幅提高管網(wǎng)優(yōu)化技術(shù)的精確度、計(jì)算速度。隨著技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)、最優(yōu)化理論以及計(jì)算機(jī)軟件、硬件技術(shù)的大幅發(fā)展，還有研究人員在該領(lǐng)域的不斷研究，我們有理由相信這一領(lǐng)域?qū)?huì)取得更廣泛、更實(shí)用的現(xiàn)實(shí)成果。

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