樹狀給水管網(wǎng)優(yōu)化設計研究現(xiàn)狀綜述

吳亞群

摘要：樹狀給水管網(wǎng)系統(tǒng)廣泛地應用于村鎮(zhèn)、小城鎮(zhèn)和小型工礦企業(yè)供水中。據(jù)統(tǒng)計，通過優(yōu)化設計，可得到投資省、成本低且高效的設計方案。本文通過對樹狀給水管網(wǎng)優(yōu)化現(xiàn)狀的調(diào)查分析，列舉目前國內(nèi)外有關樹狀給水管網(wǎng)優(yōu)化設計的相關研究，希望給從事相關工作的人員提供參考與幫助。

關鍵詞：樹狀給水管網(wǎng)；優(yōu)化設計；研究現(xiàn)狀

中圖分類號：G710 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2015）50-0235-02

一、前言

水資源作為人類發(fā)展的命脈，在生產(chǎn)、生活各個領域起到至關重要的作用。做好水輸送、水安全的各項工作，對整個城市的發(fā)展顯得尤為重要。中國作為一個發(fā)展中國家，各項基礎設施比較薄弱，加上技術(shù)經(jīng)濟水平的限制，很多輸水工程都有很大的優(yōu)化進步空間。當前情況下，我國大多數(shù)的水輸送系統(tǒng)運營管理水平較低，而且目前大多數(shù)操控都以工作人員的經(jīng)驗為主，缺乏必要的合理性匯入經(jīng)濟性分析。隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，城鎮(zhèn)化進程不斷加快，用水量隨之增加，對水質(zhì)、水量、水壓的要求越來越高。有關數(shù)據(jù)顯示，我國的大多數(shù)地區(qū)的老廠區(qū)、老街區(qū)僅僅依照以往的經(jīng)驗值來確定輸配水管網(wǎng)的管徑、坡道等設計參數(shù)，缺乏科學依據(jù)。在實際的管網(wǎng)運行中，各種工況是非常復雜的，不能夠僅僅憑著幾種簡單的方案對比來確定管網(wǎng)建設的方案，否則很難建立最為經(jīng)濟，最為可行的供水系統(tǒng)。由于一些管網(wǎng)中的管段使用時間過長，年久失修，管道的腐蝕程度又比較嚴重，甚至有管道內(nèi)壁上產(chǎn)生大量沉積物，而且這些沉積物隨時間的推移，越積越多，這些都會使供水產(chǎn)生二次污染，嚴重時甚至可能會對工業(yè)產(chǎn)品的質(zhì)量或人體健康造成威脅。

綜上所述，配水管網(wǎng)的優(yōu)化設計和改善不僅影響到合理的供水電耗，還關系到適應用水需要、提高供水安全可靠性、合理投資、降低管網(wǎng)漏失及改善管網(wǎng)水質(zhì)等各項因素。因此，對城市供水管網(wǎng)系統(tǒng)的優(yōu)化設計研究不僅是城市供水行業(yè)急需解決、關系到供水行業(yè)技術(shù)進步的一個重要內(nèi)容，也是具有重要社會效益和重大經(jīng)濟效益的研究課題。

二、給水管網(wǎng)優(yōu)化目的

管網(wǎng)的優(yōu)化設計，應該考慮到四個方面，即保證供水所需要的水量和水壓，水質(zhì)安全，可靠性（保證事故時的水量）和經(jīng)濟性。給水輸配水管網(wǎng)通過管道（渠）將水輸送到各個節(jié)點，在保證各個節(jié)點所需服務水壓以及流量條件下，怎樣去選擇給水輸配水管網(wǎng)系統(tǒng)中各個組成部分的管段規(guī)格和尺寸，由此獲得最經(jīng)濟的設計方案，就是管網(wǎng)優(yōu)化設計要解決的首要問題。

給水輸配水管網(wǎng)系統(tǒng)的優(yōu)化問題主要分為三個大的方面：第一，給水輸配水管網(wǎng)的優(yōu)化布置問題；第二，給水輸配水管網(wǎng)系統(tǒng)的優(yōu)化設計問題，即是在給水輸配水管網(wǎng)的布置方案確定之后，選擇合適的水泵揚程和確定好各級管道的具體尺寸，從而達到系統(tǒng)管網(wǎng)的年費用折算值（或投資）最小的目標；第三，給水輸配水管網(wǎng)的優(yōu)化調(diào)度問題。

三、樹狀給水管網(wǎng)基本形式

樹狀管網(wǎng)系統(tǒng)布置形式較多，一般根據(jù)需要可在系統(tǒng)中設置水池、水塔（或高地水池）等水量、水壓調(diào)節(jié)構(gòu)造物。另外，還可根據(jù)水源的具體位置設置泵站以進行系統(tǒng)的壓力調(diào)節(jié)。一般情況，當水源處地面標高較高時，可采用重力流供水，這種供水管網(wǎng)系統(tǒng)工程的初期投資費用和后期的運營管理費用都較低；但當不具備水源位置優(yōu)勢時，可在管網(wǎng)系統(tǒng)設置水泵以滿足供水需求，即泵站加壓的供水系統(tǒng)，該系統(tǒng)根據(jù)用戶用水量與泵站供水量的差異大小，可采用設置水塔或不設水塔兩種方式；一般設置水塔的目的主要是緩解二級泵站的工作壓力，降低能耗，滿足用戶多變的用水需求。實驗證明，通過設置水塔不但可降低泵站的設計流量，縮短二級泵站工作時間，還可以有效地保證系統(tǒng)所需的水壓。為降低工程投資，一般將水塔的位置布置在用水量較大較集中或地勢較高的地方。根據(jù)供水管網(wǎng)系統(tǒng)中水塔的位置，供水系統(tǒng)中水塔的位置，供水系統(tǒng)可分為網(wǎng)中水塔管網(wǎng)系統(tǒng)，對置水塔管網(wǎng)系統(tǒng)和網(wǎng)前水塔管網(wǎng)系統(tǒng)。

四、優(yōu)化現(xiàn)狀調(diào)查研究

近年來國內(nèi)外許多的專家學者對樹狀管網(wǎng)系統(tǒng)的優(yōu)化設計做了大量研究，主要的研究工作為：2001年周榮敏和林性粹[1]建立了自壓式樹狀管網(wǎng)兩級優(yōu)化設計系統(tǒng)的模型，并采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡方法實現(xiàn)了樹狀管網(wǎng)非線性規(guī)劃模型的快速求解，采用的人工神經(jīng)網(wǎng)絡技術(shù)的兩級優(yōu)化設計模型在適用范圍、求解速度及獲得最優(yōu)化解的能力上，均優(yōu)于以前單一的非線性規(guī)劃模型及線性規(guī)劃模型，人工神經(jīng)網(wǎng)絡技術(shù)的兩級優(yōu)化設計模型是實現(xiàn)樹狀管網(wǎng)全局優(yōu)化設計的一種新方法；2002年周榮敏和買文寧等專家[2]應用Hopfield神經(jīng)網(wǎng)絡模型的優(yōu)化計算原理與方法，建立了自壓式樹狀管網(wǎng)神經(jīng)網(wǎng)絡優(yōu)化系統(tǒng)的設計模型，并用計算機軟件模擬方法進行求解。研究結(jié)果表明：人工神經(jīng)網(wǎng)絡法是快速求解自壓式樹狀管網(wǎng)非線性規(guī)劃模型的一種全新的途徑，結(jié)合兩級優(yōu)化算法可以實現(xiàn)樹狀管網(wǎng)全局的最優(yōu)化設計；2002年周榮敏和雷延峰等專家[3]分別用單親遺傳算法和Hopfield神經(jīng)網(wǎng)絡算法進行了機壓式樹狀管網(wǎng)的優(yōu)化布置及優(yōu)化設計，能夠在管網(wǎng)投資的最小及最優(yōu)的樹狀管網(wǎng)的布置形式上，獲得每年費用最低及最優(yōu)設計方案。研究結(jié)果表明：該方法途徑是可行和有效的，能減小管網(wǎng)工程的投資、提高設計水平及設計效率。2004年白丹和高彬[4，5]等學者針對對置水塔樹狀管網(wǎng)系統(tǒng)和網(wǎng)前水塔樹狀管網(wǎng)系統(tǒng)的組成部分的壓力及流量關系，以管網(wǎng)系統(tǒng)每年消耗費用最小值作為目標函數(shù)，在保證管網(wǎng)系統(tǒng)滿足各節(jié)點所需流量和壓力的條件下，建立起該類管網(wǎng)系統(tǒng)的優(yōu)化設計的線性規(guī)劃模型，并獲得了不錯的優(yōu)化效果；2008年馬孝義和范興業(yè)等專家[6]針對樹狀管網(wǎng)布置中較多依賴設計人員經(jīng)驗的缺陷，提出了一種基于整數(shù)編碼遺傳算法的樹狀管網(wǎng)的兩級優(yōu)化的方法。第一級優(yōu)化的途徑是根據(jù)樹狀管網(wǎng)單點供水的原則進行，建立了結(jié)合實際工程設計經(jīng)驗的樹狀管網(wǎng)優(yōu)化布置的整數(shù)編碼遺傳算法的模型，解決了傳統(tǒng)二進制編碼方法易產(chǎn)生不可行解的難題，可以快速尋找一組符合工程實際情況的管網(wǎng)布置優(yōu)化方案。第二級優(yōu)化的途徑是在確定管網(wǎng)布置方案組的基礎上而采用整數(shù)編碼的遺傳算法，并以最小投資為目地，建立了管網(wǎng)優(yōu)化的模型和算法。編制了灌溉類管網(wǎng)的兩級優(yōu)化設計的Matlab程序，進行了大量工程實例的驗證，并與單親遺傳算法（SPGA）和管網(wǎng)布置經(jīng)驗設計方法進行了大量比較，結(jié)果表明：基于整數(shù)編碼的管網(wǎng)優(yōu)化設計途徑可以方便地將設計經(jīng)驗融入到優(yōu)化設計計算方案中，并能降低管網(wǎng)優(yōu)化設計的復雜性以及求解難度，可快速有效地求解符合實際工程的管網(wǎng)優(yōu)化設計方案。2012年周榮敏和雷延峰[7]將改進的單親遺傳算法并采用Kruskal算法及Dijkstra算法進行了群體初始化代替隨機群體初始化的過程；采用輪盤賭的方式和單親換位的算子作為主要的遺傳算子，取消選擇率和換位率以及單親逆轉(zhuǎn)算子，使算法結(jié)構(gòu)變得更加簡潔明了；增加單一化的最優(yōu)化群體，并自動更新最優(yōu)化群體來適應度值的下限。研究結(jié)果表明，通過一系列的改進，在同樣能獲得最優(yōu)化解的前提下，運行程序的時間由70s縮短為5s，最大的遺傳代數(shù)從500代以上縮短到100代以下，改進的單親遺傳算法（ISPGA）的性能得到了顯著提高。2013年邱金亮和王靜等專家利用組合的遺傳算法，針對大多數(shù)的樹狀管網(wǎng)系統(tǒng)，提出了在考慮系統(tǒng)工作制度的條件下基于單親遺傳算法及基于整數(shù)編碼遺傳算法的三級優(yōu)化方法，結(jié)果證明該方法可以進一步使管網(wǎng)系統(tǒng)得到整體的優(yōu)化設計，使管網(wǎng)在滿足規(guī)范設計的要求時同時可以明顯地降低工程的總投資。2013年許文斌和王圃等專家以管網(wǎng)每年消耗費用的折算值作為目標函數(shù)，以管徑的優(yōu)化作為參數(shù)，建立起了樹狀供水管網(wǎng)的最優(yōu)化的設計模型。根據(jù)樹狀流量管網(wǎng)的單一性，結(jié)合工程實際情況將支管和干管的大型樹狀管網(wǎng)按照不同的層次進行了分解，再逐層應用模擬退火遺傳的算法對這一模型進行了求解。這樣可以最大地避免因整個樹狀管網(wǎng)系統(tǒng)管段數(shù)過多以及染色體過長而導致的進化容易陷入局部的最優(yōu)解或者難以收斂等缺點。同時，在算法應用過程中，并對退火遺傳算法進行了適當?shù)母倪M，使其更有效地應用到實際工程中去。結(jié)果表明可以顯示出在支管和干管分明的大型樹狀管網(wǎng)設計中，枝解法的優(yōu)化算法可以更好地獲得優(yōu)化運行效果。

五、結(jié)語

從以上的研究數(shù)據(jù)來看，目前關于樹狀給水管網(wǎng)的優(yōu)化設計研究是相對較成熟且全面的，另外，從研究的成果看，這些優(yōu)化模型不僅有適用于城市樹狀供水管網(wǎng)系統(tǒng)的，同時也有適用于農(nóng)田灌溉管網(wǎng)的，且其優(yōu)化模型應用于實際的生產(chǎn)運行中時，都取得了較好的優(yōu)化設計效果，為生產(chǎn)一線提供了寶貴的參考價值。

參考文獻：

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