市政管網(wǎng)的研究現(xiàn)狀和趨勢

劉紀(jì)龍

（四川大學(xué)建筑與環(huán)境學(xué)院，四川成都　610065）

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市政管網(wǎng)的研究現(xiàn)狀和趨勢

劉紀(jì)龍

（四川大學(xué)建筑與環(huán)境學(xué)院，四川成都610065）

摘要：市政管網(wǎng)建設(shè)是城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的重要組成內(nèi)容，其對(duì)于保障城市水資源的利用率及城市經(jīng)濟(jì)的發(fā)展具有至關(guān)重要的作用，因而市政管網(wǎng)優(yōu)化技術(shù)是促進(jìn)其作用發(fā)揮的重要保障?；诋?dāng)前市政管網(wǎng)的現(xiàn)狀和問題，結(jié)合城市建設(shè)的現(xiàn)狀對(duì)管網(wǎng)優(yōu)化技術(shù)的發(fā)展趨勢進(jìn)行了探討。

關(guān)鍵詞：市政管網(wǎng)；遺傳算法；模擬退火算法

市政給排水管網(wǎng)也被稱為市政管網(wǎng)，市政管網(wǎng)包括城市給水管網(wǎng)和排水管網(wǎng)，在給排水系統(tǒng)中管網(wǎng)的投資很大，是城市的重要基礎(chǔ)設(shè)施，也是城市的命脈。它是保障人民生活發(fā)展、社會(huì)生產(chǎn)進(jìn)行現(xiàn)代化建設(shè)不可缺少的物質(zhì)基礎(chǔ)，并已經(jīng)發(fā)展成為我國城市開發(fā)建設(shè)的中心問題和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的制約因素之一。

1　市政管網(wǎng)的發(fā)展歷程

自從20世紀(jì)60年代Carmelita以及shake等人提出利用系統(tǒng)分析的方法，尤其是優(yōu)化算法進(jìn)行給水管網(wǎng)設(shè)計(jì)的課題以來，前人在該領(lǐng)域已經(jīng)做了大量的研究和探索工作。研究者們建立了大量的管網(wǎng)優(yōu)化模型，在如何建立和求解管網(wǎng)優(yōu)化模型方面進(jìn)行了一些探索。作為一個(gè)重要的科學(xué)分支，它一直受到人們的廣泛重視。并在諸多工程領(lǐng)域得到迅速推廣和應(yīng)用，如優(yōu)化設(shè)計(jì)、系統(tǒng)最優(yōu)規(guī)劃、系統(tǒng)控制、人工智能、模式識(shí)別、生產(chǎn)調(diào)度和計(jì)算機(jī)工程等。實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的最優(yōu)化，對(duì)提高生產(chǎn)效率與效益、節(jié)省資源具有重要的作用。同時(shí)，優(yōu)化方法的理論研究對(duì)改進(jìn)算法性能、拓寬算法應(yīng)用領(lǐng)域、完善算法體系同樣具有重要作用。因此，優(yōu)化理論與算法的研究是一個(gè)同時(shí)具有理論意義和應(yīng)用價(jià)值的重要課題。

2　市政管網(wǎng)的優(yōu)化現(xiàn)狀

經(jīng)過幾十年的發(fā)展和演變，我國市政管網(wǎng)優(yōu)化技術(shù)已經(jīng)得到了一定的進(jìn)步，其優(yōu)化技術(shù)越來越成熟，相較于傳統(tǒng)的單一型技術(shù)而言，現(xiàn)在已經(jīng)越來越綜合化。

目前常用的智能優(yōu)化算法主要有遺傳算法、序列二次規(guī)劃法、模擬退火算法3種。

（1）遺傳算法。是模擬自然生物遺傳與進(jìn)化過程的基礎(chǔ)上進(jìn)行全局搜索的方法。將其應(yīng)用于市政管網(wǎng)優(yōu)化的設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，具有較大的必要性。市政管網(wǎng)優(yōu)化具有一定的復(fù)雜性，遺傳算法能為其提供簡便的方式，在處理離散變量函數(shù)時(shí)，不用對(duì)管徑進(jìn)行后期調(diào)整，能減少管網(wǎng)的投資，優(yōu)化管網(wǎng)布置。

（2）序列二次規(guī)劃法。此種方法主要就是利用Kuhn· Tucker最優(yōu)化條件形成的非線性方程，通過迭代計(jì)算法進(jìn)行二次規(guī)劃問題的求解，也就是利用二次規(guī)劃序列求解過程代替原有求解過程。此種方法主要就是將KT條件、線性、二次近似、變尺度等方面進(jìn)行結(jié)合。此種方法的迭代序列可以從不可行域逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榭尚杏?，只有在極限的條件下，才可以達(dá)到完全制約，因此無法進(jìn)行快速的求解。除此之外，在優(yōu)化過程中，迭代通常需要利用齒行法，因此，可以通過對(duì)射線步的修正，實(shí)現(xiàn)迭代點(diǎn)的制約。

（3）模擬退火算法。模擬退火算法的得來是基于對(duì)物理退火過程的分析，在算法的每一步，都產(chǎn)生一個(gè)組合的變化，然后對(duì)其費(fèi)用進(jìn)行評(píng)價(jià)。新的組合是在當(dāng)前組合的鄰域內(nèi)隨機(jī)選擇的。組合的領(lǐng)域僅有一根管段管徑值與前一管徑不同，為高或者低一級(jí)規(guī)格。新的組合接受與否，取決于Metropolis標(biāo)準(zhǔn)。模擬退火算法也是一種隨機(jī)的搜索方法，它采用使目標(biāo)函數(shù)值下降的策略來尋優(yōu)，它同時(shí)也接受目標(biāo)函數(shù)值的隨機(jī)上升運(yùn)動(dòng)，即在一個(gè)限定的范圍內(nèi)接受惡化解（逆優(yōu)化解），因而避免了搜索過程陷入局部最優(yōu)解區(qū)域內(nèi)。

3　市政管網(wǎng)中的問題和解決方法

（1）市政管網(wǎng)抗暴雨強(qiáng)度問題。隨著近年暴雨的頻頻降臨，市政管網(wǎng)自身存在的不足及施工中存在的質(zhì)量問題，使得其抗暴雨強(qiáng)度逐漸變差，給人民的生活及城市經(jīng)濟(jì)的發(fā)展帶來諸多消極影響。解決方法：適當(dāng)增加管網(wǎng)的排水管道、出水口的標(biāo)準(zhǔn)系數(shù)。加強(qiáng)管線管理，加強(qiáng)雨水收集措施的實(shí)施，通過多種途徑保證管網(wǎng)建設(shè)的質(zhì)量，這需要政府加大管網(wǎng)投入資金。當(dāng)然，這需要在考慮當(dāng)?shù)亟涤炅俊⑹姓芫W(wǎng)排水能力及經(jīng)濟(jì)等要素下進(jìn)行切合實(shí)際的措施改進(jìn)。

（2）管網(wǎng)系統(tǒng)布置的不合理問題。由于城市自來水加快普及，在管網(wǎng)布局與規(guī)劃缺乏科學(xué)性的情況下，新時(shí)期市政管網(wǎng)系統(tǒng)鋪設(shè)冗余、連接復(fù)雜的問題日益突顯。解決方法：供水單位應(yīng)該根據(jù)供水區(qū)域的地形情況及用戶分布情況，結(jié)合城市建設(shè)規(guī)劃而進(jìn)行管網(wǎng)系統(tǒng)布置。

（3）市政管網(wǎng)漏失問題。管網(wǎng)漏失問題是當(dāng)前市政管網(wǎng)中存在的普遍問題，管網(wǎng)質(zhì)量及施工管理的不足都是導(dǎo)致其問題產(chǎn)生的重要原因。解決方法：①供水單位要嚴(yán)把管材質(zhì)量關(guān)，選擇抗腐蝕強(qiáng)、質(zhì)量優(yōu)的抗老化管材，選擇柔性橡膠接口；對(duì)各附件進(jìn)行定期的檢查與更新。②在管網(wǎng)鋪設(shè)方案上制定施工計(jì)劃，在施工完成后進(jìn)行水壓實(shí)驗(yàn)確保管網(wǎng)性能。

4　市政管網(wǎng)優(yōu)化的發(fā)展趨勢

市政管網(wǎng)優(yōu)化技術(shù)的發(fā)展趨勢是在當(dāng)前市政管網(wǎng)優(yōu)化技術(shù)影響因素的復(fù)雜性基礎(chǔ)上，以改變傳統(tǒng)管網(wǎng)優(yōu)化技術(shù)中的不足和缺陷，而充分利用以上算法輔助市政管網(wǎng)優(yōu)化，進(jìn)而想著更多元化的現(xiàn)代化方向發(fā)展。

（1）市政管網(wǎng)優(yōu)化是社會(huì)發(fā)展的必然趨勢。遺傳算法、模擬退火算法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等先進(jìn)優(yōu)化技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用，其不僅可以降低求解的難度，還可以有效增強(qiáng)計(jì)算的效率，已經(jīng)成為了市政管網(wǎng)優(yōu)化技術(shù)未來發(fā)展的主要趨勢，一定要進(jìn)行深入的分析與研究，保證其可以在市政管網(wǎng)優(yōu)化中得到全面的應(yīng)用，促進(jìn)市政管網(wǎng)優(yōu)化的進(jìn)一步發(fā)展。

（2）市政管網(wǎng)優(yōu)化軟件的研發(fā)。目前，在市政管網(wǎng)優(yōu)化方面，已經(jīng)研發(fā)得到的軟件主要有Excel、CAD，而優(yōu)化算法技術(shù)、集成地理信息系統(tǒng)技術(shù)、可視化技術(shù)等市政管網(wǎng)優(yōu)化軟件正處在研究階段。

5　結(jié)語

總之，在社會(huì)經(jīng)濟(jì)日益發(fā)展壯大的背景下，我國市政管網(wǎng)優(yōu)化工作應(yīng)該借助科學(xué)技術(shù)的力量，大力加強(qiáng)創(chuàng)新與研發(fā)，不斷推進(jìn)新型的市政管網(wǎng)優(yōu)化技術(shù)的誕生與應(yīng)用，促進(jìn)市政管網(wǎng)優(yōu)化的快速持續(xù)發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

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The research status and trend of municipal pipe network

LIU Ji-long
（College of Architecture and Environment，Sichuan University，Chengdu，Sichuan 610065，China）

Abstract：Municipal pipe network construction is an important content of urban infrastructure construction.it has a crucial role in the security of urban water resources utilization and inthe development of urban economy，thus municipal pipe network optimization technology plays an important role in security.In this paper，based on the present situation and problems of the current municipal pipe network，discussed the development of pipe network optimization technology.

Key words：municipal pipe；genetic algorithm；simulated annealing algorithm

作者簡介：劉紀(jì)龍（1991-），男，碩士研究生，主要研究方向：污水處理、污水管網(wǎng)。

收稿日期：2016-01-16

中圖分類號(hào)：TU990.3

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：2095-980X（2016）02-0047-02