CN105701561A - 一种基于给水管网规划设计要求的管网优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于给水管网规划设计要求的管网优化方法，包括以下步骤：步骤1，采集管网基本参数和确定优化计算参数；步骤2，通过优化算法生成一组管道直径组合；步骤3，分别对最高日最高时工况、事故时工况、消防时工况进行水力计算；步骤4，判断每个节点水压是否都满足约束条件；步骤5，计算管网总费用W；步骤6，判断是否满足依照步骤1所选择的优化算法的退出准则；步骤7，对获得的所有管网总费用进行排序，获得总费用最低的一组管道直径组合即为最优结果。本发明的管网优化方法结合最高日最高时用水水量水压的要求、消防时水量水压的要求及事故时水量水压的要求，计算出贴近实际并符合规划要求的管道直径组合。

Description

一种基于给水管网规划设计要求的管网优化方法

技术领域

本发明涉及给水管网规划设计及优化技术领域，尤其涉及一种基于给水管网规划设计要求的管网优化方法。

背景技术

随着工业生产能力的提高，城市人口的不断增加，以及人民生活水平的不断改善，对城市供水系统的要求也越来越高，供水系统的规模在不断扩大，复杂性随之提高。我国数以百计的城市给水系统消耗的电能是很大的，传统的经验规划设计方式管径选配不尽合理，资源浪费甚大，已不能适应现代社会发展的需求。如果采用优化设计，不仅能节省大量资源，而且使管网能在合理的状态下运行，既保证供水的要求，也使管网的压力更为合理。随着科学技术的不断进步，数学规划、现代控制理论及计算机技术等的不断发展，有力地促进了大型系统的控制和管理水平的提高，使供水系统借助计算机工具进行科学的调度管理成为可能。

现有的供水系统给水管网优化模型仅以经济性为目的，计算结果仅满足最高日最高时用水水量水压要求，而不能满足消防时水量水压、事故时水量水压的要求。

为此，申请人进行了有益的探索和尝试，找到了解决上述问题的办法，下面将要介绍的技术方案便是在这种背景下产生的。

发明内容

本发明所要解决的技术问题：针对现有技术的不足而提供一种基于给水管网规划设计要求的管网优化方法，该管网优化方法结合最高日最高时用水水量水压的要求、消防时水量水压的要求及事故时水量水压的要求，计算出贴近实际并符合规划要求的管道直径组合。

本发明所解决的技术问题可以采用以下技术方案来实现：

一种基于给水管网规划设计要求的管网优化方法，包括以下步骤：

步骤1，采集管网基本参数和确定优化计算参数；

步骤2，根据管网基本参数和优化计算参数，通过优化算法生成一组管道直径组合D₁，D₂，…D_P；

步骤3，分别对最高日最高时工况、事故时工况、消防时工况进行水力计算；

步骤4，判断每个节点水压是否都满足高日最高时节点的最小允许水头、事故时节点的最小允许水头及消防时节点的最小允许水头的约束条件，若判断为是，则进入步骤5，若判断为否，则返回步骤2；

步骤5，计算管网总费用W，根据以下公式进行计算：

目标函数：W(D₁,D₂,D₃…D_P)

约束条件：

$s.t.\left\{\begin{array}{c}\underset{i=S_k}{\overset{N}{\Σ}}(\±q_i)+Q_j=0\\ H_j\≥H_{j-M}^{\min }\\ H_j\≥H_{j-S}^{\min }\\ H_j\≥H_{j-X}^{\min }\\ q_i\≥q_{\min i}\\ D_i>0\end{array}\right.$

式中，D_i为第i根管段的管径；P为管网中管道个数；W为以管网管径为变量的管网总费用；q_i为与节点j直接连接的第i根管段的流量；Q_j为节点j的节点流量；S_K为与节点i直接连接的管段集合；N为管网中节点个数；H_j为节点j的服务水头；为高日最高时节点j的最小允许水头；为事故时节点j的最小允许水头；为消防时节点j的最小允许水头；q_i为第i根管段流量；q_mini为第i根管段最小设计流量；

步骤6，判断是否满足依照步骤1所选择的优化算法的退出准则，若判断为是，则进入步骤7，若判断为否，则返回步骤2；

步骤7，对获得的所有管网总费用进行排序，获得总费用最低的一组管道直径组合即为最优结果。

在本发明的一个优选实施例中，所述步骤3包括以下步骤：

步骤3.1，按照最高日最高时工况进行水力计算时，管网节点需水量采用最高日最高时水量，判断每个节点水压是否满足高日最高时节点的最小允许水头；

步骤3.2，按照事故时工况进行水力计算时，管网节点需水量采用最高日最高时水量的70％并将管网中所有管段逐次关闭模拟发生事故时管段关闭来进行计算，判断每个节点水压是否满足事故时节点的最小允许水头；

步骤3.3，按照消防时工况进行水力计算时，管网节点需水量采用最高日最高时并在最不利节点叠加消防水量进行计算，判断每个节点水压是否满足消防时节点的最小允许水头。

在本发明的一个优选实施例中，所述步骤1中的管网基本参数包括管道拓扑结构、管道长度、管道摩阻系数、管网节点数以及管段数等。

在本发明的一个优选实施例中，所述步骤1中的优化计算参数根据优化算法不同选用不同的优化算法参数。

在本发明的一个优选实施例中，所述步骤2中的优化算法为遗传算法、蚂蚁算法、神经网络算法等中的一种。

在本发明的一个优选实施例中，所述步骤6中的优化算法的退出准则为遗传算法的退出准则、蚂蚁算法的退出准则、神经网络算法的退出准则等中的一种。

由于采用了如上的技术方案，本发明的有益效果在于：本发明的管网优化方法结合最高日最高时用水水量水压的要求、消防时水量水压的要求及事故时水量水压的要求，计算出贴近实际并符合规划要求的管道直径组合，从而增强了管网布置的科学性与经济性，降低人为经验差别造成的影响，提高工作效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明的流程框图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。

参见图1，本发明的一种基于给水管网规划设计要求的管网优化方法，包括以下步骤：

步骤1，采集管网基本参数和确定优化计算参数，其中，管网基本参数包括管道拓扑结构、管道长度、管道摩阻系数、管网节点数及管段数等；优化计算参数根据优化算法不同选用不同的优化算法参数，例如，选择遗传算法，则其需要的优化参数包括种群大小、变异率、交叉率、惩罚倍数、遗传代数等，当然，也可以采用其他优化算计进行优化选择；

步骤2，根据管网基本参数和优化计算参数，通过优化算法生成一组管道直径组合D₁，D₂，…D_P，这里的优化算法为遗传算法、蚂蚁算法、神经网络算法等中的一种；

步骤3，分别对最高日最高时工况、事故时工况、消防时工况进行水力计算；步骤3包括以下步骤：

步骤3.1，按照最高日最高时工况进行水力计算时，管网节点需水量采用最高日最高时水量，判断每个节点水压是否满足高日最高时节点的最小允许水头；

步骤3.2，按照事故时工况进行水力计算时，管网节点需水量采用最高日最高时水量的70％并将管网中所有管段逐次关闭模拟发生事故时管段关闭来进行计算，判断每个节点水压是否满足事故时节点的最小允许水头；

步骤3.3，按照消防时工况进行水力计算时，管网节点需水量采用最高日最高时并在最不利节点叠加消防水量进行计算，判断每个节点水压是否满足消防时节点的最小允许水头；

步骤4，判断每个节点水压是否都满足高日最高时节点的最小允许水头、事故时节点的最小允许水头及消防时节点的最小允许水头的约束条件，若判断为是，则进入步骤5，若判断为否，则返回步骤2；

步骤5，计算管网总费用W，根据以下公式进行计算：

目标函数：W(D₁,D₂,D₃…D_P)

约束条件：

式中，D_i为第i根管段的管径；

P为管网中管道个数；

W为以管网管径为变量的管网总费用；

q_i为与节点j直接连接的第i根管段的流量；

Q_j为节点j的节点流量；

S_K为与节点i直接连接的管段集合；

N为管网中节点个数；

H_j为节点j的服务水头；

为高日最高时节点j的最小允许水头；

为事故时节点j的最小允许水头；

为消防时节点j的最小允许水头；

q_i为第i根管段流量；

q_mini为第i根管段最小设计流量；

步骤6，判断是否满足依照步骤1所选择的优化算法的退出准则，该优化算法的退出准则为遗传算法的退出准则、蚂蚁算法的退出准则、神经网络算法的退出准则等中的一种，例如，遗传算法中以满足遗传代数为退出准则，当计算达到遗传代数时退出；若判断为是，则进入步骤7，若判断为否，则返回步骤2；

步骤7，对获得的所有管网总费用进行排序，获得总费用最低的一组管道直径组合即为最优结果。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (6)

1.一种基于给水管网规划设计要求的管网优化方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，采集管网基本参数和确定优化计算参数；

步骤2，根据管网基本参数和优化计算参数，通过优化算法生成一组管道直径组合D₁，D₂，…D_P；

步骤3，分别对最高日最高时工况、事故时工况、消防时工况进行水力计算；

步骤4，判断每个节点水压是否都满足高日最高时节点的最小允许水头、事故时节点的最小允许水头及消防时节点的最小允许水头的约束条件，若判断为是，则进入步骤5，若判断为否，则返回步骤2；

步骤5，计算管网总费用W，根据以下公式进行计算：

目标函数：W(D₁,D₂,D₃…D_P)

约束条件：

$s.t.\left\{\begin{array}{c}\underset{i=S_k}{\overset{N}{\Σ}}(\±q_i)+Q_j=0\\ H_j\≥H_{j-M}^{\min }\\ H_j\≥H_{j-S}^{\min }\\ H_j\≥H_{j-X}^{\min }\\ q_i\≥q_{\min i}\\ D_i>0\end{array}\right.$

式中，D_i为第i根管段的管径；P为管网中管道个数；W为以管网管径为变量的管网总费用；q_i为与节点j直接连接的第i根管段的流量；Q_j为节点j的节点流量；S_K为与节点i直接连接的管段集合；N为管网中节点个数；H_j为节点j的服务水头；为高日最高时节点j的最小允许水头；为事故时节点j的最小允许水头；为消防时节点j的最小允许水头；q_i为第i根管段流量；q_mini为第i根管段最小设计流量；

步骤6，判断是否满足依照步骤1所选择的优化算法的退出准则，若判断为是，则进入步骤7，若判断为否，则返回步骤2；

步骤7，对获得的所有管网总费用进行排序，获得总费用最低的一组管道直径组合即为最优结果。

2.如权利要求1所述的基于给水管网规划设计要求的管网优化方法，其特征在于，所述步骤3包括以下步骤：

步骤3.1，按照最高日最高时工况进行水力计算时，管网节点需水量采用最高日最高时水量，判断每个节点水压是否满足高日最高时节点的最小允许水头；

步骤3.2，按照事故时工况进行水力计算时，管网节点需水量采用最高日最高时水量的70％并将管网中所有管段逐次关闭模拟发生事故时管段关闭来进行计算，判断每个节点水压是否满足事故时节点的最小允许水头；

步骤3.3，按照消防时工况进行水力计算时，管网节点需水量采用最高日最高时并在最不利节点叠加消防水量进行计算，判断每个节点水压是否满足消防时节点的最小允许水头。

3.如权利要求1所述的基于给水管网规划设计要求的管网优化方法，其特征在于，所述步骤1中的管网基本参数包括管道拓扑结构、管道长度、管道摩阻系数、管网节点数以及管段数。

4.如权利要求1所述的基于给水管网规划设计要求的管网优化方法，其特征在于，所述步骤1中的优化计算参数根据优化算法不同选用不同的优化算法参数。

5.如权利要求1所述的基于给水管网规划设计要求的管网优化方法，其特征在于，所述步骤2中的优化算法为遗传算法、蚂蚁算法、神经网络算法等中的一种。

6.如权利要求1所述的基于给水管网规划设计要求的管网优化方法，其特征在于，所述步骤6中的优化算法的退出准则为遗传算法的退出准则、蚂蚁算法的退出准则、神经网络算法的退出准则等中的一种。