樹(shù)狀給水管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究現(xiàn)狀綜述

吳亞群

摘要：樹(shù)狀給水管網(wǎng)系統(tǒng)廣泛地應(yīng)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(jì)，通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)，可得到投資省、成本低且高效的設(shè)計(jì)方案。本文通過(guò)對(duì)樹(shù)狀給水管網(wǎng)優(yōu)化現(xiàn)狀的調(diào)查分析，列舉目前國(guó)內(nèi)外有關(guān)樹(shù)狀給水管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的相關(guān)研究，希望給從事相關(guān)工作的人員提供參考與幫助。

關(guān)鍵詞：樹(shù)狀給水管網(wǎng)；優(yōu)化設(shè)計(jì)；研究現(xiàn)狀

中圖分類(lèi)號(hào)：G710 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2015）50-0235-02

一、前言

水資源作為人類(lèi)發(fā)展的命脈，在生產(chǎn)、生活各個(gè)領(lǐng)域起到至關(guān)重要的作用。做好水輸送、水安全的各項(xiàng)工作，對(duì)整個(gè)城市的發(fā)展顯得尤為重要。中國(guó)作為一個(gè)發(fā)展中國(guó)家，各項(xiàng)基礎(chǔ)設(shè)施比較薄弱，加上技術(shù)經(jīng)濟(jì)水平的限制，很多輸水工程都有很大的優(yōu)化進(jìn)步空間。當(dāng)前情況下，我國(guó)大多數(shù)的水輸送系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)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(yàn)為主，缺乏必要的合理性匯入經(jīng)濟(jì)性分析。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，城鎮(zhèn)化進(jìn)程不斷加快，用水量隨之增加，對(duì)水質(zhì)、水量、水壓的要求越來(lái)越高。有關(guān)數(shù)據(jù)顯示，我國(guó)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(yàn)值來(lái)確定輸配水管網(wǎng)的管徑、坡道等設(shè)計(jì)參數(shù)，缺乏科學(xué)依據(jù)。在實(shí)際的管網(wǎng)運(yùn)行中，各種工況是非常復(fù)雜的，不能夠僅僅憑著幾種簡(jiǎn)單的方案對(duì)比來(lái)確定管網(wǎng)建設(shè)的方案，否則很難建立最為經(jīng)濟(jì)，最為可行的供水系統(tǒng)。由于一些管網(wǎng)中的管段使用時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，年久失修，管道的腐蝕程度又比較嚴(yán)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(shí)間的推移，越積越多，這些都會(huì)使供水產(chǎn)生二次污染，嚴(yán)重時(shí)甚至可能會(huì)對(duì)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(shè)計(jì)和改善不僅影響到合理的供水電耗，還關(guān)系到適應(yīng)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(xiàng)因素。因此，對(duì)城市供水管網(wǎng)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)研究不僅是城市供水行業(yè)急需解決、關(guān)系到供水行業(yè)技術(shù)進(jìn)步的一個(gè)重要內(nèi)容，也是具有重要社會(huì)效益和重大經(jīng)濟(jì)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(shè)計(jì)，應(yīng)該考慮到四個(gè)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(shí)的水量）和經(jīng)濟(jì)性。給水輸配水管網(wǎng)通過(guò)管道（渠）將水輸送到各個(gè)節(jié)點(diǎn)，在保證各個(gè)節(jié)點(diǎn)所需服務(wù)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(gè)組成部分的管段規(guī)格和尺寸，由此獲得最經(jīng)濟(jì)的設(shè)計(jì)方案，就是管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)要解決的首要問(wèn)題。

給水輸配水管網(wǎng)系統(tǒng)的優(yōu)化問(wèn)題主要分為三個(gè)大的方面：第一，給水輸配水管網(wǎng)的優(yōu)化布置問(wèn)題；第二，給水輸配水管網(wǎng)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)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(yáng)程和確定好各級(jí)管道的具體尺寸，從而達(dá)到系統(tǒng)管網(wǎng)的年費(fèi)用折算值（或投資）最小的目標(biāo)；第三，給水輸配水管網(wǎng)的優(yōu)化調(diào)度問(wèn)題。

三、樹(shù)狀給水管網(wǎng)基本形式

樹(shù)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(shè)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(shè)置泵站以進(jìn)行系統(tǒng)的壓力調(diào)節(jié)。一般情況，當(dāng)水源處地面標(biāo)高較高時(shí)，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(fèi)用和后期的運(yùn)營(yíng)管理費(fèi)用都較低；但當(dāng)不具備水源位置優(yōu)勢(shì)時(shí)，可在管網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)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(shè)置水塔或不設(shè)水塔兩種方式；一般設(shè)置水塔的目的主要是緩解二級(jí)泵站的工作壓力，降低能耗，滿足用戶多變的用水需求。實(shí)驗(yàn)證明，通過(guò)設(shè)置水塔不但可降低泵站的設(shè)計(jì)流量，縮短二級(jí)泵站工作時(shí)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(shì)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(duì)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(lái)國(guó)內(nèi)外許多的專(zhuān)家學(xué)者對(duì)樹(shù)狀管網(wǎng)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)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(shù)狀管網(wǎng)兩級(jí)優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)的模型，并采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法實(shí)現(xiàn)了樹(shù)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(luò)技術(shù)的兩級(jí)優(yōu)化設(shè)計(jì)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(luò)技術(shù)的兩級(jí)優(yōu)化設(shè)計(jì)模型是實(shí)現(xiàn)樹(shù)狀管網(wǎng)全局優(yōu)化設(shè)計(jì)的一種新方法；2002年周榮敏和買(mǎi)文寧等專(zhuān)家[2]應(yīng)用Hopfield神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的優(yōu)化計(jì)算原理與方法，建立了自壓式樹(shù)狀管網(wǎng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)模型，并用計(jì)算機(jī)軟件模擬方法進(jìn)行求解。研究結(jié)果表明：人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法是快速求解自壓式樹(shù)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(jí)優(yōu)化算法可以實(shí)現(xiàn)樹(shù)狀管網(wǎng)全局的最優(yōu)化設(shè)計(jì)；2002年周榮敏和雷延峰等專(zhuān)家[3]分別用單親遺傳算法和Hopfield神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法進(jìn)行了機(jī)壓式樹(shù)狀管網(wǎng)的優(yōu)化布置及優(yōu)化設(shè)計(jì)，能夠在管網(wǎng)投資的最小及最優(yōu)的樹(shù)狀管網(wǎng)的布置形式上，獲得每年費(fèi)用最低及最優(yōu)設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)水平及設(shè)計(jì)效率。2004年白丹和高彬[4，5]等學(xué)者針對(duì)對(duì)置水塔樹(shù)狀管網(wǎng)系統(tǒng)和網(wǎng)前水塔樹(shù)狀管網(wǎng)系統(tǒng)的組成部分的壓力及流量關(guān)系，以管網(wǎng)系統(tǒng)每年消耗費(fèi)用最小值作為目標(biāo)函數(shù)，在保證管網(wǎng)系統(tǒng)滿足各節(jié)點(diǎn)所需流量和壓力的條件下，建立起該類(lèi)管網(wǎng)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)的線性規(guī)劃模型，并獲得了不錯(cuò)的優(yōu)化效果；2008年馬孝義和范興業(yè)等專(zhuān)家[6]針對(duì)樹(shù)狀管網(wǎng)布置中較多依賴設(shè)計(jì)人員經(jīng)驗(yàn)的缺陷，提出了一種基于整數(shù)編碼遺傳算法的樹(shù)狀管網(wǎng)的兩級(jí)優(yōu)化的方法。第一級(jí)優(yōu)化的途徑是根據(jù)樹(shù)狀管網(wǎng)單點(diǎn)供水的原則進(jìn)行，建立了結(jié)合實(shí)際工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的樹(shù)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(jìn)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(shí)際情況的管網(wǎng)布置優(yōu)化方案。第二級(jí)優(yōu)化的途徑是在確定管網(wǎng)布置方案組的基礎(chǔ)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(lèi)管網(wǎng)的兩級(jí)優(yōu)化設(shè)計(jì)的Matlab程序，進(jìn)行了大量工程實(shí)例的驗(yàn)證，并與單親遺傳算法（SPGA）和管網(wǎng)布置經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法進(jìn)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(shè)計(jì)途徑可以方便地將設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)融入到優(yōu)化設(shè)計(jì)計(jì)算方案中，并能降低管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的復(fù)雜性以及求解難度，可快速有效地求解符合實(shí)際工程的管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。2012年周榮敏和雷延峰[7]將改進(jìn)的單親遺傳算法并采用Kruskal算法及Dijkstra算法進(jìn)行了群體初始化代替隨機(jī)群體初始化的過(guò)程；采用輪盤(pán)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(jiǎn)潔明了；增加單一化的最優(yōu)化群體，并自動(dòng)更新最優(yōu)化群體來(lái)適應(yīng)度值的下限。研究結(jié)果表明，通過(guò)一系列的改進(jìn)，在同樣能獲得最優(yōu)化解的前提下，運(yùn)行程序的時(shí)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(jìn)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(zhuān)家利用組合的遺傳算法，針對(duì)大多數(shù)的樹(shù)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(jí)優(yōu)化方法，結(jié)果證明該方法可以進(jìn)一步使管網(wǎng)系統(tǒng)得到整體的優(yōu)化設(shè)計(jì)，使管網(wǎng)在滿足規(guī)范設(shè)計(jì)的要求時(shí)同時(shí)可以明顯地降低工程的總投資。2013年許文斌和王圃等專(zhuān)家以管網(wǎng)每年消耗費(fèi)用的折算值作為目標(biāo)函數(shù)，以管徑的優(yōu)化作為參數(shù)，建立起了樹(shù)狀供水管網(wǎng)的最優(yōu)化的設(shè)計(jì)模型。根據(jù)樹(shù)狀流量管網(wǎng)的單一性，結(jié)合工程實(shí)際情況將支管和干管的大型樹(shù)狀管網(wǎng)按照不同的層次進(jìn)行了分解，再逐層應(yīng)用模擬退火遺傳的算法對(duì)這一模型進(jìn)行了求解。這樣可以最大地避免因整個(gè)樹(shù)狀管網(wǎng)系統(tǒng)管段數(shù)過(guò)多以及染色體過(guò)長(zhǎng)而導(dǎo)致的進(jìn)化容易陷入局部的最優(yōu)解或者難以收斂等缺點(diǎn)。同時(shí)，在算法應(yīng)用過(guò)程中，并對(duì)退火遺傳算法進(jìn)行了適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)，使其更有效地應(yīng)用到實(shí)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(shù)狀管網(wǎng)設(shè)計(jì)中，枝解法的優(yōu)化算法可以更好地獲得優(yōu)化運(yùn)行效果。

五、結(jié)語(yǔ)

從以上的研究數(shù)據(jù)來(lái)看，目前關(guān)于樹(shù)狀給水管網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)研究是相對(duì)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(shù)狀供水管網(wǎng)系統(tǒng)的，同時(shí)也有適用于農(nóng)田灌溉管網(wǎng)的，且其優(yōu)化模型應(yīng)用于實(shí)際的生產(chǎn)運(yùn)行中時(shí)，都取得了較好的優(yōu)化設(shè)計(jì)效果，為生產(chǎn)一線提供了寶貴的參考價(jià)值。

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