基于改进遗传算法的城市给水管网优化设计研究与应用

摘要

城市供水系统是城市建设和发展的重要基础设施，而城市给水管网是城市供水系统的重要环节,也是保障人民生产、生活不可或缺的物质基础。其投资一般要占整个供水系统总投资的60-70％，给水管网的布置和结构在很大程度上影响到给水工程的总造价和运行管理中的能耗，而且还会影响到供水水质。因此，对给水管网进行优化设计具有重要的现实意义。
　　 论文首先对国内外现有的管网优化设计研究进行了总结、分析，并指出其优点和不足之处。通过对现有管网优化设计数学模型的分析，建立了以管网造价与年折算费用为目标函数的数学模型，另外，考虑到货币的时间价值，采用动态分析方法，同时，把最小服务水头和流速约束条件以罚函数的形式纳入目标函数中。
　　 在选用水力计算方法时，通过对解环方程法、解管段方程法和解节点方程法三种水力计算方法的研究与对比，最后选用解节点方程法进行管网水力计算，解节点方程法首先假定每一节点的水压，应用流量连续性方程和管段压降方程的关系，通过计算，求出每一节点的水压，节点水压确定以后，根据任一条管段两端节点水压的差值就是该管段水头损失的特点，求出管段的水头损失，利用流量和水头损失的关系求出管段的流量。解节点方程的水力计算方法所求解的方程数目少,求解的速度也快,比较适用于计算机的求解，工程上常用的方法是哈代—克罗斯法。
　　 论文选用遗传算法作为优化模型算法，首先对基本遗传算法进行阐述，在基本遗传算法的基础上，使用整数编码技术对管径变量进行编码，避免了其它编码方法带来的二次圆整问题;运用相似度和个体适应度值进行初始群体的筛选，增加群体的多样性，使个体平均分配在解空间中。提高了遗传算法收敛的速度和搜索的效率；对适应度函数作线性比例变换，适当放大个体间的适应度值的差异，借此来提高选择强度，避免了早熟现象的产生；对遗传算法中的选择算子、交叉算子、变异算子以及部分参数的设置采取改进措施，使改进后的遗传算法不但能够保存可行解，而且能够充分利用非可行解中的可行部分，使遗传算法能够有效地搜索到可行的最优解，避免陷入局部最优解。
　　 利用Matlab强大的数值和矩阵计算能力编写管网优化计算程序和水力计算子程序，使遗传算法的计算全部由计算机自动实现。
　　 最后，以河南省信阳市某镇供水工程为例，对优化模型验证，将计算结果与常规设计方法得到的结果进行比较，结果表明该方法在给水管网设计中具有重要的理论和实用价值。

目录

文摘

英文文摘

声明

1 绪论

2 管网优化模型的建立

3 给水管网水力计算方法的研究

4 算法的原理与设计

5 给水管网遗传算法参数的设计

6 工程实例

7 结论与建议

攻读硕士学位期间发表的论文及参加的科研项目和活动

致 谢

参考文献