基于改进自适应遗传算法的污水管网优化设计研究与实践

摘要

本文主要研究的是在污水管线确定的前提下，对新建的污水管网进行参数优化设计。随着一些分析方法的产生和计算机技术发展，许多人已将遗传算法应用到污水管网优化设计当中，由于该方法采用固定的交叉概率和变异概率，使得算法在寻优的过程中很容易出现局部最优的现象，尤其在解决大型、多“基因型”的个体进化时，不能符合原本达尔文进化论中的“物竞天择，适者生存”原则，因此只能局限于小型的管网优化设计，不能应用于大型管网设计。同时国内对污水管网软件模拟很少，对于污水管网优化设计也只是局限在理论计算方面。针对上述中存在的问题，本论文基于新的自适应遗传算法和污水管网计算方法，对已定线的新建污水管网参数进行优化设计，最后基于SWMM模型软件对优化后的设计方案进行实际运行模拟，保证方案可实施性。具体工作如下：
　　1.在污水管网平面布置确定的基础上，根据污水管网水力特性，建立了污水管网优化的水力计算模型。
　　2.总结了传统的遗传算法参与优化设计时运行求解存在的优缺点，介绍了有关自适应遗传算法的产生及其研究现状，以及应用在污水管网优化设计方面的效果。
　　3.详细论述了本文对新建污水管网优化设计时采用的新改进的自适应遗传算法，通过引入相似系数的概念，以logistic曲线方程为基础，构建出新的交叉概率和变异概率的调节公式。针对市售管径离散性特点，采用自然数编码法表示各管段中的管径规格，利用MATLAB编写程序，在算法进行优化前，为了扩大可行性解空间，利用水力计算程序对选取管径后的水力参数进行校核计算，防止算法选择的管径因不满足水力约束而淘汰。并对QD市某小型的污水干管实例优化分析，掌握新算法中参数调整规律，并与传统遗传算法和自适应遗传算法优化结果比较，验证了本文采用改进的自适应算法与排水管网优化设计结合的可行性和优越性。
　　4.以“JZ市老城区合流制管网改造工程项目”的大型污水管网的优化设计为研究对象，利用新改进的自适应遗传算法对其进行优化设计，并与基本的遗传算法对比，两种算法在采用相同费用函数、约束条件和管段设计流量的前提下，采用的本文的自适应遗传算法得出的污水管道各项参数设置优于基本遗传算法得出的结果，在总费用上节省7.2%。
　　5.为了模拟管网优化方案在JZ市实际运行情况，本文应用SWMM模型软件对新建污水管网进行水力模拟，将一天污水流量变化转化为降水，执行无压力流，尽可能模拟出优化区域内污水管道一天中水力运行的情况。通过模拟后，该方优化案输水能力满足了设计要求，调出的各项水力参数也满足约束。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 研究背景

1.2 国内外研究现状

1.3 研究的目的和意义

1.4 主要的研究内容及技术路线

第2章 污水管网模型特征及污水量计算

2.1 污水管网水力特性描述

2.2 污水管网水力模型建立

2.3 污水管网结构特征描述

2.4 本章小结

第3章 自适应遗传算法对定线的污水管网优化

3.1 遗传算法GA（Genetic Algorithm）

3.2 自适应的遗传算法（AGA Adopt Genetic Algorithms）

3.3目标函数和适应度函数

3.4污水管网结构矩阵表达

3.5 水力计算编程和遗传算子设置

3.6 本文自适应遗传算法对污水管网优化流程

3.7 本文自适应遗传算法算例分析

3.8 本章小结

第4章 工程案例

4.1研究区域背景

4.2 研究区域概况

4.3 研究区域排水系统体制及存在的问题

4.4研究区域新建污水管网排水分区划分

4.5 新建管线计划

4.6 管材选择

4.7 优化设计

4.8本章小结

第5章 基于SWMM对污水管网方案进行水力模拟

5.1 SWMM模型简介

5.2 SWMM模型构成

5.3 SWMM模型应用

5.4 SWMM的污水管网水力模拟

5.5 本章小节

第6章 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

攻读硕士期间发表的学术论文及科研工作

致谢