一种城镇环状给水管网的管径优化布置方法

摘要

一种城镇环状给水管网的管径优化布置方法，属于市政工程和城市供水管网领域，包括：建立当地管材数据库；基于C语言生成管网系统.inp文件；自动创建与当地管材数据库互馈的管径优化模型；提出一种ICS‑EPANET算法对该优化模型进行寻优，具体算法如下：通过随机游走方式和逼近原则生成初始管径矩阵，通过自适应螺旋Lévy飞行和动态发现概率的更新方式，实现与当地管材数据库形成互馈的管径矩阵的更新迭代，通过.inp文件和当地管材数据库的互馈进行EPANET水力判断，获得总投资最小的一组管径组合和一套管网系统信息。本发明有效解决了传统启发式算法确定管径时的不精确性，并适用于复杂系统的管网设计，可全局优化管网建设投资。

说明书

技术领域

本发明属于市政工程和城市供水管网领域，涉及一种管径优化布置方法，尤其涉及一种城镇环状给水管网的管径优化布置方法。

背景技术

环状和树状给水管网是城市现代化进程中的重要基础投资。较于树状管网，环状管网由于其地形适应性强、供水可靠性高、检修方便等优点，已成为当前城镇供水系统设计的首选。但环状管网的建设耗资巨大，传统的凭借经验确定管径的设计方式会造成投资的浪费，如果采用以减少投资成本为目标的优化方法进行管径设计，不仅能节省大量的投资成本，而且使给水管网的供水可靠性更高，既保证各需求点的供水要求，也使管网的供水压力不被浪费。随着城市供水需求的不断提高，城镇给水系统的日益复杂，如何在保证供水安全性及可靠性的前提下，开发并应用优化算法以尽可能的减少投资成本已成为当前管网设计的研究热点和关键问题。近些年，科学技术不断进步，计算机技术以及人工智能算法不断发展，这大大促进了启发式算法的发展，通过计算机技术处理给水管网优化设计问题的想法开始被提出。

目前，实际工程中的给水管网管径确定主要依靠的是设计人员的经验，无法做到真正的准确优化，且各类启发式算法各具优缺点，无法直接将其用于给水管网优化设计问题。

发明内容

本发明的目的是针对上述现有技术中存在的不足，提出一种城镇环状给水管网的管径优化布置方法，通过该优化方法可实现在保证供水安全性及可靠性的前提下进行管网管径优化，使得建设投资总费用最低。

本发明的技术方案：一种城镇环状给水管网的管径优化布置方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)获取当地不同管材的给水管商业信息，建立当地的管材数据库；

(2)基于水力分析引擎EPANET，完善城镇环状给水管网系统的初始条件和既定布置方式，输出城镇环状给水管网系统的.net文件；通过C语言读取管网系统.net文件，并在管网系统的初始条件和既定布置方式的各数据层中添加属性类别，创建.inp文件并将属性类别和其对应的管网信息写入；

(3)通过二进制方式读取管网系统.inp文件，根据属性类别自动提取.inp文件中管径优化模型所需的数据信息，并结合当地的管材数据库，自动生成与当地管材数据库互馈的管径优化模型；

(4)给水管网系统的管径矩阵U通过EPANET深度耦合改进布谷鸟算法程序(ICS-EPANET)，完成管网系统的管径矩阵U与当地管材数据库信息互馈的自动迭代优化，确定管网建设投资值最低的管径组合，具体ICS-EPANET算法步骤如下：

(4.1)初始化ICS-EPANET算法参数：设定管径矩阵U的的行数(N)、发现概率上限(Pa

(4.2)t＝1，通过随机游走方式和逼近原则生成初始N×n的管径矩阵U＝(d

(4.3)在第t次迭代中，采用ICS-EPANET对U进行自适应的迭代更新，其迭代公式如下：

自适应螺旋Lévy飞行的更新方式：

动态发现概率的更新方式：

x

式中：x

(4.4)将完成优化的管径矩阵U，通过步骤(4.2)的逼近原则离散取值，将新管径矩阵U的每个矩阵行覆盖.inp文件中的“管径”属性类别，且与当地管材数据库信息互馈，调整.inp文件中的海曾-威廉系数，进行EPANET水力判断，舍弃不满足约束的矩阵行；然后再通过步骤(4.2)的随机游走方式和逼近原则补充新矩阵行，新矩阵行再次通过.inp文件进行EPANET水力判断，直至管径矩阵U的全部矩阵行均满足约束，计算并排序管径矩阵U中所有矩阵行的管网建设投资值，t＝t+1；

(4.5)t＞t

(5)管网系统管径的ICS-EPANET优化结束后，输出最优管径矩阵行所对应的.inp文件中所有属性类别及其对应的管网信息。

步骤(1)中所述的管材数据库，包括：球墨铸铁管、PE管、焊接钢管、混凝土管管材的管道内径，及其所对应的商业价格和海曾-威廉系数。

步骤(2)中所述的城镇环状给水管网系统的初始条件和既定布置方式包括：各节点的既定编号、各节点的既定高程、各节点的既定出流量、各管段的既定编号、各管段的既定管长、各管段的初始管径、各管段的初始海曾威廉系数、可选商用管径及其对应的价格和海曾威廉系数。

步骤(2)中所述的数据信息的属性类别，包括：管段编号、管径、管长、海曾-威廉系数、节点编号和节点需求量。

步骤(3)中所述的优化模型是以各管段管径(D

目标函数:

约束1(节点连续性方程):

约束2(环能量方程):

约束3(节点最小水头):

式中：n为管段的数量，m为节点的数量，q为闭合回路的数量；L

步骤(4)中所述的通过逼近原则生成初始管径矩阵U的方式是：首先，通过式(8)随机生成N×n的管径矩阵U＝(d

x

式中：x

步骤(4)中所述的ICS-EPANET对管径矩阵U进行自动迭代更新的具体过程为：第t次迭代中，首先，计算并排序U中所有矩阵行(x

步骤(5)中所述的管网信息包括：投资建设的最小总费用、各管段的最优设计管径以及其对应的海曾-威廉系数、各节点的节点压力、各管段的水头损失、各管段输送流量。

本发明的有益效果为：本发明提出的一种城镇环状给水管网的管径优化布置方法，本方法通过建立当地管材数据库，基于C语言生成管网系统.inp文件，自动生成了与当地管材数据库互馈的，以管网投资总费用最小为目标的离散非线性管径优化模型；通过随机游走方式和逼近原则生成初始管径矩阵，通过自适应螺旋Lévy飞行和动态发现概率的更新方式，实现与当地管材数据库形成互馈的管径矩阵的更新迭代，通过.inp文件和当地管材数据库的互馈进行EPANET水力判断，获得总投资最小的一组管径组合和一套管网系统信息，方法科学合理，有效解决了环状给水管网优化模型中等式约束多、极易陷入局部最优、管径离散化及传统启发式算法确定管径时的不精确性等问题，适用于复杂系统的管网设计，可全局优化管网建设投资。

附图说明

图1为本发明一种城镇环状给水管网的管径优化布置方法流程图。

图2为本发明实施例的供水主管网布置图(a.节点信息表；b.可选商业管径尺寸价格；c.管网布置图)。

图3为本发明ICS-EPANET算法在实施例中的投资收敛曲线及运行时间曲线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

如图3所示，为一种城镇环状给水管网的管径优化布置方法，选取溧阳市中心水厂供水主管网作为实验研究对象。该管网是由22个节点(节点1为源节点)、32个管段以及11个环组成的管网系统。出厂的水压高程为51.0m，各节点的最小允许水头为28m。

如图1、图2所示，具体实施步骤如下：

(1)获取当地不同管材的给水管商业信息，建立当地的管材数据库，包括：球墨铸铁管、PE管、焊接钢管、混凝土管等常见管材的可选商业管道内径，及其所对应的当地商业价格和海曾-威廉系数。

(2)基于水力分析引擎EPANET，完善城镇环状给水管网系统的初始条件和既定布置方式，即：各节点的既定编号、各节点的既定高程、各节点的既定出流量、各管段的既定编号、各管段的既定管长、各管段的初始管径、各管段的初始海曾威廉系数、可选商用管径及其对应的价格和海曾威廉系数，输出城镇环状给水管网系统的.net文件；通过C语言读取管网系统.net文件，并在管网系统的初始条件和既定布置方式的各数据层中添加属性类别，即：管段编号、管径、管长、海曾-威廉系数、节点编号和节点需求量，创建.inp文件并将属性类别和其对应的管网信息写入。

(3)通过二进制方式读取管网系统.inp文件，根据属性类别自动提取.inp文件中管径优化模型所需的数据信息，并结合当地的管材数据库，自动生成与当地管材数据库互馈的，以各管段管径(D

目标函数:

约束1(节点连续性方程):

约束2(环能量方程):

约束3(节点最小水头):

式中：n为管段的数量，m为节点的数量，q为闭合回路的数量；L

(4)将给水管网系统的管径矩阵U通过EPANET深度耦合改进布谷鸟算法程序(ICS-EPANET)，完成管网系统的管径矩阵U与当地管材数据库信息互馈的自动迭代优化，确定管网建设投资值最低的管径组合，具体ICS-EPANET算法步骤如下：

步骤4.1，初始化ICS-EPANET算法参数：设定管径矩阵U的的行数(N)、发现概率上限(Pa

步骤4.2，t＝1，通过随机游走方式和逼近原则(离散方法)生成初始N×n的管径矩阵U＝(d

x

式中：x

步骤4.3，在第t次迭代中，采用ICS-EPANET对U进行自动迭代更新，其迭代公式如下：

自适应螺旋Lévy飞行的更新方式：

动态Pa的更新方式：

x

式中：x

ICS-EPANET对管径矩阵U进行自动迭代更新的具体过程为：第t次迭代中，首先，计算并排序U中所有矩阵行(x

步骤4.4，将完成优化的管径矩阵U，通过步骤2.2的逼近原则离散取值，将新管径矩阵U的每个矩阵行覆盖.inp文件中的“管径”属性类别，且与当地管材数据库信息互馈，调整.inp文件中的海曾-威廉系数，进行EPANET水力判断，舍弃不满足约束的矩阵行；然后再通过步骤2.2的随机游走方式和逼近原则补充新矩阵行，新矩阵行再次通过.inp文件进行EPANET水力判断，直至管径矩阵U的全部矩阵行均满足约束，计算并排序管径矩阵U中所有的矩阵行的管网建设投资值，t＝t+1；

步骤4.5，t＞t

(5)管网系统管径的ICS-EPANET优化结束后，输出最优管径矩阵行所对应的.inp文件中所有属性类别及其对应的管网信息，包括：投资建设的最小总费用、各管段的最优设计管径以及其对应的海曾-威廉系数、各节点的节点压力、各管段的水头损失、各管段输送流量。

如图3所示为投资平均值为每次迭代时重复计算100次的平均值；最小投资值为100次中的最小值；平均运行时间为100次运行时间的平均值；表1为本发明实施例的供水主管网的实际管径、实际投资、优化后的最优管径和最小投资；表2为本发明实施例的供水主管网实际节点压力以及优化后的节点压力。通过表1、表2、图3所示，实施例的管网矩阵经本方法优化后，确定了最优管径矩阵行、各管段的最优管径和投资、各节点水头和最小管网建设投资。

表1

注：管段投资差＝第i管段应用实际管径的费用-第i管段应用优化管径的费用。投资差占比＝管段投资差÷(管网统应用实际管径的总投资-管网系统应用优化管径的总投资)×100％，其中管网系统应用实际管径的总投资7.41×10

表2