[技術(shù)領(lǐng)域]
本發(fā)明涉及給水管網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)及優(yōu)化技術(shù)領(lǐng)域，具體來(lái)說(shuō)是一種基于多目標(biāo)分層選擇的多工況給水管網(wǎng)優(yōu)化方法。
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背景技術(shù)：
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隨著工業(yè)生產(chǎn)能力的提高，城市人口的不斷增加，以及人民生活水平的不斷改善，對(duì)城市供水系統(tǒng)的要求也越來(lái)越高，供水系統(tǒng)的規(guī)模在不斷擴(kuò)大，復(fù)雜性隨之提高。我國(guó)數(shù)以百計(jì)的城市給水系統(tǒng)消耗的電能是很大的，傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)規(guī)劃設(shè)計(jì)方式管徑選配不盡合理，資源浪費(fèi)甚大，已不能適應(yīng)現(xiàn)代社會(huì)發(fā)展的需求。如果采用優(yōu)化設(shè)計(jì)，不僅能節(jié)省大量資源，而且使管網(wǎng)能在合理的狀態(tài)下運(yùn)行，既保證供水的要求，也使管網(wǎng)的壓力更為合理。面對(duì)日益復(fù)雜的供水系統(tǒng)，如何在滿足供水水量、水壓及水質(zhì)要求的前提下，最大限度地提高供水系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，是擺在所有供水部門(mén)面前的重要課題。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，數(shù)學(xué)規(guī)劃、現(xiàn)代控制理論及計(jì)算機(jī)技術(shù)等的不斷發(fā)展，有力地促進(jìn)了大型系統(tǒng)的控制和管理水平的提高，使供水系統(tǒng)借助計(jì)算機(jī)工具進(jìn)行科學(xué)的調(diào)度管理成為可能。
鑒于上述情況，發(fā)明人于申請(qǐng)?zhí)枮椋?015110314902的專利申請(qǐng)中公開(kāi)了一種基于給水管網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)要求的管網(wǎng)優(yōu)化方法，結(jié)合多工況下的水量水壓要求，計(jì)算出貼近實(shí)際符合規(guī)范要求的管道直徑，但是該優(yōu)化方法的步驟5只考慮的管網(wǎng)總費(fèi)用，并以此為依據(jù)對(duì)管道直徑組合進(jìn)行排序，即該方法僅以經(jīng)濟(jì)性為目的，只考慮了管網(wǎng)費(fèi)用的因素，不能滿足例如管網(wǎng)熵值、管網(wǎng)壓力、供水安全性等其他方面目標(biāo)的要求。
為此，發(fā)明人在在先申請(qǐng)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了進(jìn)一步的有益探索和嘗試，找到了解決上述問(wèn)題的辦法，下面將要介紹的技術(shù)方案便是在這種背景下產(chǎn)生的。
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技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
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本發(fā)明的目的在于解決現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于多目標(biāo)分層選擇的多工況給水管網(wǎng)優(yōu)化方法，該優(yōu)化方法基于對(duì)包括經(jīng)濟(jì)性和供水安全性等的多種因素的考慮，并在滿足多工況的水量水壓的要求下，獲得給水管網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)階段最優(yōu)的管道直徑組合。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，設(shè)計(jì)一種基于多目標(biāo)分層選擇的多工況給水管網(wǎng)優(yōu)化方法，包括：
步驟1，采集管網(wǎng)基本參數(shù)和確定優(yōu)化計(jì)算參數(shù)；
步驟2，根據(jù)管網(wǎng)基本參數(shù)和優(yōu)化計(jì)算參數(shù)，通過(guò)優(yōu)化算法生成一組管道直徑組合d1，d2，…dp；
步驟3，分別對(duì)多工況進(jìn)行水力計(jì)算，獲得各工況節(jié)點(diǎn)水壓；
步驟4，判斷每個(gè)節(jié)點(diǎn)水壓是否滿足各工況最小允許水頭，若判斷為是，則進(jìn)入步驟5，若判斷為否，則返回步驟2；
其特征在于，所述的方法還包括如下步驟：
目標(biāo)函數(shù)：f1(d1,d2,…dp)
f2(d1,d2,…dp)
...
fm(d1,d2,…dp)
約束條件：
式中，f1、f2……fm為第1至m個(gè)目標(biāo)函數(shù)，di為第i根管段的管徑；p為管網(wǎng)中管道個(gè)數(shù)；qi為與節(jié)點(diǎn)j直接連接的第i根管段的流量；qj為節(jié)點(diǎn)j的節(jié)點(diǎn)流量；sk為與節(jié)點(diǎn)i直接連接的管段集合；n為管網(wǎng)中節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)；hfi為管段i的上端節(jié)點(diǎn)水頭；hti為管段i的下端節(jié)點(diǎn)水頭；hi為管段i的壓降；s為管的摩阻系數(shù)；li為第i管段長(zhǎng)度；hj,s為工況s時(shí)節(jié)點(diǎn)j的服務(wù)水頭；
步驟6，分別對(duì)各目標(biāo)函數(shù)的目標(biāo)值進(jìn)行排序，根據(jù)各目標(biāo)函數(shù)設(shè)定的分層優(yōu)選比am％確定所求解總量的各層最優(yōu)解集pm；
步驟7，判斷是否滿足依照步驟1所選擇的優(yōu)化算法的退出準(zhǔn)則，若判斷為是，則進(jìn)入步驟8，若判斷為否，則返回步驟2；
步驟8，在滿足各層最優(yōu)解集pm中，按照目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行排序獲得最優(yōu)目標(biāo)函數(shù)的一組管道直徑即為最優(yōu)結(jié)果。
在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例中，所述的目標(biāo)函數(shù)包括：f1、f2……fm，m個(gè)目標(biāo)函數(shù)，例如：管網(wǎng)總費(fèi)用minw(d1,d2,…dp)，管網(wǎng)熵值總和maxs(d1,d2,…dp)和管網(wǎng)可靠度maxr(d1,d2,…dp)。
在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例中，所述的分層優(yōu)選比am％的可取范圍為20％-60％。
在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例中，所述的步驟8具體如下：在第一層的最優(yōu)解集p1的范圍中，選取滿足第二層的最優(yōu)解集p2的管徑組合，并以此為新的第二層的最優(yōu)解集p2；在新的第二層的最優(yōu)解集p2的范圍中，選取滿足第三層的最優(yōu)解集p3的管徑組合，并以此為新的第三層的最優(yōu)解集p3.......以此類推，獲得最終的滿足f1、f2、f3....fm目標(biāo)函數(shù)的最優(yōu)解集pm，并選擇排序的最優(yōu)作為整個(gè)項(xiàng)目的最優(yōu)解。若在最終的最優(yōu)解集pm中存在多個(gè)解，即有多組管徑組合滿足所有的目標(biāo)函數(shù)，則以滿足最后一個(gè)目標(biāo)函數(shù)的最優(yōu)解集中的最優(yōu)值，作為最終解。所述的最后一個(gè)目標(biāo)函數(shù)為判斷經(jīng)濟(jì)最優(yōu)的函數(shù)。
本發(fā)明同現(xiàn)有技術(shù)相比，其優(yōu)點(diǎn)在于：本發(fā)明的管網(wǎng)直徑組合方式龐大，針對(duì)以往僅滿足單工況水量水壓要求以及計(jì)算目標(biāo)僅以經(jīng)濟(jì)性為目標(biāo)的問(wèn)題，通過(guò)計(jì)算機(jī)編程計(jì)算的方法可獲得貼近實(shí)際并符合規(guī)劃設(shè)計(jì)要求的管徑組合，并考慮了多個(gè)方面的綜合因素，包括例如經(jīng)濟(jì)性、熵值、供水安全等綜合方面因素最優(yōu)的管道組合，從而增強(qiáng)了管網(wǎng)布置的科學(xué)性，提高工作效率。
[附圖說(shuō)明]
圖1是本發(fā)明的流程框圖。
[具體實(shí)施方式]
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明，這種方法的原理對(duì)本專業(yè)的人來(lái)說(shuō)是非常清楚的。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。
參見(jiàn)圖1，所述的一種基于多目標(biāo)分層選擇的多工況給水管網(wǎng)優(yōu)化方法，包括以下步驟：
步驟1，采集管網(wǎng)基本參數(shù)和確定優(yōu)化計(jì)算參數(shù)，其中，管網(wǎng)基本參數(shù)包括管道拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、管道長(zhǎng)度、管道摩阻系數(shù)、管網(wǎng)節(jié)點(diǎn)數(shù)以及管段數(shù)等；優(yōu)化計(jì)算參數(shù)根據(jù)優(yōu)化算法不同選用不同的優(yōu)化算法參數(shù)，例如，選擇遺傳算法，則其需要的優(yōu)化參數(shù)包括種群大小、變異率、交叉率、懲罰倍數(shù)、遺傳代數(shù)等，當(dāng)然，也可以采用其他優(yōu)化算計(jì)進(jìn)行優(yōu)化選擇；
步驟2，根據(jù)管網(wǎng)基本參數(shù)和優(yōu)化計(jì)算參數(shù)，通過(guò)優(yōu)化算法生成一組管道直徑組合d1，d2，…dp，其中d1，d2，…dp分別為第1段管道至第p段管道的管徑，這里的優(yōu)化算法為遺傳算法、螞蟻算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法等中的一種；
步驟3，分別對(duì)多工況，例如最高日最高時(shí)工況、事故時(shí)工況以及消防時(shí)工況等工況，進(jìn)行水力計(jì)算，獲得各工況節(jié)點(diǎn)水壓；
步驟4，判斷每個(gè)節(jié)點(diǎn)水壓是否滿足各工況最小允許水頭，若判斷為是，則進(jìn)入步驟5，若判斷為否，則返回步驟2；
步驟5，分別對(duì)基于管道直徑組合d1，d2，…dp的m個(gè)目標(biāo)函數(shù)f進(jìn)行計(jì)算，得出各目標(biāo)函數(shù)的目標(biāo)值；基于管道直徑組合d1，d2，…dp的m個(gè)目標(biāo)函數(shù)f包括：
約束條件：
式中，di為第i根管段的管徑；
p為管網(wǎng)中管道個(gè)數(shù)；
w為以管網(wǎng)管徑為變量的管網(wǎng)總費(fèi)用；
s為以管網(wǎng)管徑為變量的管網(wǎng)熵值總和；
r為以管網(wǎng)管徑為變量的管網(wǎng)可靠度的值；
qi為與節(jié)點(diǎn)j直接連接的第i根管段的流量；
qj為節(jié)點(diǎn)j的節(jié)點(diǎn)流量；
sk為與節(jié)點(diǎn)i直接連接的管段集合；
n為管網(wǎng)中節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)；
hfi為管段i的上端節(jié)點(diǎn)水頭；
hti為管段i的下端節(jié)點(diǎn)水頭；
hi為管段i的壓降；
s為管的摩阻系數(shù)；
li為第i管段長(zhǎng)度；
hj,s為工況s時(shí)節(jié)點(diǎn)j的服務(wù)水頭；
qi為第i根管段流量；
qmini為第i根管段最小設(shè)計(jì)流量；
當(dāng)然，所述的目標(biāo)函數(shù)不僅限于上述的目標(biāo)函數(shù)minw(d1,d2,d3…dp)、maxs(d1,d2,d3…dp)和管網(wǎng)可靠度maxr(d1,d2,…dp)，還包括其他與給水管網(wǎng)有關(guān)的目標(biāo)函數(shù)，包括有關(guān)物理、化學(xué)、經(jīng)濟(jì)性、安全性參數(shù)的目標(biāo)函數(shù)。
步驟6，分別對(duì)各目標(biāo)函數(shù)的目標(biāo)值進(jìn)行排序，根據(jù)各目標(biāo)函數(shù)設(shè)定的分層優(yōu)選比am％確定所求解總量的各層最優(yōu)解集pm，即當(dāng)一組管徑組合通過(guò)第m個(gè)目標(biāo)函數(shù)fm得出的目標(biāo)值位于各管徑組合通過(guò)第m個(gè)目標(biāo)函數(shù)fm得出的目標(biāo)值的前am％時(shí)，即將該管徑組合列入最優(yōu)解集pm中；優(yōu)選地，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取值，分層優(yōu)選比am％的可取范圍為20％-60％。
其具體步驟如下：以f1為目標(biāo)函數(shù)，進(jìn)行由高到低的排序，根據(jù)優(yōu)選比a1％，能獲得優(yōu)選集p1，以此為第一層的最優(yōu)解集；以f2為目標(biāo)函數(shù)，進(jìn)行由高到低的排序，根據(jù)優(yōu)選比a2％，能獲得優(yōu)選集p2，以此為第二層的最優(yōu)解集；……以fm為目標(biāo)函數(shù)，進(jìn)行由高到低的排序，根據(jù)優(yōu)選比am％，能獲得優(yōu)選集pm，以此為第m層的最優(yōu)解集。
步驟7，判斷是否滿足依照步驟1所選擇的優(yōu)化算法的退出準(zhǔn)則，該優(yōu)化算法的退出準(zhǔn)則為遺傳算法的退出準(zhǔn)則、螞蟻算法的退出準(zhǔn)則、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的退出準(zhǔn)則等中的一種，例如，遺傳算法中以滿足遺傳代數(shù)為退出準(zhǔn)則，當(dāng)計(jì)算達(dá)到遺傳代數(shù)時(shí)退出；若判斷為是，則進(jìn)入步驟8，若判斷為否，則返回步驟2；
步驟8，在滿足各層最優(yōu)解集pm中，按照各目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行排序獲得最優(yōu)目標(biāo)函數(shù)的一組管道直徑即為最優(yōu)結(jié)果，即選擇出在m個(gè)最優(yōu)解集pm中綜合排序最優(yōu)的一組管道直徑為最優(yōu)結(jié)果。
其具體步驟如下：在第一層的最優(yōu)解集p1的范圍中，選取滿足第二層的最優(yōu)解集p2的管徑組合，并以此為新的第二層的最優(yōu)解集p2；在新的第二層的最優(yōu)解集p2的范圍中，選取滿足第三層的最優(yōu)解集p3的管徑組合，并以此為新的第三層的最優(yōu)解集p3.......以此類推，獲得最終的滿足f1、f2、f3....fm目標(biāo)函數(shù)的解，并選擇排序的最優(yōu)作為整個(gè)項(xiàng)目的最優(yōu)解。若在最終的最優(yōu)解集pm中存在多個(gè)解，即有多組管徑組合滿足所有的目標(biāo)函數(shù)，則以滿足最后一個(gè)目標(biāo)函數(shù)的最優(yōu)解集中的最優(yōu)值，作為最終解，即得到最終的管徑組合。一般而言，采用經(jīng)濟(jì)最優(yōu)為最終確定的目標(biāo)函數(shù)，例如將最后一個(gè)目標(biāo)函數(shù)設(shè)定為管網(wǎng)熵值總和和管網(wǎng)可靠度的相關(guān)函數(shù)，在該最優(yōu)解集的優(yōu)選范圍內(nèi)，選用經(jīng)濟(jì)最優(yōu)的一個(gè)解，作為本次最終的結(jié)果。
以上顯示和描述了本發(fā)明的基本原理和主要特征和本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)。本行業(yè)的技術(shù)人員應(yīng)該了解，本發(fā)明不受上述實(shí)施例的限制，上述實(shí)施例和說(shuō)明書(shū)中描述的只是說(shuō)明本發(fā)明的原理，在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下，本發(fā)明還會(huì)有各種變化和改進(jìn)，這些變化和改進(jìn)都落入要求保護(hù)的本發(fā)明范圍內(nèi)。本發(fā)明要求保護(hù)范圍由所附的權(quán)利要求書(shū)及其等效物界定。