1、 畢業設計（論文）題 目 某城市智慧城市給水管網改擴建優化設計專 業 給水排水工程 班 級 學 生 指導教師 教授 2014 年18 / 18文檔可自由編輯打印一、 畢業設計(論文)課題來源、類型 課題來源：本課題來源于工程實際，屬克拉瑪依供水系統改造工程的一部分，克拉瑪依改水管網優化改擴建。 全市主要水源有風城高庫、白楊河水庫、黃羊泉水庫、西郊水庫、三坪水庫、調節水庫六處地表水源，還有黃羊泉水源地和百口泉水源地兩處地下水源。用水經過西干渠、風克干渠、白克明渠三處干渠流入市區，供城市使用。全市常住人口為391008人，本設計為滿足城市供水，主要對舊城區管網進行改造優化，并對新城區進行管網統一鋪

2、設，以滿足城市人口用水。 課題類型：本課題屬于工程設計性論文。二、 選題的目的及意義2.1舊城市管網存在的問題 舊城給水管網改造勢在必行幾十年來,我國給水事業的迅速發展.各地城市均具規模。城市給水管網在其新建成的一定時期內,其供水能力是可以滿足用戶用水要求的.由于給水工程在工業建設和人民生活中占有重要地位,隨著城市的發展、用水人口的不斷增加和人民生活水平的日益提高,城市用水量急劇增長,給水管網供水能力逐漸不能適應用水量增長的需要。同時,由于給水管網規模的不斷擴大、管線改造、鋪設缺乏統一規劃,大規模給水管網系統在管線連接、構筑物設置等方面存在諸多不合理之處,增大了供水能耗,并使部分供水區域水量欠

3、缺、低壓區不斷擴大、供水安全性降低。這一系列問題成為我國各城市面臨的供水管網擴建優化的重大問題和難題。城市給水設施屬市政基礎設施,給水管網是給水設施的主要組成部分。舊城給水管網改造對管網的安全運行、適用與經濟至關重要。2.2管網改擴建的目的 目前，我國好多城市給水管網存在很多問題。大多城市的供水歷史較長，供水管網中不少管道鋪設時間較長，這些管道的銹蝕和結垢嚴重，易爆管，影響到供水水質和供水安全。近年來，一些居民住宅區由于規模擴大，人口增加和生活水平的提高，引起用水量大幅度增加，導致原有配水管道管徑偏小，出現小區附近輸水干管壓力正常，而小區內部供水壓力不足的現象。由于城市周邊地帶的開發和近郊農村

4、的城市化進程，原有供水管已不能滿足需求，極需擴大向城市周邊地區的供水能力。 隨著我國經濟的快速發展和人民生活水平的不斷提高，城市化建設的速度和規模也越來越快，使得城市用水量不斷的遞增。全國各個城市每年都要投入相當數量的資金用于現有給水輸配系統的新建、改造和擴建。城市人口的不斷增大，使給水規模不斷擴大，同時城市供水系統的電耗也越來越大。因此，改善管網運行狀況，降低供水電耗，不僅可以緩解國家能源緊張的局面，而且可以提高供水企業的經濟效益。所以，我們有必要對城市的給水管網進行擴建優化，這樣不僅可以解決城市擴張、人口增加給城市帶來的問題，還可以保證供水水質和供水安全，同時經過優化的給水管網還可以減少供

5、水成本，節約能源，使國家的資金發揮更好的經濟效益。2.3管網改擴建的意義 管網改擴建的主要目的是在滿足供水要求的前提下，使管網運行更加經濟，所以解決舊城市給水系統的改擴建和優化已經勢在必行。為了更好實現“兩個提高、三個降低”8(提高水質、供水安全性，降低電耗、藥耗、漏耗)技術發展目標，針對城市的水量、水壓等信息及整個舊管網與泵站的配置來建立一定的數學模型。引入先進的計算機進行優化計算，通過現代的控制工程使給水系統在最佳狀態下工作，不僅使系統安全可靠地滿足用戶所需的水量、水壓和水質，而且要經濟合理地進行給水系統的調度管理和運行。管網改擴建不僅滿足了城市人口對水量、水質、水壓的要求，還節約能源，降

6、低供水成本。已經是當今我國舊城市不可不實行的一項工程。三、 本課題在國內外的研究狀況及發展趨勢3.1.國內研究現狀及發展趨勢 對于管網優化設計中的上述難點，我國學者也付出了不少的努力。王彤、趙洪賓、鞏馴19等針對我國城市給水管網改擴建過程中遇到的實際問題，提出了采用直接優化方法一約束非線性混合離散變量規劃方法(MDOD算法)進行管網優化改擴建模型的計算，從而確定出各改擴建管段的最優管徑和各水源最優水量分配。 鄒林19等提出了利用遺傳算法進行給水管網管徑優化設計的方法。特點在于從多個初始點開始尋優，并采用交迭和變異算子避免過早地收斂到局部最優解，可獲得全局最優解，且不受初始值影響。遺傳算法對函數

7、沒有專門限制，不必求導計算，算法及編程均簡單，計算過程僅涉及目標函數和約束條件的比較，二進制數與十進制數轉換，約束條件不需要用設計變量的顯式表示。它能夠獲得全局最優解而不是局部最優解，這是由于它的初始值不是一個點，而是多個初始點。這種多樣性的解一代又一代的被保留，即使有些解收斂到局部最優解，而變異過程又會隨機地產生出截然不同的解，這樣，交迭和變異的有機結合會保證遺傳算法收斂到全局最優解。 周云19等提出了一種給水管網優化設計方法，該方法分三段進行，先用最小二乘法分配管段通過流量，再用無條件極值法計算優化管徑，最后對計算管徑按市場規格管徑取整，這種方法具有實用、可靠、便于調整、計算快、易收斂等優

8、點。 王榮和12和顧國維19分析了我國目前給水管網系統設計、運行中存在的問題，并對標準優化技術沒有在實際工作中廣泛應用的原因進行分析，提出應用優選管徑法(枚舉技術)進行給水管網系統的優化設計計算，并編寫WDOC軟件系統進行實現。與標準優化技術相比較，有優化結果準確、實用性強、工程性強的特點，尤其是可以同時進行多種工況優化。 呂謀、趙洪賓19等根據給水管網的水力特性，構造了以管段壓力及管段流量為求解變量的優化設計目標函數，利用線性約束的特點，采用了優化效率明顯的簡約梯度法進行計算，通過目標函數變換，一次性解決了圓整地難題。王圃12等對傳統遺傳算法存在的問題提出了改進意見，并將改進遺傳算法應用于城

9、市給水管網優化，使之在收斂速度和計算結果方面都優于傳統算法。 2006年,儲誠山3提出了以經濟性和可靠性為目標的多目標優化數學模型,將經濟性定為管網年折算費用,可靠性定義為節點富余水頭加權平均值和管網恢復力。蔣懷德提出了以管網總費用年折算值最小、管網供水可靠度及供水均勻性為目標的多目標優化設計模型。采用管網節點可利用水量作為可靠度指標、管網嫡值指數度量管網流量分配均勻程度。 我國給水管網優化設計研究最近幾年也取得很大進展。天津大學、同濟大學、湖南大學、重慶大學等對給水管網改擴建研究進行了較多的理論研究瞄。許多專家和學者對管網設計中諸如經濟流速，加壓泵站和水庫的選址、容量選擇等作了有益的探討，并

10、對流量分配進行了研究；方永忠用生成樹變換法求輸配水系統最短供水路線，解決了多水源輸配水系統中有一個以上節點流量為負值的最短供水路線問題；王榮和、顧國維等編制HYPNW和PCAD軟件系統，建立了青島高科技開發園區給水管網優化設計模型，該模型屬地形起伏大、水源多、分區供水的大型給水管網優化設計數學模型，并對輸入、輸出數據進行特殊處理，建立圖形菜單和數據庫，繪制水力計算成果圖、等壓線圖，并且在給定平面圖的情況下自動生成縱剖面圖。3.2.國外研究現狀及發展趨勢 自從二十世紀六十年代人們就開始應用系統分析方法設計給水管網，并將優化程序應用于其中。前蘇聯學者羅巴喬夫和莫希寧8首次在管網設計中引入了經濟性的

11、概念,提出以管網建造費用與運行費用之和為目標函數,以水力平衡關系為約束的環狀管網優化模型。該模型比較粗糙,實用價值不大,但具有開創意義。最早的給水管網優化模型是針對樹狀網建立的，如Kanneli(1968)3等人的模型，這些模型能夠獲得全局最優解，但是模型僅僅適用于樹狀網，不利于實際工程運用。 1977年和1981年Alperovits，shamirt8等人開始使用線形規劃法求解管網優化問題，即使用梯度搜索方法尋找在滿足環狀網約束條件下，目標函數(投資)最小的管網，此模型能夠方便的求解環狀網優化設計，引起了當時學術界的極大地重視。但是線形規劃法也存在不足之處，首先，這些模型難于求解變量和用水情

12、況較為復雜的管網優化問題；第二，管網優化結果往往趨向于樹狀網。設計結果中管網的環狀形式是由一些較小管徑的管段連接較大管徑的樹狀網管段形成的。因而模型的尋優過程是通過去除系統的某些冗余條件為前提而實現的，這些冗余條件在某些特定用水情況下是可以不予滿足的，但是在管網實際運行過程中的多用水情況下，這些冗余條件必須滿足。 1985年Morgan和Goultoru3基于線形規劃方法提出了一個兩步式試探步驟：(1)通過模擬管網中多種用水情況，求出管網的各種水力條件：(2)搜索新的水力條件使管網投資最少，然后不斷優化同樣的步驟，求得最優解。 1989年Lansey8和Mayu應用非線形規劃方法，在考慮了布置

13、泵站、蓄水池、閥門等的情況下，求解管網優化模型，更加準確地反映了管網實際運行情況。實際上，該模型是對以前優化模型的一個概括，實用性很廣，能適用于枝狀、環狀管網，缺點在于沒有考慮管網的可靠性。 1999年,Hyun一Gonshin3通過對給水管網連接特點的分析,建立了以管段基建費用最小為目標的數學模型;2005年,Z.Y.WU3等人建立了以管網建造費用(包括管段、水箱、閥門和泵站)最小和節點自由水頭為目標函數的改擴建管網的優化設計模型。 2002年,Janyimboh3建立的模型以管網建造費用和管網信息墑為目標函數,通過管網信息嫡度量管網可靠性。通過該模型可以實現給水管網布局的優化,但是該模型未

14、考慮管網的運行費用。之后,Prasad3以管網建造費用為目標函數,管網可靠度采用節點剩余能量與整個管網的供入能量和節點所需能量(此時要滿足節點最小水壓要求)的差值之比度量。該模型不能很好地反映管網可靠度和建造費用之間的關系 現代優化算法包括神經網絡、遺傳算法、模擬退火和拉格朗日松弛等算法。這些算法涉及神經系統、生物進化、人工智能、數學和物理科學和統計力學等概念，都是以一定的直觀基礎而構造的算法，因而又被稱之為啟發式算法。啟發式算法是相對于最優算法提出的概念，它是一種基于直觀或經驗構造的算法，在可接受的花費(上機計算時間、占用內存)下給出問題的一個近似最優解。1987年Goldberg開始應用遺

15、傳算法求解管網優化模型，隨后Simpson等也分別建立遺傳模型并取得了良好的效果。遺傳算法的應用，引起了學術界對現代優化算法的極大重視，紛紛進行研究，推動了給水管網優化模型研究的進步。3.3.給水管網優化設計模型求解算法研究進展 在給水管網優化設計模型建立以后,需要用合適的算法去求解相應的模型,以得到模型的最優解或較優解。給水管網優化設計模型的求解方法主要經歷了拉格朗日函數優化法、數學規劃法(線性規劃法、動態規劃法和非線性規劃法)和隨機搜索算法(遺傳算法、模擬退火法、蟻群算法、神經網絡法)三個階段。目前常用的幾種算法。(1)拉格朗日函數優化法8 該方法主要用于求解以管徑和水頭損失為變量的單目標

16、單工況優化設計模型。應用拉格朗日未定系數法,將目標函數進行轉換,然后用計算機進行求解。但是由于管徑為離散變量,應用此法求得的管徑需要進行圓整,化為市售管徑,這在某種程度上破壞了解的最優性。該算法目前應用較少。(2)數學規劃法 l)線性規劃法 線性規劃法8是在一組線性約束條件下,求某個線性目標函數的最小值(最大值)。該方法只能解決樹狀管網的優化設計,因此該算法應用較少。 2)動態規劃法 動態規劃法8是一種求解多階段決策過程最優化方法。該法對模型中的目標函數和約束條件的形式要求不高,以標準管徑為變量計算結果不需要調整。1971年,Liang采用動態規劃法對模型進行求解,所建模型以建造運行費用和整個

17、系統的效率為目標函數,以管徑為決策變量。隨后,Kwang等人在樹狀管網的優化設計中采用了動態規劃的數學模型求解,取得了一定的成功。魏永耀、劉子沛先后用動態規劃法求解簡單環狀管網的優化模型。因此,該方法對小型樹狀管網能得到最優解;對于簡單的環狀管網,需預先假設一組管徑并進行初始流量分配,將環狀網化為樹狀網;對于復雜管網應用該法不能得到最優解。 3)非線性規劃法 非線性規劃法11是在一組非線性約束條件下,尋求非線性目標函數的最大值或最小值。在管網優化設計中,目前所建的模型基本都是非線性模型,因為此種模型能更好的反映管網系統各因素之間的關系,因此該方法能提高計算精度。最早將非線性規劃法用于給水管網優

18、化設計的是Jacoby,他采用數值梯度技術對簡單環狀管網的非線性模型進行求解。1987年,Su采用簡約梯度法對以可靠性為約束的環狀管網非線性模型進行求解。隨后,Lansey用非線性規劃法進行管網優化布置和設計。國內方面,1983年,魏永耀利用微分法對樹狀管網非線性規劃模型進行求解。俞國平提出用廣義簡約梯度法求解環狀管網非線性規劃模型,且無需預先分配管段流量。隨后劉子沛、楊開林等人進行了改進,采用線性規劃法將各管段管徑取整。非線性規劃法能較好的反映管網系統的本質,但也存在一些問題:設計變量為連續型,所得管徑結果需進行二次圓整,圓整后的管徑難以保證是最優方案;對初始值依賴性較強;一般只能得到局部最

19、優解。(3)隨機搜索優化方法 l)神經網絡算法 神經網絡算法3是將優化問題的目標函數和約束條件映射到神經網絡動力系統,利用人工神經網絡的動力系統演化機制,搜索到局部最優解,將最優解映射為動力系統平衡點。 19世紀80年代,Hopfield成功將神經網絡應用在組合優化問題中。之后國內外學者將神經網絡應用于給水管網優化中。2002年,周榮敏用神經網絡進行重力樹狀管網優化設計。目前將神經網絡算法用于環狀管網方面的研究較少。2)蟻群算法 蟻群算法(ACOAs)11是由意大利學者Dorigo于19%年提出的一種模擬螞蟻尋食行為的算法。其基本原理是基于螞蟻能找到在他們的巢穴和食物源之間的最短的線路。該算法

20、能夠智能搜索、全局優化,且易與其它算法結合。但有以下缺點:1)當規模較大時,算法效率下降得很快,需要較長的搜索時間;2)容易出現停滯現象,即搜索到一定程度后,所有個體所發現的解完全一致,不能對解空間進一步進行搜索,不利于發現更好的解,從而容易陷入局部最優。 3)遺傳算法 遺傳算法21(GA)近年來被認為是管網優化技術的飛躍,它通過模擬自然界生物種群的遺傳和自然選擇機制,隨機搜索最優解。1975年,Holland提出了遺傳算法的概念和方法,1987年,Goldberg將這一算法應用于管網優化設計中。上世紀末以來,Murp勿和Simpson等人先后將遺傳算法用于管網優化設計問題,以費用最低為目標函

21、數,用標準管徑作為決策變量,采用二進制編碼方式。國內方面,王文遠、呂糯、鄒林和馬光文、周榮敏等人于2000年前后先后以標準管徑為決策變量,采用遺傳算法進行環狀管網優化設計計算。 因此,遺傳算法是以標準管徑為決策變量的,對其采用一定的編碼方式,通過選擇、交叉和變異等操作,求得最優解。它的優勢主要在于:1)該算法不受可微、可導、連續等數學處理方式的限制;2)以離散的標準管徑為決策變量避免了非線性規劃法需對連續管徑進行“圓整”帶來的偏差;3)該算法是一種隨機搜索過程,不會形成局部最優解;4)用該算法進行管網優化設計時,一次可以得到幾種不同的接近最低造價的方案,可再根據其他要求選取合適的方案。該算法也

22、存在一些缺陷,如遺傳算法的早熟現象、適應度值難以標定、接近最優解時收斂很慢等。 常用基本遺傳算法進行管網優化設計時,通常采用二進制編碼,這種編碼方式存在編碼冗余的缺點,且在水力計算時需進行譯碼,影響算法的性能和實用性。為了避免這種問題,采用基于整數編碼和實數編碼的改進的遺傳算法。改進后的遺傳算法尋優能力有較大提高。周榮敏采用基于整數編碼的改進遺傳算法對環狀管網優化模型求解,既避免了編碼冗余問題還在較大解空間范圍內獲得最優管徑組合方案從而實現盡可能小的管網投資。廖青桃和俞國平采用改進遺傳算法通過引入啟發式的選擇、交叉和變異算子,提高了求解效率,改善了求解結果。但這些環狀管網優化的遺傳算法存在的最

23、大問題是沒有對初始流量進行優化分配。4)模擬退火算法18 模擬退火算法(SA)是Kirkp時rick于1983年提出的一種模擬金屬退火,并將物理退火過程與組合優化相結合的一種隨機迭代尋求最優結果的算法。對于給水管網的優化設計問題,模擬退火算法理論上可以找到整體最優解。但實際運用中,由于控制參數值的選定至今還沒有一個比較成熟可靠的標準,對優化結果影響較大。 目前將模擬退火法與其他方法結合使用是一種新趨勢,典型的是與遺傳算法結合形成遺傳退火算法。它兼顧了遺傳算法的啟發式搜索和退火算法的接受逆優化解的尋優特點,使得計算過程更加智能化,是未來優化方法的發展方向。但目前應用還不夠成熟。四、 本課題主要研

24、究內容（1）、新城區供水方案的確定（2）、新城區給水管網定線（3）、新城區設計流量計算（用水定額、生活用水設計流量組成和計算、用水量預測）（4）、新城區沿線流量、節點流量計算（5）、流量分配，初選管徑（6）、新城區管網平差計算（7）、新城區水壓確定及水泵的選取（8）、分析并改造舊管道，并與擴建管道統一進行校核（事故、消防、最大轉輸）（9）、改造后舊管道與擴建管道統一進行經濟計算（10)、建立輸水系統優化模型，確定優化方程，求解優化方程 (11)、優化設計與常規設計結果比較。五、 完成論文的條件和擬采用的研究手段（途徑） （1）文獻研究法：通過閱讀中、外文獻，調查研究與收集有關資料，擬定設計方案

25、，在經綜合技術經濟分析，選擇合理的設計方案。 （2)比較分析法：了解市場的管材、管件，選擇經濟合理的管材、管件，以及水泵等。分析比較設計出相對經濟實惠的材料，管線及管網附屬構筑物盡可能占地少、施工簡單。 （3)數學方法：給水管網閉合差指的是：在管網管徑已知的情況下，不斷調整管網的初分流量，使環狀管網的閉合差滿足精度要求，從而確定管網的流量的計算過程。給水環狀管網閉合差理論上應該等于0，但實際由于流量分配的問題，在計算的時候各管段水頭損失的誤差，導致閉合差不等于0，計算時要求一個精度值，手工計算小環小于0.5米，大環小于1米。計算機要求的精度更高。計算公式： 柯爾勃洛克公式 I=*V2/(2.0

26、*g*D) 1.0/0.5=-2.0*lgk/(3.7*D)+2.5/(Re*0.5) Re=V*D/給水管徑計算公式（1） 給水管徑計算公式一： D- 管道的計算內徑（單位：米） V秒- 通過管道的流量（單位：米3/秒） - 常數：3.14（2）給水管徑計算公式二： 式中: D-某一管段的供水直徑(mm) Q-該管段的用水量(L/s) -管網中水流速度(m/s);一般取經濟流速1.52.0米.根據計算而得的某一管段的最大用水量Q，再將=1.5m/s和2.0m/s分別代入公式，則可計算出兩個管徑，選擇兩個計算管徑中間的標準規格的水管即可；如果沒有這種規格的水管，也可選用直徑接近的水管。（3）給

27、水管徑計算公式三：標稱管徑DN的單位mm（毫米）、流速u的單位m/s（米秒）、流量q的單位m3/h（立方米小時）。給水允許流速u：DN500時，u為0.51.5m/s、DN500時，u為1.53m/s。管徑計算公式： d=18.8×(q/u)(0.5)=18.8×sqrt (q/u)根據d的數值選擇與其最接近的標稱管徑的給水管。(4) 實踐操作法：畢業設計圖紙要求用AutoCad繪制，應能較準確地表達設計意圖，圖面力求布局合理、緊湊、正確清晰，符合專業制圖標準、專業規范及有關規定。較復雜的設計計算需用計算機進行的，自己動手編制計算機程序解決設計中某些問題。 六、 本課題進度

28、安排、各階段預期達到的目標2014年2月233月1：了解論文主要目的，查看文獻2014年3月0208：制定論文主要內容，翻譯英文文獻 2014年03月915：了解項目概況，舊城區了解、擴建新區了解、舊管網資料了解、水源地了解 2014年03月1622：完成開題報告2014年03月2329：管網優化模型的研究2014年03月3004月05：現有城區舊管網的布局優化2014年04月0612：當地擴建新城區地形研究、繪制新城區舊區地質地勘2014年04月1319: 結合舊區進行擴建新區管網的布置2014年04月2026: 新建管網節點流量的確定 2014年04月2705月03：管道造價公式的確定20

29、14年05月0410：管道造價公式擬合系數的確定2014年05月1117：模擬目標函數的構建，約束方程的建立 2014年05月1824：模型的求解（編程實現優化算法的求解）2014年05月2531：對比優化結果 2014年06月0107：編寫論文初稿2014年06月0814：修改論文七、 參考文獻：【1】.嚴煦世 、范謹初，給水工程M ，第四版，中國建筑工業版社，2006.02 【2】.GB500132006室外給水設計規范S 【3】.李京京，夏龍興副教授，城市給水管網改擴建優化設計模型研究D ，鄭州大學，碩士學位論文，2010年5月【4】.管網最優化理論與技術J，黃河水利出版社; 第1版 (

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