排水管網遞歸優化算法的製作方法

2023-09-24 12:22:30 2

專利名稱：排水管網遞歸優化算法的製作方法
技術領域：
本發明涉及市政工程中排水管網的優化設計和計算，包括汙水、雨水管網工程、合流制 管網工程等，具體涉及一種排水管網流量、水力計算的遞歸優化算法。
技術背景城市排水管網是重要的城市基礎工程設施之一，擔負著收集城市生活和工業生產等汙水、 及時排除降落在城市市區內和流經市區的雨水的任務。排水工程設施設計與建設的質量和科學性，直接決定著城市的發展水平，影響著城市景觀和衛生環境，影響著城市的投資環境， 甚至關係到城市的安全。因此，科學合理的設計排水管網系統是城市基礎工程設施建設的重 要一環，對工程設施的投資和運行管理的可靠性起著關鍵性作用。從20世紀60年代開始， 國際上在經驗總結和數理分析的基礎上，逐步建立起了各種給水排水系統或過程的數學模式； 自70年代至今，美國、日本和歐洲的一些發達國家，在給水排水管道和處理工程系統方面， 不僅在方法學和電腦程式上取得了各種研究成果，而且日益廣泛的將其所研製的各種計算 程序軟體應用於給水排水工程的計算機輔助設計和自動化運行管理上，效益顯著；我國在70 年代以同濟大學環境工程學院著名教授楊欽為代表的優化專家，開闢了給水排水工程優化設 計的新領域，為全面開展優化設計奠定了基礎。排水管道系統己定管線下的優化設計主要是解決管徑和埋深(坡度)以及不同管段間的 設計參數優化問題。對於某一設計管段，當流量確定後，滿足設計規範要求的管徑與其它水 力參數有多種組合，但總存在一組管徑和其它水力參數的組合，使其投資最小，效果最好。 對於由若干根管段組成的排水管網系統，上遊管段的設計計算結果將直接影響到下遊管段的 設計參數，這就說明系統中每根管段設計最優的組合，並不能保證整個系統的設計最優。因 此，為了使整個工程系統設計最優，就必須以整個排水系統為整體，從全局出發進行優化設 計。在排水管道系統優化設計計算方面，主要有線性規劃法、混合整數規劃法、非線性規劃 法、罰函數離散優化法、動態規劃法和逆差動態規劃法、直接優化法、遺傳算法等。從以往 的研究來看，應用通常的優化方法進行己定管線下的排水管道系統優化設計計算時主要面臨 的幾個問題是(1)管道直徑不是連續的，而是離散的規格管徑；(2)設計計算模型的目標 函數和約束條件大多是非線性的，因此計算相對複雜；(3)優化過程運行時間長、佔用內存 量大；(4)管段與管段設計之間不滿足"無後效性"；(5)人為幹預因素較多，不能完全交由 計算機完成。(6)更為關鍵的是其計算結果僅針對特定的管網，算法也是根據管網的形狀確 定的，不適用於其它管網的計算。如果要實現管網的管理和優化計算，必須開發一種全新的 管網計算方法。本發明公開了一種排水管網遞歸優化算法，其目的在於克服現有排水管道系統優化設計 計算只針對特定管網，而不具有推廣價值；計算模型複雜計算工作量大；優化過程運行時間 長、佔用內存量大；管段與管段設計之間不滿足"無後效性"；以及人為幹預因素較多，不能 完全交由計算機完成等弊端。本發明提出了管網圖形管理和優化計算的節點遞歸算法，採用 遺傳技術領域中使用的編碼、選擇等遺傳操作，最終求得最優解，遺傳算法不僅適用於純數 學的優化問題，而且也適用於已定管線下的汙水管道系統優化設計計算，同樣可用於解決其 它排水管網系統如雨水管網系統和合流制管網系統等的優化設計問題。排水管網遞歸優化算法，其特徵在於採用圖形矩陣管理排水管網系統，由已定排水管 網布置圖形的管網系統的編號，確定管網聯繫矩陣M(i， j)，所述的管網聯繫矩陣M (i， j)二i 表示節點/與管段y相連，且/為管段乂起點，設流量從節點/流入;1 表示節點/與管段_/相連，且/為管段/終點，設流量從節點/流出；、0 表示節點/與管段y'不相連； 表述如下其中i是節點行變量，j是管段列變量；以管網中的節點為對象，指定任意初始計算節點， 採用節點遞歸算法遍歷管網所有節點和管段，可一次解決排水管網的設計問題。所述的編號包括節點編號和管段編號，節點是指管網中進水點、出水點或管段之間的交 匯點，所述的管段是兩個節點之間的管路。節點遞歸算法的步驟如下(1) 指定管網中某節點為計算起始節點；(2) 判斷是否為某管段的起始點，若是轉(3);若不是轉(5);(3) 若是某管段的起始點，則計算該管段並標記為已計算，並採用節點一下遊管段一節 點的遍歷方式，找出該管段的下遊節點；(4) 判斷是否為最終節點，若是則結束，#止搜索；若不是轉(5);(5) 檢查該節點上遊所有管段是否全部標記為已計算，若是則採用節點一下遊管段一節點的遍歷方式，找出該管段的下遊節點，並計算當前管段，進行標記，轉(4);若 非轉(6);(6) 採用節點一上遊管段一節點的搜索遍歷方式，找出上遊節點，轉(5); 本發明的優點和積極效果是釆用以節點為對象的節點遞歸算法，無需嚴格規定管網中節點和管段的編號次序，也不受管網布置的節點位置的影響，便於節點編號和實際使用，使 管網的布置具有更大的靈活性，經一次計算就可以解決整個管網系統的優化設計問題，達到全局優化汙水管網工程、雨水管網工程、合流制管網工程的管網設計的水力參數和工程造價的目的。利用節點遞歸算法和遺傳算法等優化算法理論和技術，可最大限度地優化和降低工程投 資，提高工程設計的可行性和可靠性。


圖1是本發明實施例的汙水管網布局圖； 圖2是排水管網遞歸優化算法程序框圖。數字l， 2， 3，…16為管段編號，①，②，③…(0為節點編號。
具體實施方式
本發明採用的表述實例的排水管網如圖l所示，由16個排水管、17個節點組成，管段編 號自上遊至下遊，每個管段的節點編號順序為先進水節點後出水節點；排水管網可視為有向 圖，按汙水、雨水或合流汙水在管內的流向，水由各設計管段的進水節點流入，出水節點流 出，經過幹管，逐漸匯集流向主幹管，最後流至管網下遊終點。整個排水管網就像一棵樹一 樣，當排水管網定線後，整個管網中所有管段與節點的銜接關係就完全確定下來。報據圖論，對十排水管網有向圖，可用矩陣M表示其節點與管段的銜接關係，M矩陣哀 示如下'-l 表示節點/與管段_/相連，且/為管段/起點，設流量從節點/流入； M(/,/)=jl 表示節點Z與管段/相連，且/為管段/終點，設流量從節點z'流出；、o 表示節點/與管段y不相連；由圖論可知，當管網圖形確定後，管網聯繫矩陣就被確定下來，反之，當己知管網聯繫 矩陣，則可唯一的確定管網圖形。對於圖l所示的汙水管網圖形，則管網聯繫矩陣M為.-排水管網聯繫矩陣集合了管網中設計管段(邊)、節點(檢查井)及水的流向等所有管網 的布置信息和水力特性信息，決定了排水管網水力計算的出發點和流程，固定了節點(檢查 井)與設計管段的關係及水的流入和流出關係。此矩陣為稀疏矩陣，並且隨著管網系統的增 大，矩陣的稀疏性就越大。為了節省計算機內存，在實際程序設計和編制時可採用變帶寬壓 縮存貯方法。節點是管網中管段聯繫的橋梁；在排水管網實際布置中，可以認為是節點位置決定了管 網中管段的布置形式。因此，可以從任一節點開始遍歷整個管網系統。對於每一節點，管網 連接矩陣中數據唯一地確定了連接於該節點的管段數，並分別區分為節點上遊管段和節點下 遊管段，特別地，對於排水管網的起點，其上遊管段數為零；對於終點，其下遊管段數為零。對於一個排水管網有向圖，將所有的節點都標記為"未訪問"(unvisited)，同時將所有管 段標記為"未計算"(uncalculated)，管段的標記是代表其上遊所有管段的計算情況，如果上 遊管段全部計算完畢，則標記為"已計算"(calculated),這樣在通過節點進行搜索的時候， 當訪問到某個節點時，判斷與該節點相連的上遊管段的標記是否為"已計算"(calculated), 如果是，則根據節點的訪問情況，進行訪問，如果否，則必須將節點移向上遊節點，進行搜 索和判斷，並作相應的計算和處理。在搜索過程中，從管網中任一個節點開始，依次檢査與 當前節點相鄰的全部節點，將訪問過的節點標記為"已訪問"(visited),然後利用節點一下遊 管段一節點，或節點一上遊管段一節點的遞歸搜索遍歷方式，訪問未曾訪問過的節點，直至 遍歷完整個管網，其實質是一種數學遞歸算法。該方法不僅適用於新建管網的設計，更能適 用於城市排水管網的擴建工程，在一定程度上，也適合地下管線交叉多，管線綜合較難的排 水管網工程設計等。節點遞歸算法的步驟見圖2程序設計計算框圖。(1) 指定管網中某節點為計算起始節點；(2) 判斷是否為某管段的起始點，若是轉(3);若不是轉(5);(3) 若是某管段的起始點，則計算該管段並標記為已計算，並採用節點一下遊管段一節 點的遍歷方式，找出該管段的下遊節點；(4) 判斷是否為最終節點，若是則結束，停止搜索；若不是轉(5);(5) 檢查該節點上遊所有管段是否全部標記為己計算，若是則採用節點一下遊管段一節 點的遍歷方式，找出該管段的下遊節點，並計算當前管段，進行標記，轉(4);若 非轉(6);(6) 釆用節點一上遊管段一節點的搜索遍歷方式，找出上遊節點，轉(5); 本發明適合大中小型排水管網系統的設計計算，利用節點遞歸算法，結合數學優化算法，計算從上遊節點至下遊節點的方向進行，遍歷管網所有節點和管段，獲得了較為理想的結果，在滿足水力條件的情況下，可優化管網投資8 21%左右。
權利要求
1. top= "49" left = "37"/>其中i是節點行變量，j是管段列變量；以管網中的節點為對象，指定任意初始計算節點，採用節點遞歸算法遍歷管網所有節點和管段。
2. 根據權利要求1所述的排水管網遞歸優化算法，其特徵在於所述的編號包括節點編號和管段編號，節點是指管網中進水點、出水點或管段之間的交匯點，所述的管段是兩個節 點之間的管路。
3. 根據權利要求1所述的排水管網遞歸優化算法，其特徵在於節點遞歸算法的步驟如下-(O指定管網中任一節點為計算起始節點；(2) 判斷是否為某管段的起始點，若是轉(3);若不是轉(5);(3) 若是某管段的起始點，則計算該管段並標記為已計算，並採用節點一下遊管段一節點的遍歷方式，找出該管段的下遊節點；(4) 判斷是否為最終節點，若是則結束，停止搜索；若不是轉(5);(5) 檢査該節點上遊所有管段是否全部標記為已計算，若是則採用節點一下遊管段一節 點的遍歷方式，找出該管段的下遊節點，並計算當前管段，進行標記，轉(4);若 非轉(6);(6) 採用節點一上遊管段一節點的搜索遍歷方式，找出上遊節點，轉(5)。
全文摘要
排水管網遞歸優化算法，採用圖形矩陣管理排水管網系統，由已定排水管網布置圖形的管網系統的編號，確定管網聯繫矩陣M(i，j)，如圖，其中i是節點行變量，j是管段列變量；以管網中的節點為對象，指定任意初始計算節點，採用節點遞歸算法遍歷管網所有節點和管段。本發明無需嚴格規定管網中節點和管段的編號次序，也不受節點位置的影響，使管網的布置具有更大的靈活性；經一次計算就可以解決整個管網系統的優化設計問題，可最大限度地優化和降低工程投資，提高工程設計的可行性和可靠性。
文檔編號E03F1/00GK101261654SQ20081003652
公開日2008年9月10日 申請日期2008年4月23日 優先權日2008年4月23日
發明者伊學農 申請人:上海理工大學