一種排水管網的優化方法

2023-12-05 02:06:46

專利名稱：一種排水管網的優化方法
技術領域：
本發明屬於市政與環境建設中管網優化技術領域，提供了一種市政排水管網的優化方法。
背景技術：
排水管網是城市的重要基礎設施之一，它負擔著整個城市生活汙水、工業廢水以及雨水的收集與輸送，是保障城市人們正常生活與防治環境汙染的必要手段。排水管網設計的是否合理，直接影響到整個系統的投資、運營及養護的經濟性，同時還涉及到城市防洪、環境保護、及水資源再利用等方面。近年來，已有不少學者對排水管網的優化設計進行探索與實踐，並已取得了一定的成就。排水管網優化設計問題研究的主要內容就是通過優化計算方法尋找最優的用於排水管網新建或改造的建設投資方案，研究如何使整個排水管網的工程建設投資最小，或用最少的投資使整個排水管網所能服務的區域最大等，使有限的市政資金投入能取得最佳的投資效益。

發明內容
本發明的目的在於提供一種排水管網的優化方法，可以在指定費用函數下計算投資費用最少的管徑和埋深組合方案，獲得在符合排水規範下的所有管徑與坡度組合中的最優方案，為市政規劃和設計提供理論基礎。本發明是這樣實現的，一種排水管網的優化方法，採用樹形結構形式對已定管網進行管理並編號，以管網中每個節點的分枝管段為計算對象，從末端分枝管段為起算點，採用分枝限界算法遍歷管網中的所有分枝管段。所述節點為管網中各支路的起點和終點、管徑或坡度變化點及兩個或更多支路的互連公共點，所述管段為相鄰兩個節點之間的管路。所述優化方法包括以下步驟(1)根據預置方法及條件確定所述樹形結構末端分枝管段的最優管徑組合；(2)根據預置方法及條件確定所述分枝上一層分枝管段的最優管徑組合；(3)判斷所述樹形結構的分枝是否遍歷完畢，是則結束，否則轉向(2)。本發明通過採用樹形結構形式對已定管網進行管理並編號，以管網中每個節點下的分枝管段為計算對象，從末端分枝管段為起算點，採用分枝限界算法遍歷管網中的所有分枝管段，極大的減少了遍歷的運算複雜度，使得尋找所有管徑與坡度組合中的最優方案而不是較優方案成為可能。


圖1為本發明實施例提供的管網的樹形結構示示意圖；圖2本發明實施例提供的優化方法的流程3
圖3本發明實施例提供的分枝限界法的計算流程圖。
具體實施例方式以下結合附圖，對本發明作進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，並不用於限定本發明。本發明通過採用樹形結構形式對已定管網進行管理並編號，以管網中每個節點下的分枝管段為計算對象，從末端分枝管段為起算點，採用分枝限界算法遍歷管網中的所有分枝管段。參見圖1，本發明實施例提供的管網的樹形結構示意圖，其中數字1、2、3、4、5_16 代表管網節點，每個節點之間為管段，每個管段均由上遊節點與下遊節點確定，其中，1代表根節點，上遊節點為遠離根節點的節點，下遊節點為靠近根節點的節點，每個上遊節點與其直接連接的下遊節點間的管段為該下遊節點處的分枝管段。每個節點對應一個管段，如圖 1所示，節點10對應10-7管段，節點9對應9-7管段。樹型管網的存儲與搜索模式是將管網以管段方式保存在資料庫中，利用集合併運算每次獲得樹形結構中管段的最外層節點，從而完成自外向內的管段搜索過程。設集合A為所有的上遊節點的集合，集合B為所有的下遊節點的集合，則集合 C = Bl J為所有只是上遊節點而不是下遊節點的點的集合，實際上正是所有的葉子節點的集合，即最外層節點，故在逐層搜索葉子節點的同時則完成了自外向內管段搜索過程。變量數組保存與傳統做法不同，傳統做法中，變量保存以變量數組形式完成，例如 A(IOOO)代表所有的上遊節點，B(IOOO)對應所有的下遊節點，以20，1000)代表各個管段的各種取值可能；使用資料庫則使用表來保證數據的存儲，如表「管段」使用的欄位有「上遊」， 「下遊」等資料庫存儲數據。參見圖2，本發明實施例提供的排水管網方案的優化方法的流程圖，詳述如下101 根據預置方法及條件確定所述樹形結構末端分枝管段的最優管徑組合；102 根據預置方法及條件確定所述分枝上一層分枝管段的最優管徑組合；103 判斷所述樹形結構的分枝是否遍歷完畢，是則結束，否則轉向102。本發明實施例在確定所述樹形結構每個分枝管段的最優管徑組合時，本發明實施例根據單位管長費用函數與管徑和埋深的關係，構造初等函數類型後使用其泰勒公式展開函數完成費用函數的擬合。該方法保證了在擬合數據較少的情況下保證函數圖形形狀不變，避免了 「過擬合」情況的發生。本發明實施例採用集合併運算對所述樹形結構每個節點分枝的可選組合進行運算，從而大大減少了計算量。樹型管網分枝節點計算方法為設在分枝節點處有 i個分枝，分別有可選集合(化， 八aip) K, 22Λ α2ρι) (αη,α!2Λ αψ)可選方案則有
(αΠ'α 2Λ ιΛ)χ K, 22Λ α2ρι) .. X(an,ank 個，而分枝節點計算方案則將優化可選方案減少到OnA2A alp)+(a2l,a22K a2p) +(an,al2A αιρ)個。參見圖3，該圖示出了本發明實施例提供的分枝限界算法的計算流程圖。201 計算所述樹形結構末端分枝管段在可能標準管徑a及埋深下的估算價格 F13a> F23a及所述分枝管段的下遊管底標高h13a、h23a ；
首先根據可取的標準管徑a通過流量計算該末端分枝管段的埋深範圍，並通過上遊管底標高和該埋深範圍計算其最小平均埋深，並根據價格估算函數計算該管段在該標準管徑及埋深下的估算價格F13a、F23a，由上遊管底標高和埋深計算其下遊管底標高h13a、h23a ；202 逐層循環，取本級可能標準管徑b並計算該b管徑及埋深下的估算價格F13b、 F23b及所述分枝管段的下遊管底標高h13b、h23b ；203 判斷所述分枝管段上遊是否分枝，如果是，則轉向步驟204，如果否，則轉向步驟205 ；204 合併埋深估算價格，當F13a+F23a彡F13b+F23b,且下遊管底標高min (h13a， h23a) ^min(h13b,h23b)時，從備選管徑集合中刪除b管徑組合，轉向步驟206;205 當F12a彡F12b，h12a ( h12b，從備選管徑集合中刪除b管徑組合，並轉向步驟 206 ；206 根據規範要求和其它約束條件刪減部分管徑組合；207 輸出最優管徑組合。該分枝限界法由於佔用了較多的空間，需要提供一種能夠提供更多計算空間的存儲方式。與將所有可能解集合在程序中使用變量數組保存的傳統做法不同，採用資料庫來實現變量內容存儲成為必然。由於資料庫特點，用戶可以不再關心變量的大小、存儲的安全、數據格式的不同等各種內容，而將精力更多的關注在算法本身。由於排水工程的優化計算是從低端到頂端，即其計算過程是首先計算末端分枝的各種管徑可行性，然後逐層向頂端逼近，該過程需要完成集合運算C=^I A ,此類集合運算也正是資料庫中的SQL語句的特長。排水管網優化分枝限界法的基本思想是，寬度優先搜索+剪枝。分枝限界法的計算對樹型結構的每個分枝進行搜索。即通過對搜索樹進行寬度優先搜索來尋找問題的解答，且在搜索中每搜索到一個節點處，都要考慮是否能使用剪枝操作來剪枝，從而提高搜索效率。與其他搜索方法相比，這種搜索方法具有更大的靈活性，但是往往需要相較於其他算法多得多的空間。其本質實際上是以部分的空間複雜度換取時間複雜度的算法。與傳統分枝限界法不同，排水管網優化分枝限界法有以下特點其一，排水工程的最終優化結果是在排水平面網絡上完成整數優化過程。其二，排水工程的優化計算是從低端到頂端，也就是說，其計算過程是首先計算末端分枝的各種管徑可行性，然後逐層向頂端逼近。其三，排水工程的優化計算所有管段都要完成分枝限界計算，通過各種約束條件與優化把某些分枝的某些可能取值剪掉，使各個分枝的可能允許管徑組合較少，從而達到減小計算複雜度的結果。本發明基於樹型管網的組合遍歷過程，根據樹型管網的特性和排水管網的具體規範，將分枝節點處可行集合的笛卡爾積運算轉換為可行集合的並運算，同時採用分枝限界法動態去除不可能集合，極大的減少了遍歷的運算複雜度，使得尋找所有管徑與坡度組合中的最優方案而不是較優方案成為可能。以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出，對於本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應
5視為本發明的保護範圍。
權利要求
1.一種排水管網的優化方法，其特徵在於，採用樹形結構形式對已定管網進行管理並編號，以管網中每個節點的分枝管段為計算對象，從末端分枝管段為起算點，採用分枝限界算法遍歷管網中的所有分枝管段。
2.根據權利要求1所述的排水管網的優化方法，其特徵在於，所述節點為管網中各支路的起點和終點、管徑或坡度變化點及兩個或更多支路的互連公共點，所述管段為相鄰兩個節點之間的管路。
3.根據權利要求1所述的排水管網的優化方法，其特徵在於，所述優化方法包括(1)根據預置方法及條件確定所述樹形結構末端分枝管段的最優管徑組合；(2)根據預置方法及條件確定所述分枝上一層分枝管段的最優管徑組合；(3)判斷所述樹形結構的分枝是否遍歷完畢，是則結束，否則轉向O)。
4.根據權利要求3所述的排水管網的優化方法，其特徵在於，在確定所述樹形結構每個分枝管段的最優管徑組合時，根據單位管長費用函數與管徑和埋深的關係，構造初等函數類型後使用其泰勒公式展開函數完成費用函數的擬合。
5.根據權利要求3所述的排水管網的優化方法，其特徵在於，採用並運算對所述樹形結構每個節點分枝的可選組合進行運算。
全文摘要
本發明公開了一種排水管網的優化方法，採用樹形結構形式對已定管網進行管理並編號，以管網中每個節點的分枝管段為計算對象，從末端分枝管段為起算點，採用分枝限界算法遍歷管網中的所有分枝管段。本發明通過採用樹形結構形式對已定管網進行管理並編號，以管網中每個節點下的分枝管段為計算對象，從末端分枝管段為起算點，採用分枝限界算法遍歷管網中的所有分枝管段，極大的減少了遍歷的運算複雜度，使得尋找所有管徑與坡度組合中的最優方案而不是較優方案成為可能。
文檔編號E03F3/02GK102184278SQ201110092638
公開日2011年9月14日 申請日期2011年4月13日 優先權日2011年4月13日
發明者師湧江, 王利民, 王海龍, 郝桂珍 申請人:河北建築工程學院