基于退火遗传算法的城市给水管网优化研究

重庆大学硕士学位论文基于退火遗传算法的城市给水管网优化研究姓名：衡洪飞申请学位级别：硕士专业：市政工程指导教师：王圃20060401中文摘要I摘要城市给水系统是现代化城市最重要的基础设施之一是城市文明经济发展和现代化水平的重要标志给水管网的布置和结构不仅在很大程度上影响到给水工程的总造价和运行管理中的能耗而且还会影响到供水水质目前采用遗传算法求解管网优化问题正逐渐被国内外研究者所重视其中对约束条件的处理是遗传算法理论与应用研究中的热点问题之一解决约束优化问题的关键是如何平衡来自目标函数最优化与满足约束条件这两方面的压力目前主要采用罚函数法来处理带约束的优化问题其实际应用的难点在于如何设计适合问题的罚系数以平衡这个压力在实际应用遗传算法时容易出现早熟和收敛性差等缺点因而使得这类方法很难真正得到广泛应用模拟退火算法是一种通用的优化算法算法易于实现且可有效避免陷入局部极小值而最终趋于全局最优但其计算时间长效率较低尽管如此模拟退火算法仍然在工程中得到了广泛应用本文在对几种常见优化方法进行分析比较的基础上采用不可行度的概念来直接产生满足一定约束条件的初始群体从而避免了选择罚系数的麻烦然后采用自适应的退火遗传算法进行迭代计算最终求得最优解在工程实例中的成功应用表明该算法在收敛速度最优解的质量方面远远优于传统遗传算法作者还对退火遗传算法的性能进行分析和探讨对算法中的有关参数的取值范围提出建议关键词城市给水管网水力计算优化算法不可行度退火遗传算法英文摘要IIIABSTRACTUrbanwatersupplysystemisonepartofimportantfundamentalfacilitiesofmodelcity.Anditisamarkofcivilizationandeconomyandmodernizationlevel.Urbanwaterdistributionnetworkinfluenceobviouslynotonlythetotalcostofwatersupplyengineeringandenergyconsumptionduringmanagementbutalsowaterqualityonnetworklayoutandpipes’size.Todayitisthoughtmuchbyresearchersindomesticandoverseasthatusinggeneticalgorithmtooptimizethenetwork.Howtodealwithconstraintsisoneimportantpartoffocuseswhichareveryimportantingeneticalgorithmmethodstooptimizationconstraintfunctions.Itisakeytohowtobalancethepressurefrombetweentheoptimizationofobjectivefunctionandthesatisfactionofconstraints.Penaltyfunctionmethodismainlyusedforoptimizationofconstraintfunctions.Butitisdifficulttodesignsuitablepenaltyfactortobalancethepressure.Practicallytheshortcomingsincludethebadastringencyandtheprematuresolutionofoptimizationandsoonwhenusinggeneticalgorithmtooptimizethenetwork.Sothemethodcan’tbeusedreallyinoptimizationproblems.SimulatedAnnealingisanuniversalalgorithmanditiseasilyaccomplished.Anditcanbeeffectivelyavoidprematuresolution.ButitshortcomingsincludelongcomputertimeandlowefficiencywhenusingSimulatedAnnealingtooptimizethenetwork.NeverthelessSimulatedAnnealinghasbeenusedwidelyinengineering.ThisstudyissuccessfullyusedID(InfeasibilityDegree)todealwithconstraintsandavoidthedifficultyhowtodesignsuitablepenaltyfactorwhenusingself-adaptiveSimulatedAnnealingGeneticAlgorithmforoptimizationconstraintfunctionsbasedontheanalyzingandcomparingsomeoptimalmethods.AuthorhasappliedsuccessfullythismethodtoEngineeringexampleswhichareoptimaldesignofwatersupplynetworksfortestit.Thetesthasshowedtheoptimalalgorithmisbetterthantraditionalgeneticalgorithmonastringencyvelocityandsolutionquality.Intheend,authorhasanalyzedandexploredoncapabilitiesofSimulatedAnnealingGeneticAlgorithmmethodandgiventheboundsofparametersinSimulatedAnnealingGeneticAlgorithmasadvices.Keywords:urbanwatersupplynetwork,hydrauliccomputation,optimizationalgorithm,InfeasibilityDegree,SimulatedAnnealingGeneticAlgorithm1绪论11绪论1.1我国城市给水系统的现状和面临的主要问题水是人类社会生存和发展的必要条件是其他任何物质都无法替代的资源城市给水系统是保证城镇工矿企业等用水的各项构筑物和输配水管网组成的系统它是现代化城市最重要的基础设施之一是城市文明经济发展和现代化水平的重要标志它的主要功能是及时可靠地向用户提供符合卫生质量要求的水为用户提供充足的水量水压[1]自1879年我国第一座供水设施在旅顺建成到1949年全国只有60个城市有供水设施日供水能力为186.7万m3[2]新中国成立后随着社会的进步经济的发展给水行业发展迅速城市的供水状况得到了前所未有的改善到目前为止全国几乎所有的城镇都建立了自己的给水系统据统计2000年我国共有669座城市全年城市总供水量为469亿m3[3]它们集中了国家大量社会财富对我国经济的发展起着主导作用然而受自然因素和人为因素的影响目前我国城市供水的状况不容乐观主要表现在以下几个方面1)水资源短缺水环境污染严重许多城市缺水状况日益严重我国水资源分布极不平衡南多北少近年来由于干旱和污染使我国城镇供水事业发展面临水资源短缺的严峻局面据统计全国600多座城市中有2/3缺水[4]水资源不足和水环境污染是当前城镇供水的主要矛盾并已成为制约城市发展的瓶颈[5]当前随着我国经济快速发展人民的生活水平不断提高对供水水质要求也越来越高如何进一步保障供水安全是摆在我们面前的一个重要课题2)管道爆管频率高漏损严重目前我国城市供水行业漏失水平普遍较高例如[6]根据对全国408个城市的统计2002年全国城市公共供水系统的管网漏失率平均达21.5全国城市供水年漏损量近100亿立方米一方面国家和人民花巨资给城市调水另一方面宝贵的自来水却在白白的流失造成了巨大的浪费这些年来随着人民生活水平的不断提高城市总用水量逐渐上升另一方面由于受地方资金短缺等因素的影响许多城市的旧城给水管网改扩建工程难以得到应有的实施所以现有管网的输水能力难以满足实际用水量的需求同时受管道材质差接口刚性强施工质量欠佳以及其它管道施工等外来因素的影响现有管道抵抗内外压强冲击的能力较低再加上过去大多数城市给水管网都较缺乏合理的系统规划供水分区不合理管道管径偏小所有这些因素都直接导致了我国城市给水管网管道爆管频率高漏损严重庆大学硕士学位论文2重3)输配水管网二次污染严重根据1995年到1999年对我国大中小具有代表性城镇的调查结果表明在管网末梢的水质较出厂水下降35200水质平均总下降率为86[8]给水工程总投资中输配水管网(包括管道阀门附属设施等)所占费用是很大的一般约占7080[9]然而目前我国的经济实力较为薄弱各地区经济发展很不平衡许多城市的旧城给水管网改扩建工程难以得到应有的实施其结果为城市现有给水管网铺设年代久管道材质差腐蚀结垢程度严重水流在管网中停留的时间较长微生物滋生繁殖的机会较大以上这些因素造成了我国城市输配水管网二次污染严重据有关调查显示城市供水流经管网到水龙头时水质合格率下降了约104)净水工业落后水厂运行管理不够科学我国城市供水行业的技术水平总体上较低难以适应保证水质和进一步降低成本的要求近50的城市供水设施建设于80年代中期以前其中绝大多数都以常规处理工艺为主对某些特殊有机污染物特别是对高稳定性的溶解性有机污染物如卤代有机物硝基化合物多环芳烃等的去除效果有限难以适应原水水质的变化传统的预氯化工艺使得高浓度的氯与微污染原水中的有机污染物直接作用生成氯化消毒副产物威胁水质安全随着水源污染形势加剧许多城市的净水工艺已经不能完全适应供水水质安全的需要[7]城市给水系统是一个规模庞大结构复杂管网敷设隐蔽用水随机性强的网络系统传统的管理方式过多地倚重人的经验来管理这不利于给水系统的使用维护和更新也不利于给水系统的经济运行[9]综上所述随着经济的发展社会的进步我国城市供水行业发生了巨大的变化然而我国城市的供水现状还面临着许多严峻的问题有待解决其中最为严峻的问题是水资源短缺爆管频率高漏损严重水质二次污染管网供水可靠性差运行成本高所以保证经济安全可靠地供水已成为供水企业提高供水服务质量的关键给水工程中管网的投资大并耗用了大量能源因此对于管网技术经济合理性进行研究探讨如何对管网进行统一规划合理布局合理选择管径设置泵站以期达到降低投资节约能源与保证安全供水对提高经济效益和社会效益具有很重要的意义1.2给水管网设计计算理论研究动态进入20世纪以来各类学科相互促进发展迅速特别是计算机的出现和使用大力促进了给水管网设计理论的发展1936年哈代克罗斯(HardyCross)提出了以迭代法为基础的管网非线性方1绪论3程组法其后不少学者将此法加以改进提出了线性方程组法[11]在近70年里给水管网设计理论及方法发展迅速现已成为给水工程领域的一个重要组成部分20世纪40年代前苏联学者罗巴乔夫和莫希宁等人[11]首次将经济观点引入到给水管网设计领域从而开创了给水管网技术经济计算的新天地20世纪60年代随着计算机技术及应用数学的发展与应用Karmeli等人[12]和Schaake等人[13]在各自的研究中采用了系统分析法从此以后将系统分析法(特别是最优化技术)用于给水管网设计中所形成的给水管网优化技术引起了越来越多的学者的关注成为近40年来管网设计理论及方法研究的主流1.2.1给水管网水力计算给水管网水力计算的任务是在流量和管径已知的情况下求出各管段的实际流量qij,确定配水水源的流量Q和水压H以及各节点的水压高程管网水力计算方法可分为解管段方程组法解环方程组法解节点方程组等方法[9]这些方程组都是一系列用以模拟给水管网系统性能的稳