（水文学及水资源专业论文）改进遗传算法在农村供水管网优化中的应用.pdf

a p p l i c 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完 全意识到本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：牲 日 期：j 纠扯 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解济南大学有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许 论文被查阅和借鉴；本人授权济南大学可以将学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 名公开口保密(年，解密后应遵守此规定) 论文作者签名：弛导师签名：碰雌日期：五吐三翠 济南大学硕士学位论文 目录 摘 要。i i i a b s t r a c t v 第一章绪论l 1 1 农村供水系统概述1 1 1 1 农村供水系统的特点1 1 1 2 农村供水系统的供水模式2 1 2 管网系统优化概述一3 1 3 管网系统优化的意义3 1 4 国内外研究动态一4 1 4 1 管网优化模型研究动态4 1 4 2 管网优化模型求解方法的研究动态5 1 5 选题的目的、意义和内容7 1 5 1 选题的目的和意义7 1 5 2 本文主要的研究内容和技术方案8 1 6 本章小结一9 第二章农村新建供水管网优化设计多目标模型一l l 2 1 农村新建供水管网n 2 2 供水管网优化设计的目标l l 2 3 农村供水管网布置优化一1 4 2 4 供水管网优化设计经济性目标函数1 5 2 5 供水管网优化设计可靠性目标函数18 2 5 1 供水管网可靠性分析18 2 5 2 供水管网可靠性的定义1 8 2 6 供水管网优化设计的约束条件2 0 2 7 供水管网多目标优化设计数学模型2 1 2 8 本章小结2 2 第三章农村改扩建联网工程优化2 5 3 1 农村改扩建管线布置原则2 5 i 改进趣传算法在农村供水管网优化中的应用 3 2 分区管网间的合理连接与布局2 6 3 3 改扩建联网工程优化设计数学模型2 8 3 3 1 目标函数2 8 3 3 2 约束方程3 0 3 4 工程算例3 2 3 5 本章小结3 7 第四章改进的遗传算法3 9 4 1 遗传算法的概述3 9 4 2 遗传算法的基本步骤4 0 4 3 传统遗传算法的优缺点4 3 4 3 1 传统遗传算法的优点4 3 4 3 2 传统遗传算法的不足之处4 4 4 4 改进遗传算法的实现方法4 4 4 4 1 编码方法4 4 4 4 2 适应度函数4 4 4 4 3 复制方法选择4 5 4 4 4 交叉和变异方法4 7 4 5m a t l a b 简介以及其在管网优化中的应用4 8 4 6 本章小结4 8 第五章农村新建供水管网的工程实例4 9 5 1 实例区域概况4 9 5 2 计算结果5 0 5 3 结果分析。5l 第六章总结和建议5 3 6 1 总结5 3 6 2 建议5 4 参考文献。5 5 致谢。5 9 附勇专一6 1 济南大学硕士学位论文 摘要 农村供水系统是农村经济发展的重要基础设施，是发展农村经济、提高农民 收入、确保农村饮用水安全和改善农民生活不可替代的物质基础，同时也是建设 新农村、缩小城乡差距的必然要求。所以，做好农村供水工程具有重要的现实意 义。 在整个供水系统中管网部分的基建投资最高，而且涉及到庞大的能耗，一般 要占到工程总投资的6 0 - 8 0 。由于农村地区经济基础较薄弱、居民居住分散、 供水区域较大以及供水管线较长等特点，农村供水管网多采用的是树状管网或混 合管网，这不同于城市环状供水管网的计算。本论文作者通过参考大量查阅国内 外相关研究文献，充分搜集整理资料以寻求农村供水管网规划最优方案以及最合 理的计算方法。具体内容如下： ( 1 ) 建立供水管网多目标模型。本论文通过参考大量文献，对管网可靠性 进行分析，用节点富余水头对管网可靠性进行衡量，从而建立以供水管网的可靠 性和经济性作为目标函数的管网优化设计多目标模型，即建立以节点富余水头、 管网建造费用和运行管理费用之和最小的目标函数，并以标准管径及最小管径约 束、节点水头约束、水力平衡约束、管段流速约束和泵站可供水量的约束等为模 型的约束条件。 ( 2 ) 管网优化布置是管网优化设计的前提，本文以寻求管网总长度最短为 目标，采用动态规划法寻找树状管网最短路线的最佳布置方案，即将树状管网的 优化布置分成两个阶段来完成，第一个阶段是根据设计人员经验得出几种符合设 计规范的布置形式；第二阶段是在第一价段的基础上，根据动态规划理论研究每 一种布置形式的管径优化问题。 ( 3 ) 考虑到农村管网的改扩建工程以及联网工程日益增多，农村供水模式 逐渐由单村供水模式向集中供水模式和联村供水模式发展，本文遵循最短距离原 则，进行分区管网间的合理连接与布局，并建立了相应的优化设计数学模型。 ( 4 ) 本文根据管网计算的特点，分别采用了整数编码、轮盘赌选择法、适 合整数编码的算术交叉方法、改进的变异概率以及惩罚函数法将约束问题转化为 非约束问题建立的广义适应度函数。 ( 5 ) 通过山东省兖州地区漕河镇新建供水工程实例进行验证，运用 h i 改进遗传算法在农村供水管网优化中的应用 m a t l a b 进行了编程计算，计算结果表明：改进的遗传算法与原有的传统方法 相比总费用节约了9 2 l 万元，实践证明改进的遗传算法比传统的方法更经济。 本论文旨在通过以上研究为农村供水管网的新建及改扩建提供一种优化方 法，在保证管网水力稳定性和可靠性的条件下寻求年建造费和运行管理费用的最 小化。因而，本论文的研究具有一定的理论意义和实用价值。 关键词：农村供水管网；多目标模型；改扩建联网工程；遗传算法 i v 济南大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h er u r a lw a t e rs u p p l ys y s t e mi st h ei m p o r t a n tb a s i c a lf a c i l i t i e ，p l a y sa n i r r e p l a c e a b l er o l ei nd e v e l o p i n gr u r a le c o n o m ya n di n c r e a s i n gf a r m e r s i n c o m ea n d e n s u r i n gt h er u r a ld r i n k i n gw a t e rs a f e t ya n di m p r o v i n gf a r m e r s l i f e ，i st h ei n e v i t a b l e r e q u i r e m e n tt oc o n s t r u c tt h en e w r u r a la n dr e d u c et h ec i t ya n dc o u n t r y s i d ed i s p a r i t y t h e r e f o r ec o m p l e t i n gp e r f e c t l yr u r a lw a t e rs u p p l yp r o j e c th a ss i g n i f i c a n tp r a c t i c a l m e a n i n g t h ei n f r a s t r u c t u r ei n v e s t m e n to fw a t e rs u p p l yn e t w o r ki st h eh i g h e s to ft h ee n t i r e w a t e rs u p p l ys y s t e m ，a n dt h eh u g ee n e r g yc o n s u m p t i o no ft h es y s t e mg e n e r a l l y a c c o u n t sf o r6 0 t o8 0 o f t h et o t a lp r o j e c ti n v e s t m e n t b e c a u s et h a te c o n o m i c f o u n d a t i o no f t h er u r a li sw e a ka n dr e s i d e n t si n h a b i t a n c ys c a t t e r e da n dw a t e rs u p p l y a r e ai sb i g g e ra n dw a t e rs u p p l yp i p e sa r el o n ga n ds oo n ，r u r a lw a t e rs u p p l yn e t w o r k a l s ot a k e st h ef o r mo fat r e e - s h a p e do rm i x e dp i p en e t w o r k t h i si sd i f f e r e n tf r o m u r b a nc i r c u l a rw a t e rs u p p l yn e t w o r kc a l c u l a t i o n t h et h e s i sa u t h o rc o n s u l t sd o m e s t i c a n df o r e i 盟r e l e v a n tr e s e a r c hr e f e r e n c el i t e r a t u r ea n dc o l l e c t sf u l l ym a t e r i a lt op u r s u e t h eb e s tp l a no fr u r a lw a t e rs u p p l yn e t w o r kp l a n n i n ga n dt h em o s tr e a s o n a b l e c a l c u l a t i o nm e t h o d ，n l es p e c i f i cs o l u t i o n sa sf o l l o w s ： ( 1 ) w a t e rs u p p l yn e t w o r km u l t i o b j e c t i v em o d e l i se s t a b l i s h e d t h i sp a p e rh a s r e f e r e n c e da l a r g en u m b e ro fd o c u m e n t s ，a n a l y z e dp i p en e t w o r kr e l i a b i l i t ya n du s e d n o d es u r p l u sh e a dt om e a s u r ep i p en e t w o r kr e l i a b i l i t y , t os e tu pp i p en e t w o r k o p t i m i z a t i o nd e s i g nm u l t i o b j e c t i v em o d e l n a m e l y , t a r g e tf u n c t i o ni st h a tt h es u mo f t h en o d es u r p l u sh e a da n dt h ep i p e l i n ec o n s t r u c t i o nc o s ta n do p e r a t i o nm a n a g e m e n t c o s ta r et h em i n i n l u l n ，a n dt h em o d e lc o n s t r a i n t si n c l u d e st h es t a n d a r da n dm i n i l n u l n p i p e l i n ed i a m e t e rc o n s t r a i n t s ，n o d e w a t e rh e a dc o n s t r a i n t ，h y d r a u l i cb a l a n c ec o n s t r a i 鸸 p i p ef l o wv e l o c i t yc o n s t r a i n t , p u m ps t a t i o no u t p u to fs u p p l y i n gw a t e ra n d s oo n ( 2 ) n e t w o r ko p t i m i z a t i o na r r a n g e m e n ti st h ep r e m i s eo f t h ep i p e l i n en e t w o r k o p t i m i z a t i o nd e s i g n s e e k i n gt h es h o r t e s tt o t a ll e n g t ho fp i p ei st h eg o a l ，u s i n gt h e d y n a m i cp l a n n i n gt h e o r yt of i n dt h eb e s tl a y o u to ft r e e - s h a p e dp i p e l i n en e t w o r k t h e o p t i m u ma r r a n g e m e n to ft r e e - s h a p e dp i p e l i n en e t w o r k i sd i v i d e di n t ot w os t a g e s t h e f i r s ts t a g ei st h a ta c c o r d i n gt od e s i g n e r se x p e r i e n c ef o r m ss e v e r a la r r a n g e m e n t s c h e m e sc o m p l y i n g 谢t l lt h ed e s i g ns p e c i f i c a t i o n t h es e c o n ds t a g eb a s e so nt h ef i r s t v 改进遗传算法在农村供水管网优化中的应用 s t a g e ，u s i n gt h ed y n a m i cp l a n n i n gt h e o r yt os t u d yt h ep i p ed i a m e t e ro p t i m i z a t i o n p r o b l e mo fe a c ha r r a n g e m e n ts c h e m e ( 3 ) i nv i e w o f r u r a lw a t e rs u p p l yn e t w o r kr e c o n s t r u c t i o np r o j e e ta n dn e t w o r k p r o j e c td a yb yd a yi n c r e a s i n g ，t h ew a t e rs u p p l ys t y l ei sd e v e l o p e dg r a d u a l l yf r o m s i n g l ev i l l a g ew a t e rs u p p l ys t y l et oc e n t r a l i z e ds u p p l ys t y l ea n ds o m ev i l l a g e sw a t e r s u p p l ys t y l e t h i sp a p e rf o l l o wt h es h o r t e s td i s t a n c ep r i n c i p l et op r o b eh o w t o a c c o m p l i s hr e a s o n a b l ec o n n e c t i o na n dl a y o u tb e t w e e nd i f f e r e n ta r e a s ，t ob u i l d r e l e v a n tt h em a t h e m a t i c a lm o d e lo fo p t i m u md e s i g n ( 4 ) a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so fp i p en e t w o r kc a l c u l a t i o n , t h i sp a p e ru s e d i n t e g e rc o d i n g , r o u l e t t ew h e e ls e l e c t i o n ，a r i t h m e t i cc r o s s o v e rm e t h o ds u i t i n gf o r i n t e g e rc o d i n g , i m p r o v e dm u t a t i o nr a t e ，a n du s e dp e n a l t yf u n c t i o nt of o r m et h e c o n s t r a i n tp r o b l e mi n t ot h ec o n s t r a i n tp r o b l e m ( 5 ) t h e r ei san e w r u r a lw a t e rs u p p l yp r o j e c te x a m p l eo fc a o h et o w ny a n z h o u d i s t r i c ts h a n d o n gp r o v i n c e t i l i sp a p e rn s e sm a t l a bt op r o g r a mc a l c u l a t i o n n l e c a l c u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tb e c a u s eo f u s i n gt h em o d i f i e dg e n e t i ca l g o r i t h mt h et o t a l c o s th a ss a v e d9 210 0y u a n 1 1 1 ep a p e ri sa i m e da tt h r o u g ht h ea b o v er e s e a r c ht oo f f e rao p t i m i z a t i o nm e t h o d f o rn e wc o n s t r u c t i o na n dr e c o n s t r u c t i o no fr u r a lw a t e rs u p p l yp i p en e t w o r k , a n du n d e r t h ec o n d i t i o no fp i p en e t w o r kh y d r a u l i cs t a b i l i t ya n d r e l i a b i l i t ys e e k t h ec o s t m i n i m i z a t i o no fy e a rc o n s t r u c t i o nf e ea n do p e r a t i o nm a n a g e m e n tf e e s ot h i sp a p e r s t u d yh a sc e r t a i nt h e o r yv a l u ea n dp r a c t i c a lv a l u e k e yw o r d s ：r u r a lw a t e rs u p p l yp i p en e t w o r k ；m u l t i o b j e c t i v em o d e l ； r e c o n s t r u c t i o nn e t w o r kp r o j e c t ；g e n e t i ca l g o r i t h m 济南大学硕士学位论文 1 1 农村供水系统概述 第一章绪论弟一早三百 下匕 随着乡镇经济的发展、农村生活条件的改善以及乡镇企业增多规模扩大，用 户对水量水质的要求都有了一定的提高。为了确保广大农村地区都能用上可靠安 全的自来水，国家正在广大农村地区推进农村饮用水工程计划。根据党的十七届 三中全会中“关于加快农村饮水安全工程建设，五年内解决农村饮水安全问题” 的决定，党中央、国务院在加快全国农村饮水安全工程“十一五”规划进度的 基础上，由国家改革委、水利部、卫生部联合部署，各级水利部门会同发改革、 卫生部门组织开展( 2 0 1 0 2 0 1 3 年全国农村饮水安全工程规划的编制工作。日 前各级政府已把解决农村饮水安全问题摆在优先位置。 目前，我国农村供水工程模式正在发生变化。在全面摸清当地农村饮水安全 状况的基础上，并根据当地的自然经济条件、水资源和供水工程状况、经济社会 发展水平与要求，逐渐把小型分散供水或单村简易集中供水方式转变为以城乡自 来水一体化或以乡镇为中心的、连片的、适度规模的集中式供水方式为主，分散 式供水为辅的发展模式。 水源地的选择、供水规模的确定以及供水系统与供水方式的选择是直接影响 农村供水工程设计的关键环节。其中，农村供水系统主要是由预处理构筑物、取 水构筑物( 一级泵站) 、水处理构筑物、二级泵站、输水管线及管网、调节构筑 物( 水塔) 等组成的一整套工程设施组成。管网造价和运行管理费在农村集中供 水系统中所在的比重较大，所以，针对管网系统的优化设计对积极发展集中供水 模式具有重要的现实意义。 1 1 1 农村供水系统的特点 由于农村经济基础较为薄弱，而且有其独特的经济、社会以及自然条件，与 城市供水的经济模式相比具有显著的差异，农村供水系统有其自身的特点： ( 1 ) 供水水源类型多样，如常规地下水、江河湖泊水库水以及泉水等。同 时，由于农村水源受污染程度较轻、受污染的类型较单一，而且供水规模较小， 所以净水工艺一般因水源而异，且工程投资较小，工程建设周期较短。 改进遗传算法在农村供水管网优化中的应用 ( 2 ) 农村居民居住分散，供水区域相对较大，供水管线较长，同时由于供 水规模较小，管网管径一般较小。 ( 3 ) 农村用水结构呈现多元化，除乡镇企业以及学校等大用户用水以外， 农村牲畜用水和居民生活用水是农村用水的主体。 ( 4 ) 农村地区一般地形复杂，除平原地区外地势多起伏，供水多可采用重 力供水方式，在部分压力不足的地方应采用局部加压措施，而地势落差较大的地 方还得考虑采用减压措施。另外，在对可靠性要求较低的地方可采用树状管网布 置形式，尽量采用最短的布置路线，并且要避免起伏较大的地区、河流、铁路等 障碍物，管网的布置要考虑近远期的有机结合，少占良田等【1 1 。 1 1 2 农村供水系统的供水模式 目前的农村的供水模式主要有以下几种： ( 1 ) 集中供水模式 在地下水水量丰富的区域打深井或大口井作为饮用水工程的水源，以乡镇驻 地为中心向四周村庄辐射，形成乡镇集中供水的体系，也可以多个密集村庄统一 联网成片解决，形成网络化集中供水的系统，采取加压泵站直供或利用高位水池 ( 水塔) 重力流供水的方式。 中共中央国务院关于推进社会主义新农村建设若干意见中明确指出，要 加快农村饮水安全工程建设，在有条件的地方，要发展集中式供水，在农村实施 区域供水工程，是改善广大农村地区居民饮用水质量的一件实事。 ( 2 ) 联村供水模式 在水源水量水质满足要求的情况下积极发展这种供水模式，以节省工程投 资。另外，可以充分利用丘陵山区的地形特点，修建水池来实施重力流供水的方 式，采用自动控制装置，方便运行与管理。 ( 3 ) 单村供水模式 对于无法实施联村供水条件的地区，有一定的地表水源时，并且项目村具有 一定的经济实力，可以采用单村供水的模式。 ( 4 ) 水窖供水模式 根据雨季地表水丰富的特点，可以在地表水、地下水缺乏的区域采用水窖供 水模式来解决饮水问题。在每年的汛期水源充沛时灌水，即可满足四口之家大约 2 济南大学硕士学位论文 一年的生活用水。水窖的大小以4 0 , - - - , 6 0 m 3 为宜，采用手压泵取水或重力流的方 式供水。 1 2 管网系统优化概述 管网系统的优化研究主要是通过构造简化的管网优化设计模型，借助于计算 机技术和优化理论，研究如何合理地选择技术参数，从多个可行的设计方案中寻 求既满足设计规范要求，又可以降低工程投资成本和运行管理能耗的最优设计方 案。一直以来，广大研究工作者针对管网优化问题进行了大量的研究与实验，并 取得了很有实用价值的研究成果，并为社会产生了巨大的经济效益和社会效益； 尤其是计算机技术、数值计算方法、最优化理论与技术等的的发展，为管网系统 的优化设计与研究提供了相应的理论基础【2 1 。 完整的管网系统设计过程包括规划、设计和运行管理三个阶段。其中，规划 阶段主要是根据区域状况对管网输水干管和支管进行布置，以确定管网投资最少 或总长度最短的最佳管网布置形式；设计阶段要以最优管网布置形式为前提，根 据管网水力计算的结果确定有关技术参数，以解决管径最佳组合问题；最后，要 想按最优的运行策略管理管网系统还必须在最佳设计方案旋工建设前提下，通过 水源联合优化调度及水泵机组的启闭优化等进行研究，以发挥管网系统的最优性 能【3 1 。 在以上这三个阶段中，每个阶段的任务完成情况都影响着下一阶段的结果。 不同阶段优化研究的侧重点不同，所采用的优化模型和算法也不尽相同，所以， 按照所研究对象的不同，管网系统的优化研究通常可以分为管网系统优化布置、 管网系统优化设计和管网系统优化调度等三个方面 4 1 。本文主要是从管网系统的 优化布置和优化设计入手。 1 3 管网系统优化的意义 输配水管网是供水系统和管道化灌溉系统的重要组成部分，在整个供水系统 中管网部分的投资最高，而且涉及到庞大的能耗，一般要占到工程总投资的 6 0 , - - 一8 0 2 , 6 】。 同时，随着水资源日益紧缺和开发利用效率的提高，新系统的兴建和老系统 的修复、改扩建等所需要的工程投入逐渐增大。因此，供水管网系统的规划、设 改迸遇传算法在农村供水管网优化中的应用 计和运行管理是否科学、经济、实用，直接影响到工程总投资、运行管理费用及 系统可靠性。在所投资金有限的情况下，进行管网系统的优化设计，寻求能满足 水量、水压要求，且能使整个管网系统的年费用最小、管网系统可靠性最高的设 计方案，对降低能耗、节约投资、提高经济效益和社会效益等都有着重要的现实 意义。 1 4 国内外研究动态 1 4 1 管网优化模型研究动态 管网优化的重点是优化设计，因为优化设计对整个管网系统的影响较大，经 济效益较明显，所以，在管网优化研究的发展中，人们一般比较重视管网优化设 计，它发展速度和研究成果也高于管网布置优化，但是，如果能把布置优化和设 计优化有机结合起来会取得更理想的效果【4 1 。 2 0 世纪6 0 年代末，研究人员开始研究管网优化设计，最先是在城市供水系 统的规划设计中引起人们的重视。通过几十年的发展和完善，管网优化设计模型 和优化算法在供水工程实践中得到了充分的发展和较为广泛的应用【2 1 。 管网优化设计的模型包括两种：一是非数学模型，该模型基本是基于工程人 员的设计经验和长期工程实践过程中所总结的经验方法；二是数学模型，该方法 是基于数学规划技术，如线性规划模型、非线性规划模型和动态规划模型等，这 种方法应用较广泛【4 】。 供水管网的优化设计，应考虑保证供水所需的水量和水压、水质安全、可靠 性和经济性四个方面。由于水质较难进行定量评价，通常情况下，管网技术经济 计算是以经济性为目标函数，考虑各种设计目标的前提下求得一定设计年限内管 网的建造费用和运行管理费用之和的最小，并将其余的几个方面作为约束条件， 据此建立目标函数和约束条件表达式，并求出最优的管径组合【刀。这也目前管网 优化设计的数学模型一般是经济性为目标的单目标模型的主要思路，但是，单目 标管网优化模型都存在没有考虑管网可靠性的缺科8 ，9 1 。 近年来，一些专家学者不段地把管网可靠性也作为目标之一，从而建立以经 济性和管网可靠性为目标的多目标模型，例如：2 0 0 5 年r a z i y e h 等【1 0 】建立了总 费用和可靠性数学模型用于供水管网设计计算；2 0 0 5 年刘英梅【1 1 】在基于可靠性 的基础上进行管网改扩建的优化设计；2 0 0 8 年朱发异等【1 2 】将系统可靠性定义为 4 济南大学硕士学位论文 “节点富余水头加权平均值”和“管网恢复力”，以经济性和可靠性为目标函数的多 目标优化数学模型，进而对多目标遗传算法模型求解过程进行分析；2 0 0 9 年杨 世平等【1 3 】采用多目标遗传算法用于供水管网优化设计的研究。 1 4 2 管网优化模型求解方法的研究动态 1 4 2 1 传统方法 1 9 3 6 年，h a r d y c r o s s ( 哈代克罗斯) 在环状网的水力计算中提出了至今仍 在普遍应用的方法卅a r d y c r o s s 管网平差法，该法首先按节点连续方程假设管 段流量，然后根据平差理论计算每个环的校正流量，并忽略高次微量及邻环校正 流量对本环流量的影响，这样，就可以一个环一个环地反复修正流量，所求变量 即是环的校正流量【1 4 , 1 5 】。 但是，h a r d y c r o s s 法如果初始各管段的流量假设不当，不但试算次数增加， 收敛速度慢，而且，由于在对管网简化过多，忽略了各环之间的相互影响。不过 我国同济大学的杨钦教授曾提出了校正流量分配法，考虑了邻环之间相互影响的 传播系数，减少了迭代次数，提高了收敛速度”】。 供水管网设计的传统方法由设计者凭经验分配管段流量，然后在此基础上设 计管径并进行平差计算，根据管段的经济流速来确定的管径是最优组合【1 7 1 。当然， 在理论上，枚举法可以解决上述问题。但是，枚举法计算需要花费大量的时间， 当管网的优化设计决策变量较多时，所产生较大的方案组合数目，使得该方法是 不可行的【1 8 】。 1 4 2 2 遗传算法与管网优化 2 0 世纪8 0 年代初期，随着模拟退火、遗传算法和人工神经网络算法等优化 算法的兴起，国内外学者对这些算法的理论、模型和应用技术等进行了深入的探 究，并将这些算法称为现代优化算澎1 9 删。现代算法也逐渐应用到供水工程领域。 目前，国内外学者对供水管网技术经济计算进行了广泛而深入的研究并已取 得很大进展，他们提出了多种优化方法，如线性规划法、非线性规划法、枚举法、 动态规划法、神经网络法、广义简约梯度法、界限流量法和遗传算法等，这些优 化方法已相继被引入到供水管网优化领域2 1 盈】。但是，这些方法在实际应用中普 遍存在不能解决复杂管网优化设计的缺陷【2 3 】。 5 改进遗传算法在农村供水管网优化中的应用 动态规划算法是假定每个管段只能由一种管径组成，难以获得最优解【2 4 】；线 性规划方法一般能获得全局最优解，但其求解问题的规模有一定局限性，优化变 量多，需预先确定备选管径集合；非线性规划方法的优化变量少，求解比较容易， 但是这种方法的计算结果需按标准管径调整，仅能获得近似的最优解【2 5 1 。 遗传算法是一种借鉴生物界自然选择和自然遗传机制的随机搜索算法，是多 学科结合与渗透的产物，作为一种自适应的随即搜索方法，对任何函数类均适应， 已被应用于许多领域，并取得了良好的效果【2 6 1 。从国外的研究情况来看，g o l d b e r g ( 1 9 8 7 ) 把遗传算法用于管网优化设计领域，建立了遗传算法管网优化模型。随 后，s i m p s o n e ta 1 ( 1 9 9 4 ) 【2 刀和h a l h a le ta 1 ( 1 9 9 7 ) 【2 8 】也分别建立遗传算法模型， 并取得了良好的优化效果。 遗传算法在管网优化计算方面应用广泛，我国这方面的研究近些年取得了很 大进展。jgn d i f i t 2 9 】和李立军等【3 0 】采用遗传算法对雨水管网进行优化设计；郑 凤等【3 l 】采用线性逼近法对天然气管网系统输配气运行方案优化的数学模型进行 了求解，并编制了计算软件，应用于实际管网系统运行调度分析；卢丽娟等【3 2 】 利用遗传算法进行排水管网优化设计。郜瑜【3 3 】针对树状管网布置的特点，以图论 和遗传算法为理论基础应用改进遗传算法一单亲遗传算法进行树状管网优化。 杨世平等【1 3 】利用惩罚函数法对遗传算法进行改进后，应用其对多目标数学模型进 行求解，并将该优化方法运用于实际工程。周荣敏等【蚓针对应用遗传算法进行供 水管网优化设计中惩罚系数难以确定的问题，提出了一种应用供水管网技术经济 参数来计算惩罚系数的新方法。储诚山等【3 5 】提出了适于管网优化设计的改进混合 遗传算法。进而对遗传算法改进方法、水力计算的信赖域法、适应度函数的建立、 遗传操作和整数编码技术等进行分析。侯晓东等【3 6 】采用改进遗传算法使用整数编 码技术，采取精英选择和自适应策略，有效地解决了简单遗传算法全局优化速度 较慢和早熟问题。杨建军等【3 7 】对遗传算法的操作过程进行了改进，调整了适应函 数，采用随机多父辈适应函数值加权交叉和多种变异操作，结合了模拟退火算法， 改进了选择复制操作，从而形成了混合遗传算法。 另外，遗传算法在改扩建供水管网方面也有一定的研究，但还远远不够。高 志广等 3 8 】用遗传表达混乱遗传算法优化管网扩建工程；许刚【3 9 】采用蚁群算法进 行供水管网的改扩建研究，取得了较好的优化结果。 综上所述，根据上述对本课题相关领域研究现状分析，存在的问题主要有以 6 济南大学硕士学位论文 下几点： ( 1 ) 目前的研究论文对管网优化模型主是以管网建造费与运行管理费之和 最小化作为目标函数的单目标模型，而基本可靠性和经济性的多目标模型研究较 少。 ( 2 ) 城市环状管网的研究已经相对成熟，但是对于农村地区的树状管网、 混合管网的研究还不够。 ( 3 ) 应用遗传算法进行管网优化设计有着许多优势，而目前针对农村树状 管网、混合管网和改扩建工程的研究还不够充分，需要进一步研究。 1 5 选题的目的、意义和内容 1 5 1 选题的目的和意义 农村供水工程是提高农民收入、促进农村经济发展、改善农民生活不可或缺 的物质基础，是促进新农村建设以及缩小城乡差距的必然要求，因此，农村供水 工程与农村社会经济的发展密切相关。但是，由于技术、经济及自然条件等各方 面的影响，农村地区供水形势还异常严峻。为了改变农村供水的落后现状，目前 国家正在广大农村地区推进农村居民饮用水工程计划，以国家出资和农民集资相 结合的方式修建供水工程。 山东是农业大省，农业人口约占总人口的6 9 ，截止2 0 0 4 年底，共有2 9 2 8 7 万农村人口饮水不安全，占全省农村总人口的4 2 o ，饮水安全问题十分严峻。 2 0 0 5 年1 0 月，山东省人民政府以鲁政发 2 0 0 5 1 4 2 号文印发了山东省人民政 府关于实施全省农村村村通自来水工程的意见，正式实施全省村村通自来水工 程。几年来，在全省各级政府和有关部门的努力下，农村供水工程规模发展很快。 在整个供水工程投资中，输配水管网的费用所占比例大【矧，而且农村地区人 群居住分散，供水区域相对较大，供水管线较长，所以整个管网的建造费用和泵 站的动力费用相对比城市更高，同时管网的运行状态还影响到供水水质【4 l 】。 所以，基于管网优化模型的建立、可靠性分析和模型的求解的管网的优化设 计不仅可以降低整个供水管网系统的年费用而且可以节约能量、保证水量和水质 的安全性以及压力的稳定，这种合理、经济、有效的管网建设对于山东省乃至我 国农村饮用水工程具有重要的实用价值，而且对提高供水系统的经济效益和社会 效益有着重要的现实意义 4 2 1 。 7 改进遗传算法在农村供水管网优化中的应用 但是，供水管网的设计面临着巨大的困难，主要表现在：管径离散、管网的 可靠性评估、水质保证如何体现、管网压力的稳定等。近几十年来，大量的研究 者建立了许多管网优化模型，并探索如何建立和求解模型。其中，如何找到更加 有效的模型求解方法和如何定量地将管网可靠性合并入优化模型之中是目前研 究的两个热点和难点问题【4 3 1 。管网的水力计算是管网设计的基础，目前，传统的 设计方法以及凭经验方法往往使计算结果和实际工况很难吻合，随着优化理论、 计算方法和计算工具的发展，诸如数学规划、网络图论、遗传算法、广义简约法 等现代数学工具已经渗透到供水设计这个域【4 4 1 。 1 5 2 本文主要的研究内容和技术方案 本课题的主要针对农村供水管网分布区域大等特点以及必要的改扩建工程 ( 村村间联网工程) 等实际情况，本论文研究的主要内容如下： ( 1 ) 拟建立一个考虑可靠性的多目标的模型。另外，针对农村地区分布相 对分散、水源规模小，供水模式多样化，所以在改扩建工程中，如何建立模型实 现多个管网的合理连接，这是本文要考虑的一个创新点。 ( 2 ) 拟对供水管网优化计算过程的每个环节作出深入分析和研究的基础上， 采用适于离散变量组合优化并能很好应用于管网优化设计计算的改进混合遗传 算法。着重研究遗传算法这种搜索寻优工具在供水管网管径组合优化设计中的应 用，充分体现遗传算法思路简单、适用广泛、全局寻优能力强等特点。通过对遗 传过程如编码、适应度评价、选择、交叉、变异等一系列步骤进行改进，在迭代 了一定次数后，找到最优的管径组合方案，避开线性、非线性规划中的复杂理论。 ( 3 ) 针对兖州一农村地区的的供水系统的实例，进行管网的合理规划和优 化设计，使管网系统能够满足供水要求，节省工程投资，并使供水条件更有利。 ( 4 ) 根据优化设计方法的内容，拟采用m a t l a b 这种高性能可视化集成开发 工具计算这种非线性规划的管网优化模型。 本论文技术方案如下： 首先，确定农村新建供水管网的优化多目标模型以及改扩建工程中多个管网 联网如何实现并建立相应模型，详细介绍遗传算法的改进方法；然后，结合实例 建立模型，并采用改进的遗传算法编制程序进行模型的计算，并通过计算数据对 传统算法和遗传算法的结果进行比较，从而确定最佳的管网组合。如图1 1 所示。 济南大学硕士学位论文 建 立 利 农村新建管网多目标模型l 管 用 网 根 m 计 优 据 a 算 农村改扩建工程( 联网工 化 实 t 出 程) 管网优化模型 卜_模 例 l 经 型 建 a 济 亚 b 厶 口 惩罚策略i 卜 管 编 理 改 网 写 的 整数编码 卜 进 优 相 管 的 化 应 径 选择技术 卜 遗 模 的 组 传 型 计 厶 口 交叉技术 卜_算 算 法 程