（水力学及河流动力学专业论文）给水管网快速计算及绘图自动化.pdf

给水管网快速计算及绘图自动化 摘要 给水管网优化系统是一个比较复杂的系统，投资大、管理费用高，经济合 理的进行管网设计不仅可以节省大量的资金，而且能够产生巨大的经济效益和 社会效益。 本文针对给水管网设计过程中繁多的管网综合信息，基于a u t o c a d 2 0 0 4 平台，融进给水管网设计专业知识进行c a d 二次开发。随后介绍了给水管网实 用优化设计的数学模型和求解方法，为管网系统的规划奠定了坚实的基础。 在管网优化计算中，文章提出利用基本关系矩阵进行大型复杂管网优化设 计的新方法，包括管网节点流量的计算、管段流量的初始分配和管网的优化计 算。在数据的处理上，通过数据转换自动生成管段识别矩阵和初分流量的系数 矩阵，大大提高了工作效率。 在绘制管网系统图方面，充分利用a u t o c a d 的开发工具v b a 来设计管网 绘图界面，具有绘图界面友好的特点。最后在计算结果的基础上绘制给水等压 线。本文充分利用了v b a 的计算功能和a u t o c a d 的绘图优势，实现了给水管 网优化设计和绘图一体化。 关键词：给水管网优化计算基本关系矩阵管网建模等压线绘图 t h ef a s tc a l c u l a t i o no fw a t e r s u p p l yn e t w o r k s & r e s e a r c ho ni t sd r a w i n ga u t o m a t i z a t i o n a b s t r a c t t h eo p t i m i z a t i o ns y s t e mo fw a t e rs u p p l yn e t w o r k si sv e r yc o m p l i c a t e d b e c a u s eo ft h eh u g ei n v e s t m e n ta n dm a n a g e m e n tc o s t ，o p t i m a lr e h a b i l i t a t i o n c a ns a v em u c hm o n e ya n da c t u a l i z eg o o de c o n o m i ca n ds o c i a ls i t u a t i o n a i m m i n ga t t h ec o m p r e h e n s i v ei n f o r m a t i o ni nw a t e rs u p p l yn e t w o r k s d e s i g np r o c e s s ，b a s e do na u t o c a d 2 0 0 4 ，t h i sp a p e rd e v e l o p e sc a dw i t ht h e p r o f e s s i o n a lk n o w l e d g e t h i sp a d e ra l s oi n t r o d u c c sm a t h e m a t i c sm o d e la n d c a l c u l a t i o nm e t h o do fo p t i m i z a t i o nl a t e r , w h i c he s t a b l i s h e st h ef o u n d a t i o no f n e t w o r k ss y s t e mp r o g r a m m i n g i nt h ep r o c e s so fo p t i m a ld e s i g no fw a t e rs u p p l yn e t w o r k s ，t h i sp a p e r p u t sf o r w a r dan e wm e t h o dw h i c hp r o c e s s e sn e t w o r ko p t i m i z a t i o nb yb a s i c r e l a t e dm a t r i x ，i n c l u d i n gn o d ed e m a n dc a l c u l a t i o n ，i n i t i a lf l o wd i s t r i b u t i o n ， a n df i n a l l yo p t i m i z a t i o n i nd a t ap r o c e s s i n g ，t h i sp a p e ri n t r o d u e eam e t h o d b a s e do na u t o m a t e dc r e a t e di d e n t i f i c a t i o nm a t r i xa n dt o e f f i c i e n tm a t r i x t h r o u g hd a t at r a n s f o r m a t i o nw h i c h c a nr a i s et h ee f f i c i e n c yo fw o r k i nt h en e t w o r k s s y s t e md r a w i n gp r o c e s s ，b a s e do nt h ed a t af r o mo p t i m a l d e s i g n ，w ec a nd e s i g nt h ed r a w i n gi n t e r f a c et h r o u g hv b a w h i c hh a sam e r i t o fg o o di n t e r f a c e b a s e do nt h er e s u l to fo p t i m a ld e s i g n ，t h i sp a p e rp u t s f o r w a r dan e wm e t h o dd r a w i n gi s o p i e s t i cl i n e t h i sp a p e rm a k ef u l lu s eo ft h e c o m p u t a t i o na b i l i t yo fv b aa n dt h ed r a w i n ga d v a n t a g e so fa u t o c a d ，i tr e a c h e s t h eg o a lo fo p t i m a ld e s i g no fw a t e rs u p p l yn e t w o r k sa n dd r a w i n gu n i f i c a t i o n k e y w o r d s ：w a t e rs u p p l yn e t w o r k s ，o p t i m a ld e s i g n ，b a s i cr e l a t e dm a t r i x ， n e t w o r k sm o d e l i n g ，i s o p i e s t i cl i n e ，d r a w i n g 插图清单 图2 - 1 建模过程框图 图3 - 1 给水管网平面布置图- 图4 - 1 环内等水压线类型 图4 - 2 凹多变形等压线绘制 图4 3 直线判别法排除 图5 - 1a u t o c a d 的对象模型 “1 2 ：拍 图5 - 2e x c e l 对象模型 图5 - 3 给水管网计算结果 附图1 管网最高时计算结果图 附图2 管网消防时计算结果图 附图3 管网最不利时计算结果图 附图4 管网最高时等自由水压线图 附图5 管网消防时等自由水压线图 附图6 管网最不利时等自由水压线图 4 0 4 1 表格清单 表6 1 方案一管网优化计算结果4 4 表6 2 方案二管网优化计算结果4 6 表6 3 方案二双管段管网优化计算结果4 8 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外。论文中不包含其他人已经发表或撰写 过的研究成果，也不包含为获得 金壁王些太堂或其他教育机构的学位或证书而使 用过的材料与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明 并表示谢意。 学位论文作者签名：龟筻目j签字日期：2 。哆年月“日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金目曼王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权金 胆王些太堂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、 缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：费! 签字日期：2 悻6 月，( 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名：别虱p ；l 签字日期：m 叼年月，6 日 电话： 邮编； 致谢 在论文完成之际，首先感谢合肥工业大学给我这个学习和提高的机会，特 别是我的导师王国明副教授对我的悉心指导，借此机会向他表示衷心的感谢! 在学习和论文的写作过程中，王国明老师给予了我极大的关怀和帮助，从 论文题目的确定、实施方案的制定、具体工作的进展以及最后论文的撰写与修 改，无不渗透着王国明老师的智慧和心血。王国明老师严谨的治学态度、刻苦 钻研、兢兢业业的工作精神和平易近人的作风，使我在学业上受益匪浅。特别 是他谦虚严谨的治学态度、与人为善的为人之道更是我终生学习的榜样。 本人在研究生学习阶段和论文选题的过程中，还得到了徐得潜教授等老师 的指导和帮助，对此表示衷心的感谢! 在课题的研究过程中，还得到了很多同学的帮助，感谢亲爱的同学们与我 一同走过这段求学之路，衷心祝愿他们拥有更美好的明天。 最后，要感谢我的父母，正是他们在精神上和物质上无私的支持和鼓励促 使我不断努力和前进，是亲情的力量在最困难的时候帮助我克服困难。 对于帮助过我的所有人，再次表示感谢l 作者：熊刚 2 0 0 7 年6 月2 日 第一章绪论 1 1 给水管网系统优化设计课题的提出【卜4 】 给水管网系统是一个由各种管道、泵站、水塔、调节阀( 阀门、减压阀、检 查阀等) 等多种设施构成的水输送系统，属于拓扑结构复杂、规模庞大、用水变 化随机性强、运行控制为多目标的网络系统，通过系统的合理设计及运行管理， 可以节约大量工程投资，提高企业经济效益和现代化科学技术水平。管网系统 的投资很大，同时涉及到的影响因素也很多，如何最优地确定这些设计参数， 使系统在满足用户要求的前提下，达到投资及运行费用最省：如何在已知某些 系统参数的情况下，分析系统的运行状况，以便进行优化调度自动化控制等， 这些都是给水管网设计及管理人员追切需要解决的实际问题。 随着计算机的出现及其应用软件的发展，给水管网水力计算有了很大的发 展，在理论及算法上日趋完善。对于给水管网优化问题，国内外给水管网研究 工作者已做了大量的研究和探索工作，并取得了丰硕的成果。计算机和计算技 术的飞速发展，为管网设计与管理提供强有力的支持和推动。 给水管网的设计计算经过了从手算到电算，从凭经验设计到优化设计阶段， 这一过程是与计算方法和计算工具的发展相适应的。传统方法是凭经验查阅大 量表格进行设计的，过程繁琐，计算结果不准确。随着优化理论的发展，管网 的优化设计也相应的发展起来。起初，研究人员总是用一些确定性优化方法来 解决管网优化问题。2 0 世纪8 0 年代初，些启发式模拟算法迅速发展起来， 如遗传算法、神经网络、模拟退火法等方法。这些方法超越了传统的设计思想， 已成功地解决了许多组合优化问题，现在也被引入到管网优化设计中来，并取 得了高质量的解答。由于计算机的广泛应用以及应用软件的发展，目前，管网 模型正向智能化、图形化方向发展，并为用户提供了方便的界面和强大的功能。 管网模型的发展趋势是如何利用计算机强大的功能来实现更加快速、精确的设 计分析。 a u t o c a d 是目前我国给水排水工程领域应用最普遍的c a d 平台之一，目 前国内编写的给水排水工程c a d 设计软件，都是以此为平台进行二次开发的。 在以前的a u t o c a d 版本中，大多是以a u t o l i s p 作为开发语言，后来扩展到 a d s 系统。现在的a u t o c a d 2 0 0 0 提供了更多、更方便的二次开发工具，如v i s u a l l i s p 、a c t i v e x 、v b a 、a d s 、a s i 等。 1 2 给水管网c a d 软件的概况 为了让优化方法在实际的工程设计中能够方便地运用，不仅需要把它们转 化为计算机语言，而且还需要把它们制成软件包。这样不仅能够克服使用上的 不便，同时还能够解决不可视的感觉缺陷。目前在国内外己有以下些给水工 程软件，这些软件大部分都是以a u t o d e s k 公司的a u t o c a d 为操作平台。 1 ) 鸿业市政管线设计软件h y - s z g xv 6 0 。软件内容包括：地形处理、平 面道路的绘制、给水设计、管网平差、污水设计、雨水设计和管线综合等。 h y - s z g xv 6 0 的c a d 操作平台为美国a u t o d e s k 公司的 a u t o c a d 2 0 0 0 2 0 0 2 2 0 0 4 2 0 0 5 。软件根据给水、污水、雨水管道各自的特点， 结合道路的特征采用自动定线和交互定线相结合的方式，快速得到管道平面布 置图。对于布置好的管道，可以使用c a d 命令或软件提供的专用命令进行编 辑。使用专用工具对图面进行重合线检查、重合节点检查和节点连接管线修正。 对管道直径、标高进行修改时。程序会自动对上下游相关管道进行修正。平差 计算时，水源可以是定压力，也可以是水泵组合。可以计算任意多个水源，可 以对最不利点校核、消防校核、反算水源点压力、事故校核等多种工况进行计 算。计算原始数据可以直接输入也可以从图面自动提取。计算规模达到千级管 段，计算结果可以标注到图面上，也可以形成完整的平差计算书。可以显示水 源供水区域，可以绘制管网等压线。 2 ) w a t e r c a d 由世界上最大的给排水专业软件开发研究公司海思德工程软 件公司( h a e s t a dm e t h o d s ，i n c ) 开发。w a t e r c a d 软件可对给水管网系统进行静态 分析和设计；可对给水管网系统进行动态模拟分析和设计，即分析和设计给水 管网系统在不同供水状态下随时间的响应。模拟分析和设计含有水泵、水塔、 水库和控制阀门的给水管网系统。进行消防用水流量和平差分析，分析给水管 网系统在极端用水条件下的表现；可对给水管网系统进行各种方案下的水文水 力学计算和成本分析比较，并为用户产生各种图表、曲线和报告。 3 ) w a d s o p ( 给水系统优化程序) 一种典型的决策支持系统，该系统为承担 给水工程规划设计提供了一种灵活且有价值的工具。其中用非线性规划技术作 管网解算器，比传统方法( h a r d y c r o s s 、n e w t o n r a p h s o n 等1 具有明显的收敛 速度快的优点。 4 ) 理正给排水设计软件、设备绘图软件包，是理正软件研究院开发的一套 智能化绘图软件，主要进行室内给排水管网设计。 5 ) 天正给排水t w t 方便灵活的室内给排水设计软件。平面图直接生成系 统图时，采用多视窗技术，即可生成大样系统图，也可生成完整的系统图或高 层立管图( 展开图) ，同时也提供直接绘制系统图的功能。最新版的给排水将使 用户在a u t o c a d2 0 0 2 平台及a u t o c a d2 0 0 4 平台上的转换极为方便。 随着我国给水事业的迅速发展，各地城市均具规模，城市给水管网在其新 建成的一时期内，其供水能力是可以满足用户要求的。由于给水工程在工业建 设和人民生活中占有重要地位，随着城市的发展，用水人口的不断增加和人民 生活水平的日益提高，城市用水量急剧增长，给水管网供水能力逐渐不能适用 2 用水量增长的需要，同时，由于给水管网规模的不断扩大，管线改造、铺设缺 乏统一规划，大规模给水管网系统在管线连接、构筑物设置等方面存在诸多不 合理之处，增大了供水能耗，并使部分供水区域水量欠缺、低压区不断扩大、 供水安全性降低。这一系列问题成为我国各城市的给水管网面临重大的问题和 难题。 给水管网在整个给水投资中，不仅管网部分的造价比重约占6 0 8 0 ，而 且还涉及每年庞大的能量消耗。管网优化应以有限的建设资金投入，最大限度 地提高给水管网的综合效益为目标。 长期以来，各地自来水公司在进行管网改扩建时，在仅凭经验确定管段走 向和管径的基础上，只拿出很少几个经验方案作比较，由于实际管网的计算复 杂，工作量大，难于找到经济合理的最优方案，由于管网投资额很大，缺乏科 学依据地进行建设，不仅浪费资金，而且投资效益也不理想，这些问题一直困 扰着供水企业。因此需要运用科学知识进行给水管网优化设计，通过模拟计算 找到经济合理的设计方案，在满足用户对水量、水压、水质的要求地前提下， 尽量减少投资，实现生产地科学化、合理化、现代化。 1 3 给水管网系统优化设计的研究概况【扣8 】 给水管网是给水设计的重要组成部分，在该系统中，管网的投资很高。因此。 人们对管网设计以使其产生最大的经济效益。然而，给水管网设计的任务是艰 巨而复杂的。在设计过程中涉及到大量的需要认真考虑的相关因素。如今，优化 设计更趋艰难，主要是因为在设计过程中，要将费用效益及可靠性同步考虑。 其复杂性通过以下几个因素来体现：( 1 ) 决策变量的离散性( 如有效经济管径) ； ( 2 ) 与管材、劳动力、管道布置和开挖等费用有关的复杂离散函数；( 3 ) 设计中 涉及到的多种需水量荷载形式；( 4 ) 在加压系统中，为了计算能量费用所需管道 流量及压力方面的一系列知识。 自从2 0 世纪6 0 年代人们就开始用系统分析方法设计给水管网，并将优化程 序应用于其中。自从2 0 世纪7 0 年代以来，大量的管网优化设计技术被相继提 出。可靠性是在可能机械损坏情况下满足需水流速的概率。研究给水系统可靠 性是必不可少的。在过去十年里，对大型给水系统建模的能力没有得到多大的改 善，由于计算机的广泛使用，建立、运行数学表达式或管网模拟型是很廉价的， 然而费用没有减少，这主要因为在校核模型和收集数据时，参数估计不准确，造 成模拟模型失真，基于模拟分析之上的设计和运行决策严重出错。1 9 8 8 年k e v i n e e l a n s r y 和c h u d a b a s n e t 精确地提出了非线性规划法来解决估计管网模型参数。 在不同荷载条件下检测给水管网性能时，估计参数相当重要。1 9 9 6 年 p v n i r a n j a nr e d d y 和k s r i d h a r a n 、p v r a o 研究出了基于g a u s s 。n e w t o n 最小化 技术的最小平方权重法( w l s ) 来估计给水管网的参数，该项研究的一个行要特 点是详细考虑了参数估计中选择不同权重的影响。该法在现实生活的三个管网 中得到应用。 我国给水管网优化设计研究最近几年也取得了一定进展。方永忠用生成树 变换法求输配水系统最短供水路线，解决了多水源输配水系统中有一个以上节 点流量为负值的最短供水路线问题。哈尔滨工业大学以赵洪宾教授为首的课题 组开发的给水管网信息管理和分析系统，可用于城市给水管网的信息管理、管 网运行工况模拟计算和分析、管网事故分析处理、管网改扩建优化设计等方面。 对于环状网，其流量分配有多神方案，而各管段的流量和管径均为未知，不能 求解。很多研究表明，环状管网没有最优的流量分配，即在流量未分配的情况下，流 量优化分配问题是一个凹规划问题，它的最优解出现在约束的边界上。如果对管段管 径、流量没有下限约束，优化的结果是某些管段的流量为零，即环状网变为树状网， 导致供水的可靠性大大降低。因此，在进行管网优化设计时，必须首先分配管段流量， 并写出以流量和管径( 或水头损失) 表示的费用目标函数式。 给水管网是供水系统的重要部分，必须提高其安全可靠性。在规划设计中进行风 险分析，对串联、并联及复杂的给水环节，需要进行可靠性分析。利用计算机对管网各 管段损坏时的供水影响进行程度分析，采用双管供水并在适当位置加以连通，通过技 术经济手段因地制宜的选用适当方式。 1 4 给水管网系统优化设计方法 自提出给水管网优化课题以来，前人已在这一领域做了研究和探索工作， 取得了大量的研究成果，并发展了不少的优化方法。其中代表性的优化方法有： n 1 枚举法【9 1 用枚举法进行管网优化设计计算，是从用户指定的各组管径序列这对各个 管段进行最优管径组合，从中选出最符合优化目标的方案，从而达到最优化设 计的目的。 枚举法是一种全局搜索算法，它对目标函数要求低，优化原理简单可靠， 搜索到的结果是全局最优解，但枚举法需要存储每一管段所有可能用到的标准 管径，形成标准管径解空间，再进行逐个试算。枚举法的最大缺点是在优化过 程中计算机的消耗时间多，对大型管网系统，甚至难以完成计算。现在有学者 提出了基于改进枚举技术的优选管径法，它通过管段分组、管径现在范围验证、 投资验证、水压验证等手段提高了枚举法优化速度，但其庞大的计算量仍是枚 举法技术无法得到广泛应用的主要原因。 ( 2 ) 非线性规划法f 1 0 1 非线性规划模型比较真实地反映了管网优化设计闽题的实质，但求解的难 度也大大增加。目前非线性规划模型一般都为复杂的不等式约束非线性问题， 常用的计算方法有广义简约梯度法( g r g ) 。它是的基本思想是把变量分成自变 量和因变量两个部分，将因变量由约束条件解出，以自变量表示，在利用简约 4 梯度直接构造一个使目标函数改善的可行方向，沿次方向进行搜索，从而找到 一个新点，逐步逼迸原问题。 采用广义简约梯度法该法需要解决的主要问题是如何将自变量区分为基本 变量和非基本变量。根据管用系统的特点，当管径确定以后，管网中的管段流 量及水头损失可通过水力计算方程唯一地得出，当控制点的水压己知时，管网 内其它节点水头也就随之确定，即管径d 与节点水压h 之间存在非线性函数关 系。因此可将管径作为非基本变量，节点水压作为基本变量，直接以管径d 作 为优化对象，以管网水力计算方程作为约束条件，建立起不需要预先假定管段 流量分配的管径优化数学模型。广义筒约梯度法应用范围广，收敛速度较快， 是目前解决一般不等式约束非线性规划问题最有效的方法之一。其缺点是计算 结果常常陷入局部最优，且计算程序复杂，占用内存大，难于解决大中型管网 优化问题。 ( 3 】界限流量法【1 1 1 界限流量法把每一管段看作是管网中其它管段无关的单独工作管段。对于每 种标准管径不仅有相应的最经济的流量，而且有其经济的界限流量范围，在此范 围内用这一管径都是经济的，超出界限流量范围就必须采用大一号或小一号的标 准管径。根据相邻两标准管径见一。和见的年费用折算值相等的条件，可以确定 界限流量。这时相应的流量q ，即为相邻管径的界限流量，也就是说q ，既是巩。的 上限流量，又是眈的下限流量。 ( 4 ) 动态规划法f 1 2 】 动态规划法一般是从过程的最后一个阶段开始计算的，即其最优决策是逆 序决定过程。给水管网优化中是以年费用折算值为目标函数，以节点连续性方 程、节点自由水压大于最小自由水压以及管线隆起处水压非负为约束条件，以 此构成了管网主干管线管径优化设计数学模型。 该法直接以标准管径为变量，求得的最优结果无需进行调整。从所得解中 选一年费用最小的解为最优解，其所对应的管径即为主干管线上各管段的最优 经济管径。 在求出管网主干管线上各节点水压后，对于管网支线也可用动态规划法求 解，此时管网动力费用保持不变，因而不会影响整个管网的年费用折算值。 ( 5 ) 模拟退火法【”i 模拟退火法( s i m u l a t e d a n n e a l i n g ，简称s a ) 是由s k i n p a t r i k 于2 0 世纪8 0 年代初提出的一种模拟金属退火的全局优化随机方法。它结合了统计物理学和 局部搜索的方法和原理求问题的全局解。它从任一标准管径初始可行解出发， 并用某一机制( 交换、查找、逆转) 产生领域解，用水力约束条件控制计算流 程是否由m e t r o p o l i s 准则判定，如此迭代下去直到得出一满意解。s a 算法以离 散的标准管径为空间搜索点，管径不需调整，其次随即产生领域解及m e t r o p o l i s 准则的引入，都避免了陷入局部最优解的发生，从而开辟了求解优化问题的新 5 途径。它是一种基于m o n t ec a r l o 迭代法的随机型搜索算法。 该方法在求解组合最优化问题时，理论上已被证明在满足一定条件的某种 问题函数下，模拟退火法可收敛到问题的最优解。因此它可以用于求解各种优 化问题，在大系统优化方面更是引起丁人们极大的关注。此外将模拟退火法与 其它一些方法结合使用，也是9 0 年代以来的新趋势，典型的就是与遗传算法结 合的所谓遗传退火算法。 ( 6 ) 遗传算法 1 4 , 1 5 1 基因算法( g e n e t i c a l g o r i t h m ，简称g a ) 是一种新的、正在发展中的人工进 化寻优方法。该法概念简单，有全局寻优能力，可直接由于离散变量的计算， 因而近些年来，国内外不少学者将其应用于给水管网经济管径求解中。基因算 法主要有三种编码方式：( 1 ) 二进制编码；( 2 ) 实数编码；( 3 ) 自然数编码。 其中，自然数编码在给水管网的优化计算是最方便的。其过程为：对离散型的 标准管径进行自然数编码，随机产生一组初始群体，通过解码操作将个体的基 因信息译为管网优化问题的决策变量，经过管网水力计算求得水头损失、节点 水压等变量值，代入管网优化问题的目标评价函数，并计算出个体的适应度； 通过评价，按照适应度的大小，优胜劣汰，组成优良亲本群体用于繁殖新一代， 一对对亲本的染色体及基因以一定的变换概率和变异概率经过随机地交换、变 异生成新一代群体；不断重复上述过程，使得群体适应度的平均水平逐代提高， 直至产生最优个体。 ( 7 ) 神经网络方法 神经网络方法( a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k ，简称a n n ) 求解优化问题的关键 思想是将问题映射到一个神经网络动力系统，写出相应的满足问题约束条件的 能量函数表达式和动力学方程，选取适当的参数值以保证网络的稳态输出，在 网络动力学方程自动演化到平衡位置后，即可搜索到相应的( 局部) 最优解。 自h o p f i e l d 和t a n k 在8 0 年代中期给出第一个求解优化问题的神经网络， 并在货郎问题( t s p ) 上取得了成功以后，掀起了一股遍及各个学科的神经网络热 潮、由于神经网络采用了微分方程这样的数学工具，因而开启了用动态方法解 静态问题的大门。在具件实现上不仅可用软件模拟，而且可以制成硬件电路， 因而拥有广泛的应用前景。 ( 8 ) 拉格朗日未定乘数法【1 】1 2 【4 】 该法用拉格朗日条件极值法进行管径优化计算。对于起点水压未知的管网， 用此法求得经济管径计算公式为： 或= ( 五q q ：) 斋 ( 1 - 1 ) 式中： 一一管径，t ； 6 岛。 举卜声 2 ， l o 管段长度； 1 5 本课题的来源和研究内容 给水管网系统投资大，投资偿还期长，有很大的可塑性，通过优化设计可以 节省大量工程投资。基于这些现实，本课题的研究旨在c a d 平台上，在建立管 网优化设计模型的基础上，进一步发展给水管网优化技术。其主要内容包括： 第一章为“绪论”。介绍了国内外多种给水管网c a d 软件的，概述了给水 管网系统优化的研究意义及研究进展，并概述了有代表性的管网优化方法。 第二章为“城市给水管网数学模型和优化方法”。介绍了管网建模的意义及 模型的类型和模拟内容，并对优化设计的目标函数和其约束方程进行了说明。 第三章为“给水管网的计算理论据”。首先对给水管网的水力计算方法进行 了概述，在管网基本关系矩阵的基础上介绍了其它矩阵的自动生成方法，实现了 实现管段、节点自动编号，自动获取节点坐标和管段长度，寻找管段上、下游节 点，初始管段流量自动分配，最后由程序计算管径和水压。 7 第四章为“给水管网等水压线的绘制”。介绍了等水压线在给水管网管理中 的应用，详细介绍了本文采用的三角形网格绘制等水压线的方法。 第五章为“给水管网图形的绘制”。首先介绍了给水管网图形绘制的思路， 详细介绍了v b a 编程的基本原理，实现了直接将计算结果输出于e x c e l 中， 存储方便，并对计算结果进行标注，实现快速计算。 第六章为“工程实例”。以安徽省某市的给水管网工程为实际算例，验证优 化算法的有效性和可行性，以及给水管网c a d 的实用性。 第七章为“总结与展望”。对本文的研究进行总结，并展望今后需要继 续研究的方向。 第二章城市给水管网数学模型和优化方法 进行给水管网系统优化设计，就是在符合城市发展规划要求前提下，从工程 应用角度，在对现有管网系统工况科学分析的基础上，根据对城市未来发展用水 需求的预测，确定系统中新增管道的位置和参数。在充分发挥现有管网系统设施 功能的条件下，以最少的投入保证供水，满足用户对水量、水压、水质的要求， 提高供水效益。 管网水力计算是管网状态估计的一种方法。计算结果与实际值的吻合程度取 决于计算中所采用的管网模型及各项参数的准确性。 在优化设计计算中，管网系统的数学模型包含水源、管线、加压泵站、水库、 水塔等组成部分。为了充分发挥整个系统的功能，以年折算费用最小为目标函数， 得出管径、各水源的水量分配、加压泵站的位景和扬程。给水管网系统建模是进 行管网计算的第一步。 2 1 给水管网系统的系统建模【2 l 给水管网系统是一个大规模、复杂多变、用水变化随机性强、运行控制为多 目标的网络系统。为便于规划、设计和运行管理，应将其简化和抽象为便于用图 形和数据表达和分析的系统。给水管网模型主要表达系统中各组成部分的拓扑关 系和水力特征，将管网简化和抽象为管段和节点两类元素，并赋予工程属性，以 便于水力学、图论和数学分析理论等进行表达和分析计算。以往，对埋在地下的 给水管网多属经验性的管理，不能直接进行实验和大量的测试，实现科学化管理 非常困难。管网建模是通过对给水管网的计算机模拟对地下给水管网进行水力计 算，模拟地下给水管网系统的工作状况，它能构提供有价值的信息，有助于实现 对管网科学化、现代化管理，是进行给水管网的优化控制管理的基本手段。是城 市基础设施建设的一个重要方面。 “管网建模”是模拟给水系统，判断地下给水系统的工作状况的基本手段。 城市中的给水管网埋于地下，且从建设之初运行至今，经历了不断的维护、更新 和扩大。这使系统不可避免地具有复杂性、随机性和动态不完全性。国内外从事 管网研究的专家学者一直把对地下给水管网系统更全面、更准确的认识作为一个 重要的努力目标。因此，也便产生了“管网建模”和“管网水力计算”等研究课 题。“管网建模”即建立与地下给水管网相对应的，可计算、可直观显示、可分 析的管网模型系统。该模型在参数( 如管段阻力系数、漏失系数) 和状态( 如阀门开 启状态、节点水压、管段流量、泵站供水量、泵站扬程1 两方面与所模拟的实际 管网具有较好的一致性，它可通过实测数据校核、调整、修正，使误差逐渐减小， 控制在允许范围内。“管网水力计算”是贯穿于“管网建模”过程中的理论依据， 它是根据管网中的水力特性，把水力学的理论公式应用于管网的实际计算中，在 9 运算中考虑一些参数与理论取值的不同，从而推求管网的各项状态参数。 。管网建模”是管网系统综合管理系统的基础工作，是实现管网系统现代化 管理的前提。通过建立管网模型，使人们对给水管网系统的了解程度从原来的模 糊推断上升到了定量推求。许多状态参数从未知到求解。这正是自然科学战胜未 知领域的一个进步。管网建模是适应管理现代化、决策科学化需要的一项重要举 措。只有基于对管网系统的正确认识，才能考虑充分发挥系统供水能力，合理改 扩建，科学调度以及尽量提高供水安全性等课题。因此，“建模”是一项十分必 要的基础性工作。 目前，我国的大中型城市己渐渐认识到建模的重要性，纷纷投入力量，建立 本城市的管网模型。 在“管网建模”方面哈尔滨工业大学给排水系统研究室进行了大量研究积累 了丰富的经验。他们建立的管网模型系统应用于国内诸多城市的给水系统，达到 了较好的模拟仿真效果。在方便管理，指导生产，提高给水系统的社会效益和经 济效益等方面具有重要意义。 2 1 1 给水管网模型的类型 为了准确刻画现有给水管网系统的工作状况，建立与实际系统特征相吻合的 工况模型是对给水管网系统进行优化改扩建的基础。总的来讲，可将模型分为以 下几类： ( 1 ) 管网宏观模型 管网宏观模型是在管网流量服从“比例负荷”的前提下，应用“黑箱理论” 的基本思想，直接建立给水系统的输入量和输出量间的相互关系。通常 采用水厂的供水压力和供水流量作为输入量，压力检测点的压力为输出量。 管网宏观模型是以水厂的供水压力和供水流量以及水塔水位与管网监测点压力 的大量实测数据为基础，应用统计数学的方法所建立经验数学表达式，从而提高 了计算速度。但它要求有足够多的压力监测点，并且要求有足够的实测数据和准 确度，必要时须参考微观模型的仿真计算结果进行修正。建立宏观模型的主要目 的是简化调度计算过程。但由于宏观模型是根据管网中所设的测流点、测压点来 建模，其输出量只能是相应的节点压力及管段流量，无法了解非测压点的压力和 非测流点的流量。宏观模型不能求得管段和节点的工况参数，多用于给水系统调 度建楱，不宜用于给水系统新建、改建和扩建建模。 ( 2 ) 管网微观模型 管网微观模型是利用管网的动态水力特征，从物理管网的基本组成组件的水 力行为出发，以供水网络分析的连续性方程和能量平衡方程为基础，描述管网的 组件及其相互作用、边界条件，通过求解方程来获取关于管网状态的解。它包括 管网所有元素( 管段、阀门、水泵等) ，其明显的优点是直接应用完整详细的管 网信息数据库的资料，包括管网全部信息建模，具体求解方法有解节点方程、解 1 0 环方程、和解管段方程。其计算结果可得到所有节点和管段的全部信息。缺点是 计算工作量大、计算时间长、占用计算机内存多。 ( 3 ) 管网简化模型 对于多水源、成环状布置的复杂供水管网，将其化简为简化模型很有意义。 简化模型是在微观模型的基础上发展起来的，采用宏观模型无法了解非测压点的 流量，采用微观模型，过于复杂。因而根据水力条件，可以只选取管径比较大的 输水管段建立管网简化模型，直径比较小的配水管段就忽略。另外为了保证管网 的连续性，或为了保留较重要的连通输水管，可能还要选取一些直径较小的管段 加以补充。建立管网简化模型的确能大大减少建模的工作量。 ( 4 ) 管网集结模型 日本学者提出较多的是“管网集结模型”。所谓“管网集结”其实就是一种 简化网络结构的近似方法。把整个配水管网划分为p 个区域，使管网中每个节 点必须且仅属于一个区域。划分区域的原则是：同区域内的各节点压力大致相等， 用水规律相仿。将每个区域内的所有节点“集结”在一起而形成一个“虚拟”节 点。区域之间的关联用一条“虚拟”管段表示。这样，原来的管网模型就简化为 一个新的管网模型，称之为“集结模型”。 2 1 2 给水管网的模拟内容 给水管网系统建模，是为模拟系统建立数学模型的过程，模拟内容主要有三 个方面： ( 1 ) 图形模拟 将复杂的给水管网系统拓扑结构，在可行的简化基础上，输入计算机，拼组 成一个能实现模拟的管网图形，其中应包括水源管段、管长、管径、节点以及阀 门、消火栓等附件。这些都是管网的静态数据。并由此建立管网的图文数据库。 ( 2 ) 状态模拟 包括随时间变化的管网节点流量；受水压及管道敷设年限影响的管道漏失 量；高位水池水位随时间变化的影响；阀门开启度对通水量的影响。这些都是管 网的动态数据。状态模拟的目的在于管网的静态和动态数据建立并通过求解管网 状态方程( 连续性方程、能量方程、水头损失方程) ，进行管网水力分析。 ( 3 ) 参数模拟 对不随时阅变化的参数进行计算和模拟。例如，管道不同，不同敷设年限的 旧管道c 值也不尽相同。 建立模型可以解决以往难以解决的问题，显著提高管理水平和经济效益。城 市给水管线遍布在街道下，所以管网形状总是和城市规划总平面布置有密切的联 系。通常，城市给水管网是由环数较多的环状网和一部分树状网组成的混合型管 网。由于给水管线很多，特别是大城市，如果所有管线律加以计算，实际上是 不必要的，有时甚至是不可能的。为此，可将实际的管网适当加以简化，略去次 要的管线，保留主要的管线，但简化后的管网基本上应能反映实际用水情况。 对于混合型管网，将树枝状部分省略。并将其节点流量加入联系管段的铰节 点上，使其成为环状网。 2 , 1 3 给水管网的建模过程 概括来讲，给水管网模型的建立一般分为下面几个主要步骤： ( 1 ) 基础数据录入。包括管网图形和其它相关图 形的输入以及管网和其它相关信息的数据输入。 ( 2 ) 基础数据处理。包括图形的拼接、保存，建 立数据库。 ( 3 ) 确定参数、计算。添加各类计算模块，包括 摩阻计算，节点流量计算，平差计算。 ( 4 ) 工况分析。添加工况分析模块，包括节点水 压，管段流量数值及图形显示。进而有管段运行负荷 分析，供水路径，供水趋势，供水满足区显示，事故 分析。 ( 5 ) 实测工作。包括管段摩阻系数，水泵特性曲 线，监测点水压，管段流量。 ( 6 ) 模型校核。判断是否满足条件，如果满足， 建模工作结束，否则回到3 步，直至满足。图2 - 1 建模过程框图 2 2 给水管网的优化设计 管网优化计算的目的是，在技术上满足城市供水水量、水压和水质要求的 前提下，在经济上做到费用最小，需要借助工程学与经济学方面的知识。所以 也可以称为管网技术经济计算。树状网和环状网的优化有很大的区别，树状网任 一管段的流量仅和其下游的节点流量有关，而和管径的大小无关；可环状网却不 一样，整个管网的流量分布受到用水量和管径大小的影响。环状网优化计算时， 有一些管段将由于管径为零而消失，从而成为树状网。 管网的优化设计，必须考虑四个方面的问题，即水压、水量的保证性；水质 的安全性；可靠性和经济性。管网的优化计算就是以工程的经济性为目标函数， 而将技术的可行性作为约束条件，以建立目标函数和约束的表达式，从而求出最 优解。 通常按最高用时用水量进行管网优化计算，在满足用水量的前提下，还需要 考虑以下几个方面。 2 2 1 优化设计的目标函数1 1 7 l 管网优化计算的目标函数是管网的年折算费用w 为最小，它由如下几个 部分组成： ( 1 ) 管网造价年折算费用：以t 为管网投资回收期，c 为管网总造价，则年折算费 用为c t ，对于c ，有： c = 罗( 口+ 蟛比 ( 2 - 1 ) 舒 其中：口+ 6 d ? 为管道造价公式，a ，b ，a 为公式系数；对于其中的系数和指数， 根据各管径管段的实际造价，可采用回归分析的方法进行拟合。【1 6 l 管网造价是管网建设的一次性投资，投资期一般较长，因此计算中应考虑货币的 时间价值，采用采用工程经济学中等额分付资金回收的概念，将一次初始投资现值折 算到管网造价年费用中，年成本动态计算公式为： r = ! q ! ) ： ( 2 2 ) 0 + 0 。一1 式中：月资本回收动态折算系数； f 期望收益率( ，幻； t 经济寿命0 ) 。 则管网造价的年折算值表达式为： = 尺。 + 岈地 ( 2 - 3 ) ( 2 ) 管网动力费用：对于有泵管网，管网的动力费用为： w 2 = 0 0 1 - 等荟一老、h x + z 0 ) 式中： 卢供水能量变化系数； ( 2 4 ) e 一电费( 铳赢) ； ，7 泵站效率。 q 水源流量； 动力费用随泵站的流量和扬程而定，扬程则决定于控制点要求的最小服务水头， 以及输水管和管网的水头损失等。 ( 3 ) 折旧大修费用：设管网折旧大修率为p ， = 志荟( 口+ 岈地 则每年管网的折旧大修费用为： ( 2 5 ) 2 2 2 给水管网优化设计目标函数的约束方程【1 8 l 给水管网优化设计的目标函数是建立在一系列约束方程( 条件) 的基础上的，应 满足的约束条件为： ( 1 ) 节点流量的连续性方程 节点流量应满足连续性方程，即流向任一节点的流量必须等于流离该节点的流 量。规定：流离节点的流量为正，流向节点的流量为负，则有 q + 磊锄。0 拒s(2-6) 式中：q 节点流量； 吼管段玎的流量； s ，管网独立节点集合； k 与节点f 邻接的节点集合； ( 2 ) 能量方程 环内各管段水头损失应满足能量方程，即管网各环内的管段水头损失的代数和 为零。假定水流顺时针方向管段的水头损失为正，逆时针方向的为负，则有： = o f = 1 ，2 ，m ( 2 - 7 ) 式中： 第f 环第j 条管段的水头损失； m 管网环数； 理第f 环的管段数； ( 3 ) 节点水压约束 管网服务区域内的各节点的自由水压不低于相应的最小服务水头，同时不过大， 即： h m 抽h js h ，m 疆 j ，( 2 8 ) 式中：j 管网节点集合； ( 4 ) 净水厂送水泵站供水量约束 q = 勉( 2 - 9 ) 式中：乃2 最高用水时水量； - 供水泵站数； ( 5 ) 送水泵站的出水量约束 各泵站的实际供水量应不大于其水厂的供水能力： q 响s q s q j 。( 2 1 0 ) 此外，当给水管网中存在水池或者水库等调节设施时，为避免水池( 库) 出现放空 和溢流