專利名稱：給水管網(wǎng)管徑、管材聯(lián)合優(yōu)化方法和系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及城市給水系統(tǒng)的管網(wǎng)設(shè)計技術(shù)領(lǐng)域，更為具體地，涉及一種用于給水 管網(wǎng)管徑、材質(zhì)和承壓等級聯(lián)合優(yōu)化選擇的方法。
背景技術(shù)：
給水系統(tǒng)是重要的城市基礎(chǔ)設(shè)施之一。隨著社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，城鎮(zhèn)化速度加 快、人民生活水平提高，對市政給水系統(tǒng)的輸水能力和輸水可靠性也提出了更高的要求。新建的住宅區(qū)和工業(yè)區(qū)需要配套建設(shè)經(jīng)濟(jì)可靠的給水管網(wǎng)；在大中城市，由于管 道老化和運(yùn)行管理不善，現(xiàn)有的管網(wǎng)系統(tǒng)漏損嚴(yán)重、爆管事故和飲用水污染事件的風(fēng)險加 大，需要更新管道和設(shè)備，提升運(yùn)行管理水平；在縣鎮(zhèn)地區(qū)，原先的小范圍孤立供水系統(tǒng)已 不能滿足水量和可靠性要求，需要新建水廠、增鋪管道，實現(xiàn)多水源分區(qū)聯(lián)片供水。因此，如 何合理地選擇給水管網(wǎng)的管材和管徑以節(jié)省投資，是技術(shù)經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域的重要研究課題。管徑和管材優(yōu)化選擇的核心問題是在滿足設(shè)計要求的前提下盡可能節(jié)約投資。設(shè) 計要求通常有以下幾類(1)路線要求，即在優(yōu)化管徑和管材之前，各管線的走向已經(jīng)預(yù)先確定，一般位于 城區(qū)的主要道路兩側(cè)；(2)壓力要求，即管網(wǎng)中各用水點(diǎn)的壓力必須位于給排水設(shè)計規(guī)范中規(guī)定的壓力 區(qū)間，壓力不足會造成高樓層用戶用水困難，壓力過大則浪費(fèi)了能源，且增大了管網(wǎng)的漏損 率；(3)流速要求，即管網(wǎng)中各管道的流速必須大于最低允許流速，若流速過低則水的 更新過慢，增加了水質(zhì)惡化的風(fēng)險；(4)其他要求，例如，供水的主管道選用強(qiáng)度好的球墨鑄鐵管；重要供水區(qū)域采用 厚管壁的塑料管，而普通供水區(qū)域采用普通塑料管等。Bentley系統(tǒng)公司給水系統(tǒng)模擬軟件Water GEMS V8i中的DarwinDesigner (達(dá) 爾文設(shè)計器)模塊可以用于供水管網(wǎng)的管徑優(yōu)化，該模塊采用的設(shè)計變量僅為各管道的管 徑，不能處理管徑管材的聯(lián)合優(yōu)化問題。該模塊的程序流程圖請參見圖8，具體步驟包括 (1)確定可以選擇的管徑，將管徑編碼成計算機(jī)可以處理的格式；( 使用遺傳算法對編碼 后的管徑進(jìn)行調(diào)整，使用水力計算程序，對照設(shè)計要求，對管徑選擇結(jié)果進(jìn)行評價；(3)反 復(fù)進(jìn)行上述第2步，最終輸出管徑優(yōu)選結(jié)果。但是采用這種技術(shù)優(yōu)化管徑，存在以下缺陷(1)只能優(yōu)化管徑，不能進(jìn)行管徑和管材的聯(lián)合優(yōu)化；(2)只能統(tǒng)一設(shè)置壓力要求值，即管網(wǎng)中各用水點(diǎn)的壓力必須位于同一個給定的 壓力區(qū)間，不能對每個用水點(diǎn)的壓力區(qū)間進(jìn)行單獨(dú)調(diào)整。由于這些缺陷，現(xiàn)有的管徑優(yōu)化技術(shù)很難真正應(yīng)用到工程實踐中，并且傳統(tǒng)的編 碼方法使得管道只能從一組不同的管徑中選擇，也大大限制了工程設(shè)計人員在實際工程應(yīng) 用中的實用性和靈活性。

發(fā)明內(nèi)容
鑒于上述問題，本發(fā)明的目的是提供一種可以從一組不同的管徑、不同的管道材 料、不同的管道承壓等級中選取，適用于管徑和管材的聯(lián)合優(yōu)化方法和系統(tǒng)。根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一種給水管網(wǎng)管徑、管材聯(lián)合優(yōu)化方法，包括SllO 采用動態(tài)鏈接庫封裝給水管網(wǎng)管徑、管材聯(lián)合優(yōu)化的核心函數(shù)，所述核心函 數(shù)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)包括可選管材表、節(jié)點(diǎn)約束表和管道選擇表三個組成部分；S120:根據(jù)給水管網(wǎng)布設(shè)基礎(chǔ)數(shù)學(xué)抽象出包括各管道的管徑、材質(zhì)和承壓等級信 息的抽象數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，所述布設(shè)基礎(chǔ)包括給水管網(wǎng)的管道布置圖、水源的位置和壓力、用水點(diǎn) 的設(shè)計用水量以及每個用水點(diǎn)的允許壓力區(qū)間；S130:采用遺傳算法對所述抽象數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，得到所述給水管網(wǎng)布設(shè)所需 要的管徑、管材優(yōu)化數(shù)據(jù)；S140:根據(jù)所述給水管網(wǎng)布設(shè)所需要的管徑、管材優(yōu)化數(shù)據(jù)進(jìn)行給水管網(wǎng)管徑、管 材的選擇和施工。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種給水管網(wǎng)管徑、管材聯(lián)合優(yōu)化系統(tǒng)，包括核心函數(shù)封裝單元，用于采用動態(tài)鏈接庫封裝給水管網(wǎng)管徑、管材聯(lián)合優(yōu)化的核 心函數(shù)，所述核心函數(shù)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)包括可選管材表、節(jié)點(diǎn)約束表和管道選擇表三個組成部 分；數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)抽象單元，用于根據(jù)給水管網(wǎng)布設(shè)基礎(chǔ)數(shù)學(xué)抽象出包括各管道的管徑、 材質(zhì)和承壓等級信息的抽象數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，所述布設(shè)基礎(chǔ)包括給水管網(wǎng)的管道布置圖、水源的 位置和壓力、用水點(diǎn)的設(shè)計用水量以及每個用水點(diǎn)的允許壓力區(qū)間；遺傳算法優(yōu)化單元，用于采用遺傳算法對所述抽象數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，得到所述 給水管網(wǎng)布設(shè)所需要的管徑、管材優(yōu)化數(shù)據(jù)；優(yōu)化數(shù)據(jù)應(yīng)用單元，用于根據(jù)所述給水管網(wǎng)布設(shè)所需要的管徑、管材優(yōu)化數(shù)據(jù)進(jìn) 行給水管網(wǎng)管徑、管材的選擇和施工。本發(fā)明所提供的給水管網(wǎng)管徑、管材聯(lián)合優(yōu)化方法和系統(tǒng)，采用全新的編碼方式 和用于儲存設(shè)計方案的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，解決了現(xiàn)有的優(yōu)化方法中不符合工程實際、靈活性差和 計算速度慢的問題，實現(xiàn)了處理給水管網(wǎng)管徑、材質(zhì)和承壓等級的聯(lián)合優(yōu)選問題，符合工程 實際，方便給水管網(wǎng)工程的設(shè)計人員在管徑管材優(yōu)化中使用。為了實現(xiàn)上述以及相關(guān)目的，本發(fā)明的一個或多個方面包括后面將詳細(xì)說明并在 權(quán)利要求中特別指出的特征。下面的說明以及附圖詳細(xì)說明了本發(fā)明的某些示例性方面。 然而，這些方面指示的僅僅是可使用本發(fā)明的原理的各種方式中的一些方式。此外，本發(fā)明 旨在包括所有這些方面以及它們的等同物。


通過參考以下結(jié)合附圖的說明及權(quán)利要求書的內(nèi)容，并且隨著對本發(fā)明的更全面 理解，本發(fā)明的其它目的及結(jié)果將更加明白及易于理解。在附圖中圖1為根據(jù)本發(fā)明實施例的給水管網(wǎng)管徑、管材聯(lián)合優(yōu)化方法的流程圖；圖2為根據(jù)本發(fā)明實施例的確定給水管網(wǎng)的布設(shè)基礎(chǔ)的流程示意圖3為本發(fā)明實施例中根據(jù)給水管網(wǎng)布設(shè)基礎(chǔ)進(jìn)行數(shù)學(xué)抽象的流程示意圖；圖4為本發(fā)明實施例中采用遺傳算法對所述抽象數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化的具體流程 示意圖；圖5為本發(fā)明實施例中重要數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的組織關(guān)系圖；圖6為本發(fā)明實施例中的遺傳算法和目標(biāo)函數(shù)執(zhí)行流程圖；圖7為本發(fā)明實施例中給水管網(wǎng)管徑、管材聯(lián)合優(yōu)化系統(tǒng)的邏輯結(jié)構(gòu)示意圖；圖8為現(xiàn)有的給水管網(wǎng)管徑優(yōu)化流程示意圖。在所有附圖中相同的標(biāo)號指示相似或相應(yīng)的特征或功能。
具體實施例方式以下將結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施例進(jìn)行詳細(xì)描述。為了屏蔽不同開發(fā)工具的差異，并便于設(shè)計人員應(yīng)用，本發(fā)明在具體的開發(fā)過 程中將給水管網(wǎng)管材、管徑優(yōu)化的核心函數(shù)封裝成動態(tài)鏈接庫，并且基于Visual Studio 平臺，進(jìn)一步將動態(tài)鏈接庫中的核心函數(shù)封裝成標(biāo)準(zhǔn)的C++語言接口，使其成為能夠在 windows操作系統(tǒng)上獨(dú)立運(yùn)行的.exe文件，從而進(jìn)行給水管網(wǎng)管徑管材的聯(lián)合優(yōu)化。圖1為根據(jù)本發(fā)明實施例的給水管網(wǎng)管徑、管材聯(lián)合優(yōu)化方法的流程圖。如圖1所示，本發(fā)明所提供的給水管網(wǎng)管徑、管材聯(lián)合優(yōu)化方法包括如下四個步 驟SllO 采用動態(tài)鏈接庫封裝給水管網(wǎng)管徑、管材聯(lián)合優(yōu)化的核心函數(shù)，其中的核心 函數(shù)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)包括可選管材表、節(jié)點(diǎn)約束表和管道選擇表三個組成部分。由于現(xiàn)有的代表設(shè)計方案的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)僅有管道選擇表，沒有可選管材表和節(jié)點(diǎn)約 束表；并且管道選擇表中僅儲存了每個管線采用的管徑大小，沒有管材和承壓等級的信息， 不能進(jìn)行管徑、材質(zhì)和承壓等級的聯(lián)合優(yōu)選優(yōu)化。而本發(fā)明所采用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)通過內(nèi)置的 可選管材表，得到管徑、材質(zhì)和承壓等級的信息，進(jìn)行管徑、材質(zhì)和承壓等級的聯(lián)合優(yōu)化。相比較于現(xiàn)有管徑優(yōu)化方法所使用的遺傳算法，本發(fā)明這種核心函數(shù)修改了影響 整體優(yōu)化方案的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，對所使用的遺傳算法進(jìn)行了重新定義，使得遺傳算法可以同時 用于管徑、管材和管線承壓等級的聯(lián)合優(yōu)化計算。在本發(fā)明的一個優(yōu)選實施方式中，包括可選管材表、節(jié)點(diǎn)約束表和管道選擇表三 個組成部分的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的具體內(nèi)容如下可選管材表用于儲存管材廠商提供的可選管材信息，包括各種管材的內(nèi)徑、管道 材質(zhì)、邊壁粗糙度、單位長度造價和管道承壓等級；節(jié)點(diǎn)約束表用于貯存節(jié)點(diǎn)的設(shè)計水壓信息，表中的數(shù)據(jù)表示了每個節(jié)點(diǎn)的允許壓 力區(qū)間；管道選擇表用于貯存當(dāng)前正在運(yùn)算的設(shè)計方案，表中的每個元數(shù)據(jù)為每條管線所 選取管材的名稱字符串。僅僅從數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)容就可以看出，本發(fā)明更加充分地考慮到了給水管網(wǎng)施工所 需要考慮的具體施工環(huán)境參數(shù)和各種可用管材的參數(shù)信息，更貼近工程實際。在確定了核心函數(shù)并進(jìn)行科學(xué)地封裝之后，就需要確定遺傳算法所需要的抽象數(shù) 據(jù)結(jié)構(gòu)，在步驟S120中，根據(jù)給水管網(wǎng)布設(shè)基礎(chǔ)數(shù)學(xué)抽象出包括各管道的管徑、材質(zhì)和承
6壓等級信息的抽象數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，所述布設(shè)基礎(chǔ)包括給水管網(wǎng)的管道布置圖、水源的位置和壓 力、用水點(diǎn)的設(shè)計用水量以及每個用水點(diǎn)的允許壓力區(qū)間。然后，在步驟S130中，采用遺傳算法對所述抽象數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，得到所述給 水管網(wǎng)布設(shè)所需要的管徑、管材優(yōu)化數(shù)據(jù)。本發(fā)明所采用的遺傳算法采用優(yōu)勝劣汰原理，包括初始化、選擇、重組、變異和終 止5個步驟。該算法使用計算機(jī)模擬生物界自然選擇的原理，使得目標(biāo)函數(shù)值較優(yōu)的個體 在進(jìn)化中得到保留和繁殖，利用重組和變異不斷改進(jìn)得到的優(yōu)化解，經(jīng)過一定代數(shù)的進(jìn)化 后，得到符合要求的優(yōu)化解。由于該算法的健壯性好，且可同時進(jìn)行離散變量和連續(xù)變量的 優(yōu)化，被廣泛用于工程領(lǐng)域的優(yōu)化問題。最后，在步驟S140中，根據(jù)上述給水管網(wǎng)布設(shè)所需要的管徑、管材優(yōu)化數(shù)據(jù)進(jìn)行 給水管網(wǎng)管徑、管材的選擇和施工。在采用動態(tài)鏈接庫封裝給水管網(wǎng)管徑、管材聯(lián)合優(yōu)化的核心函數(shù)之前，需要確定 給水管網(wǎng)的布設(shè)基礎(chǔ)，即確定給水管網(wǎng)的管道布置圖、水源的位置和壓力、用水點(diǎn)的設(shè)計用 水量和每個用水點(diǎn)所允許的壓力區(qū)間等參數(shù)信息。圖2為本發(fā)明實施例中確定給水管網(wǎng)的布設(shè)基礎(chǔ)的流程示意圖，如圖2所示，要確 定給水管網(wǎng)的布設(shè)基礎(chǔ)并將其應(yīng)用至遺傳算法的優(yōu)化計算，首先需要根據(jù)所述給水管網(wǎng)的 物理拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)創(chuàng)建EPANET2格式的管網(wǎng)模型，其中，管網(wǎng)模型中包括所述給水管網(wǎng)的管道 布置圖、水源的位置和壓力以及用水點(diǎn)的設(shè)計用水量(步驟S210)；然后根據(jù)該EPANET2格 式的管網(wǎng)模型所提供的給水管網(wǎng)信息確定每個用水點(diǎn)的允許壓力區(qū)間(步驟S220)。例如，將我國北方某縣鎮(zhèn)供水管網(wǎng)導(dǎo)入EPANET2后，繼續(xù)輸入管網(wǎng)的物理信息數(shù) 據(jù)，包括管道布置，水源信息和設(shè)計用水量。管道布置信息包括每條管線所連接的兩個節(jié)點(diǎn) 名稱、每條管線的長度、每個節(jié)點(diǎn)所在的海拔高程、每條管線的埋深，水源信息包括水廠的 位置、水廠加壓泵可提供的揚(yáng)程，設(shè)計用水量信息包括每個用水節(jié)點(diǎn)的設(shè)計最大時用水量。在步驟S120根據(jù)給水管網(wǎng)布設(shè)基礎(chǔ)進(jìn)行數(shù)學(xué)抽象的過程中，根據(jù)可選管材表中 的可選管材信息構(gòu)造元數(shù)據(jù)為代表所選管材的字符串的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。圖3為本發(fā)明實施例中 根據(jù)給水管網(wǎng)布設(shè)基礎(chǔ)進(jìn)行數(shù)學(xué)抽象的流程示意圖，如圖3所示，根據(jù)給水管網(wǎng)布設(shè)基礎(chǔ) 構(gòu)造抽象數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的具體實施流程包括S310:根據(jù)管材廠商提供的信息，輸入各種管材的內(nèi)徑、管道材質(zhì)、邊壁粗糙度、單 位長度造價、管道承壓等級；S320 將輸入的各種管材的內(nèi)徑、管道材質(zhì)、邊壁粗糙度、單位長度造價、管道承壓 等級信息儲存到磁盤文件中，以備將來再次讀取時使用；S330:根據(jù)輸入的各種管材的內(nèi)徑、管道材質(zhì)、邊壁粗糙度、單位長度造價、管道承 壓等級信息，構(gòu)造設(shè)計方案的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，該數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的元數(shù)據(jù)為代表所選管材的字符串。例如，輸入我國北方某縣鎮(zhèn)供水工程的備選管材信息。共有兩個廠商的管材備選， 每個廠商管材又具有1. OMPa和0. 8MPa兩種承壓等級和90mm至IOOOmm 13種管徑大小，共 52種管材可供選擇。根據(jù)廠商提供的信息，輸入每種管材的內(nèi)徑、管道材質(zhì)、邊壁粗糙度、單 位長度造價和管道承壓等級數(shù)據(jù)?？蓪⑦@些數(shù)據(jù)貯存為磁盤文件，方便以后調(diào)用和添加數(shù) 據(jù)。輸入各個節(jié)點(diǎn)的允許壓力，一般下限為市政工程要求的服務(wù)水頭20米，上限為安全壓 力水頭50米；有特殊要求的用水點(diǎn)可以另行手工逐個輸入允許水頭。構(gòu)造設(shè)計方案的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，其中可選管材表記錄了上述管材信息，節(jié)點(diǎn)約束表記錄了上述用水點(diǎn)允許壓力范圍， 管道選擇表記錄了當(dāng)前的設(shè)計方案，其中的每個元數(shù)據(jù)代表一個管段所選管材的字符串。圖4為本發(fā)明實施例中采用遺傳算法對所述抽象數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化的具體過程， 基礎(chǔ)的遺傳算法包括初始化、選擇、重組、變異和終止五個步驟，根據(jù)這五個基本步驟，在本 發(fā)明的一個具體實施方式
中，采用遺傳算法對所述抽象數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化的具體過程如 下S410:配置遺傳算法的各項參數(shù)并進(jìn)行初始化，其中的參數(shù)包括給水管網(wǎng)的管道 布置圖、水源的位置和壓力、用水點(diǎn)的設(shè)計用水量、每個用水點(diǎn)的允許壓力區(qū)間以及給水管 網(wǎng)設(shè)計方案的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)構(gòu)造方法；S420:根據(jù)上述初始化的各項參數(shù)確定預(yù)設(shè)數(shù)量的給水管網(wǎng)管徑、管材和承壓等 級的選擇方案；S430:將所確定的每組選擇方案與預(yù)設(shè)的所述給水管網(wǎng)的設(shè)計壓力要求進(jìn)行比 較，逐步淘汰不符合設(shè)計要求的方案和造價過高的方案，確定較優(yōu)選擇方案；S440 通過規(guī)定次數(shù)的迭代循環(huán)，逐步自動調(diào)整上述淘汰篩選過后所剩余的較優(yōu) 選擇方案中給水管網(wǎng)的管徑、管材和承壓等級，從而得到給水管網(wǎng)布設(shè)所需要的管徑、管材 優(yōu)化數(shù)據(jù)。例如，配置遺傳算法的變異率、重組率、種群大小和最大進(jìn)化代數(shù)，使用前述Sl和 S2步驟提供的數(shù)據(jù)對遺傳算法進(jìn)行初始化，使得遺傳算法可以處理管徑管材聯(lián)合優(yōu)化問 題。每一次進(jìn)化都對種群中的所有設(shè)計方案進(jìn)行單獨(dú)水力計算，判斷它們是否滿足設(shè)計要 求、計算各設(shè)計方案的總造價，選擇若干符合設(shè)計要求且總價低的方案。這些較優(yōu)方案之間 互相按照一定的概率進(jìn)行重組和變異，生成新的設(shè)計方案。新的設(shè)計方案構(gòu)成下一次進(jìn)化 的種群。如此進(jìn)化一定代數(shù)之后，逐步淘汰了造價高及違反設(shè)計要求的設(shè)計方案，獲取優(yōu)化 后的管徑管材聯(lián)合設(shè)計方案。更進(jìn)一步，在步驟S430中，首先根據(jù)水力計算代碼對每組選擇方案進(jìn)行計算，獲 得每組選擇方案的造價以及所能夠承受的壓力；然后將所述每組選擇方案所能夠承受的壓 力與預(yù)設(shè)的所述給水管網(wǎng)的設(shè)計壓力要求進(jìn)行比較，并結(jié)合所述每組選擇方案的造價，逐 步淘汰不符合設(shè)計要求的方案和造價過高的方案。另外，在本發(fā)明的一個優(yōu)選實施方式中，在步驟S130得到所述給水管網(wǎng)布設(shè)所需 要的管徑、管材優(yōu)化數(shù)據(jù)以后，進(jìn)一步包括將優(yōu)化數(shù)據(jù)導(dǎo)出成CSV電子表格的形式的步驟。圖5示出了本發(fā)明實施例中重要數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的組織關(guān)系圖。如圖5所示，PipeSizer 類儲存管網(wǎng)基本信息(管網(wǎng)信息文件名、可選管材表、節(jié)點(diǎn)約束表等)和遺傳算法參數(shù)，控 制遺傳算法的構(gòu)造、參數(shù)的設(shè)定和結(jié)果的輸入輸出。PipeSizer類繼承了 QThread類，在獨(dú) 立的線程中進(jìn)行調(diào)用GA的運(yùn)算。GA類表示遺傳算法，其中又包括了初始化、選擇、重組、變異和終止5個過程，每個 GA類中包括1個目標(biāo)函數(shù)和多個個體。圖6為本發(fā)明實施例中的遺傳算法和目標(biāo)函數(shù)執(zhí)行流程圖，在圖6中遺傳算法參數(shù)配置-開始讀入EPANET2格式的管網(wǎng)信息文件，并判斷文件是否正 確，若無誤則讀入廠商管材信息，可將廠商信息保存至磁盤文件進(jìn)行備份，繼續(xù)讀入節(jié)點(diǎn)允 許壓力區(qū)間，配置遺傳算法參數(shù)。
初始化種群-使用給水管網(wǎng)的基本物理信息(管道布置圖、水源的位置和可提供 的水壓、用水點(diǎn)的設(shè)計用水量、每個用水點(diǎn)的允許壓力區(qū)間、設(shè)計方案的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等)對遺 傳算法進(jìn)行初始化。選擇較優(yōu)解-采用遺傳算法自動生成若干管徑、材質(zhì)和承壓等級的選擇方案，分 別輸入到水力計算代碼中計算。將每組方案計算結(jié)果和預(yù)先設(shè)定的設(shè)計壓力要求進(jìn)行比 較，逐步淘汰不符合設(shè)計要求的方案和造價過高的方案。輸出最優(yōu)解-達(dá)到預(yù)定的進(jìn)化代數(shù)后，通過多次較優(yōu)解之間重組和變異，自動調(diào) 整管徑、材質(zhì)和承壓等級，最終獲得工程造價最小且滿足設(shè)計要求的方案。本發(fā)明提供的上述給水管網(wǎng)管徑、管材聯(lián)合優(yōu)化方法可以采用軟件實現(xiàn)，也可以 采用軟件和硬件結(jié)合的方式實現(xiàn)，與之對應(yīng)，本發(fā)明還提供一種給水管網(wǎng)管徑、管材聯(lián)合優(yōu) 化系統(tǒng)。圖7是本發(fā)明實施例中給水管網(wǎng)管徑、管材聯(lián)合優(yōu)化系統(tǒng)的邏輯結(jié)構(gòu)示意圖，如 圖7所示，給水管網(wǎng)管徑、管材聯(lián)合優(yōu)化系統(tǒng)700主要包括核心函數(shù)封裝單元710、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 抽象單元720、遺傳算法優(yōu)化單元730和優(yōu)化數(shù)據(jù)應(yīng)用單元740。核心函數(shù)封裝單元710用于采用動態(tài)鏈接庫封裝給水管網(wǎng)管徑、管材聯(lián)合優(yōu)化的 核心函數(shù)，其中的核心函數(shù)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)包括可選管材表、節(jié)點(diǎn)約束表和管道選擇表三個組 成部分；數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)抽象單元720用于根據(jù)給水管網(wǎng)布設(shè)基礎(chǔ)數(shù)學(xué)抽象出包括各管道的管 徑、材質(zhì)和承壓等級信息的抽象數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，其中，布設(shè)基礎(chǔ)包括給水管網(wǎng)的管道布置圖、水 源的位置和壓力、用水點(diǎn)的設(shè)計用水量以及每個用水點(diǎn)的允許壓力區(qū)間；遺傳算法優(yōu)化單元730用于采用遺傳算法對所述抽象數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，得到給 水管網(wǎng)布設(shè)所需要的管徑、管材優(yōu)化數(shù)據(jù)；優(yōu)化數(shù)據(jù)應(yīng)用單元740用于根據(jù)給水管網(wǎng)布設(shè)所需要的管徑、管材優(yōu)化數(shù)據(jù)進(jìn)行 給水管網(wǎng)管徑、管材的選擇和施工。其中，遺傳算法優(yōu)化單元730還可以包括參數(shù)配置及初始化單元731，用于配置遺傳算法的各項參數(shù)并進(jìn)行初始化，其中的 參數(shù)包括給水管網(wǎng)的管道布置圖、水源的位置和壓力、用水點(diǎn)的設(shè)計用水量、每個用水點(diǎn)的 允許壓力區(qū)間以及給水管網(wǎng)設(shè)計方案的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)構(gòu)造方法；選擇方案生成單元732，用于根據(jù)所述初始化的各項參數(shù)確定預(yù)設(shè)數(shù)量的給水管 網(wǎng)管徑、管材和承壓等級的選擇方案；選擇方案篩選單元733，用于將每組所述選擇方案與預(yù)設(shè)的所述給水管網(wǎng)的設(shè)計 壓力要求進(jìn)行比較，逐步淘汰不符合設(shè)計要求的方案和造價過高的方案，確定較優(yōu)選擇方 案；選擇方案優(yōu)化單元734，用于通過規(guī)定次數(shù)的迭代循環(huán)，逐步自動調(diào)整所述較優(yōu)選 擇方案中給水管網(wǎng)的管徑、管材和承壓等級，從而得到所述給水管網(wǎng)布設(shè)所需要的管徑、管 材優(yōu)化數(shù)據(jù)。在本發(fā)明的一個優(yōu)選實施方式中，給水管網(wǎng)管徑、管材聯(lián)合優(yōu)化系統(tǒng)700進(jìn)一步 包括管網(wǎng)模型創(chuàng)建單元和用水點(diǎn)壓力區(qū)間確定單元(圖中未示出)，其中，管網(wǎng)模型創(chuàng)建單元用于將所述給水管網(wǎng)的物理拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)創(chuàng)建EPANET2格式的管
9網(wǎng)模型，所述管網(wǎng)模型中包括所述給水管網(wǎng)的管道布置圖、水源的位置和壓力以及用水點(diǎn) 的設(shè)計用水量；用水點(diǎn)壓力區(qū)間確定單元用于根據(jù)所述EPANET2格式的管網(wǎng)模型所提供的給水 管網(wǎng)信息確定每個用水點(diǎn)的允許壓力區(qū)間。如上參照附圖以示例的方式描述根據(jù)本發(fā)明的給水管網(wǎng)管徑、管材聯(lián)合優(yōu)化方法 和系統(tǒng)，可以看出，本發(fā)明提出這種管徑管材聯(lián)合優(yōu)化方案，能夠有效解決現(xiàn)有的優(yōu)化算法 不符合工程實際、靈活性差和計算速度慢的問題，相比現(xiàn)有技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn)1、可以進(jìn)行給水管網(wǎng)的管徑、管材和管道承壓等級的聯(lián)合優(yōu)化，優(yōu)于現(xiàn)有只能優(yōu) 化給水管網(wǎng)管徑的方法，聯(lián)合優(yōu)化算法得出的方案可以提供最優(yōu)的管網(wǎng)鋪設(shè)方案；2、可以對每個用水點(diǎn)的允許壓力區(qū)間進(jìn)行單獨(dú)調(diào)整或者批量輸入，優(yōu)于現(xiàn)有只能 統(tǒng)一設(shè)置壓力要求值(即管網(wǎng)中各用水點(diǎn)的壓力必須位于同一個給定的壓力區(qū)間)，本發(fā) 明能對每個用水點(diǎn)的壓力區(qū)間進(jìn)行單獨(dú)調(diào)整，符合工程實際，便于工程應(yīng)用；3、可以保存生產(chǎn)廠家的管材數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)文件中，包括管徑大小，管道材質(zhì)、承壓等 級和總造價，便于聯(lián)合優(yōu)化時快速查詢計算，為工程計算提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)；4、設(shè)計方案結(jié)果可導(dǎo)出成為CSV電子表格的形式，易于查看，工程人員可根據(jù)結(jié) 果進(jìn)行管網(wǎng)鋪設(shè)。在本發(fā)明的上述實施例中，使用C++語言、在微軟公司Visual Mudio平臺上進(jìn)行 優(yōu)化算法的開發(fā)，所形成的應(yīng)用程序為在windows操作系統(tǒng)上可以獨(dú)立運(yùn)行的.exe文件。 但本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，上述開發(fā)語言、開發(fā)平臺以及程序運(yùn)行所需要的操作系統(tǒng)并 不限于上述具體實施例中所表述的，本領(lǐng)域技術(shù)人員在上述實施例的基礎(chǔ)上完全可以根據(jù) 本發(fā)明權(quán)利要求所述的技術(shù)方案采用其他可行的開發(fā)語言和開發(fā)平臺進(jìn)行給水管網(wǎng)管徑、 管材的優(yōu)化，所使用的操作系統(tǒng)也可以根據(jù)硬件環(huán)境和實際應(yīng)用需求靈活確定。因此，對于上述本發(fā)明所提出的給水管網(wǎng)管徑、管材聯(lián)合優(yōu)化方法和系統(tǒng)，還可以 在不脫離本發(fā)明內(nèi)容的基礎(chǔ)上做出各種改進(jìn)，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)當(dāng)由所附的權(quán)利要求書 的內(nèi)容確定。
權(quán)利要求
1.一種給水管網(wǎng)管徑、管材聯(lián)合優(yōu)化方法，包括SllO 采用動態(tài)鏈接庫封裝給水管網(wǎng)管徑、管材聯(lián)合優(yōu)化的核心函數(shù)，所述核心函數(shù)的 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)包括可選管材表、節(jié)點(diǎn)約束表和管道選擇表三個組成部分；S120:根據(jù)給水管網(wǎng)布設(shè)基礎(chǔ)數(shù)學(xué)抽象出包括各管道的管徑、材質(zhì)和承壓等級信息的 抽象數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，所述布設(shè)基礎(chǔ)包括給水管網(wǎng)的管道布置圖、水源的位置和壓力、用水點(diǎn)的設(shè) 計用水量以及每個用水點(diǎn)的允許壓力區(qū)間；S130:采用遺傳算法對所述抽象數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，得到所述給水管網(wǎng)布設(shè)所需要的 管徑、管材優(yōu)化數(shù)據(jù)；S140 根據(jù)所述給水管網(wǎng)布設(shè)所需要的管徑、管材優(yōu)化數(shù)據(jù)進(jìn)行給水管網(wǎng)管徑、管材的 選擇和施工。
2.如權(quán)利要求1所述的聯(lián)合優(yōu)化方法，其中，在所述核心函數(shù)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中，所述可選管材表用于儲存管材廠商提供的可選管材信息，包括各種管材的內(nèi)徑、管道 材質(zhì)、邊壁粗糙度、單位長度造價和管道承壓等級；所述節(jié)點(diǎn)約束表用于貯存節(jié)點(diǎn)的設(shè)計水壓信息，所述節(jié)點(diǎn)約束表中的數(shù)據(jù)表示每個節(jié) 點(diǎn)的允許壓力區(qū)間；所述管道選擇表用于貯存當(dāng)前正在運(yùn)算的設(shè)計方案，所述管道選擇表中的每個元數(shù)據(jù) 為每條管線所選取管材的名稱字符串。
3.如權(quán)利要求2所述的聯(lián)合優(yōu)化方法，其中，在步驟S130中采用遺傳算法對所述抽象 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化的具體過程包括S131 配置遺傳算法的各項參數(shù)并進(jìn)行初始化，所述參數(shù)包括給水管網(wǎng)的管道布置圖、 水源的位置和壓力、用水點(diǎn)的設(shè)計用水量、每個用水點(diǎn)的允許壓力區(qū)間以及給水管網(wǎng)設(shè)計 方案的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)構(gòu)造方法；S132:根據(jù)所述初始化的各項參數(shù)確定預(yù)設(shè)數(shù)量的給水管網(wǎng)管徑、管材和承壓等級的 選擇方案；S133 將每組所述選擇方案與預(yù)設(shè)的所述給水管網(wǎng)的設(shè)計壓力要求進(jìn)行比較，逐步淘 汰不符合設(shè)計要求的方案和造價過高的方案，確定較優(yōu)選擇方案；S134:通過規(guī)定次數(shù)的迭代循環(huán)，逐步自動調(diào)整所述較優(yōu)選擇方案中給水管網(wǎng)的管徑、 管材和承壓等級，從而得到所述給水管網(wǎng)布設(shè)所需要的管徑、管材優(yōu)化數(shù)據(jù)。
4.如權(quán)利要求3所述的聯(lián)合優(yōu)化方法，其中，在步驟S133中，首先根據(jù)水力計算代碼對每組選擇方案進(jìn)行計算，獲得每組選擇方案的造價以及所能 夠承受的壓力；然后將所述每組選擇方案所能夠承受的壓力與預(yù)設(shè)的所述給水管網(wǎng)的設(shè)計壓力要求進(jìn)行 比較，并結(jié)合所述每組選擇方案的造價，逐步淘汰不符合設(shè)計要求的方案和造價過高的方案。
5.如權(quán)利要求2所述的聯(lián)合優(yōu)化方法，其中，在步驟S120根據(jù)給水管網(wǎng)布設(shè)基礎(chǔ)進(jìn)行 數(shù)學(xué)抽象的過程中，根據(jù)所述可選管材表中的可選管材信息構(gòu)造元數(shù)據(jù)為代表所選管材的 字符串的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。
6.如權(quán)利要求1所述的聯(lián)合優(yōu)化方法，其中，在步驟SllO采用動態(tài)鏈接庫封裝給水管 網(wǎng)管徑、管材聯(lián)合優(yōu)化的核心函數(shù)之前，還包括根據(jù)所述給水管網(wǎng)的物理拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)創(chuàng)建EPANET2格式的管網(wǎng)模型，所述管網(wǎng)模型中包 括所述給水管網(wǎng)的管道布置圖、水源的位置和壓力以及用水點(diǎn)的設(shè)計用水量；根據(jù)所述EPANET2格式的管網(wǎng)模型所提供的給水管網(wǎng)信息確定每個用水點(diǎn)的允許壓 力區(qū)間。
7.如權(quán)利要求1所述的聯(lián)合優(yōu)化方法，其中，在步驟S130得到所述給水管網(wǎng)布設(shè)所需 要的管徑、管材優(yōu)化數(shù)據(jù)以后，進(jìn)一步包括以下步驟將所述優(yōu)化數(shù)據(jù)導(dǎo)出成CSV電子表格的形式。
8.一種給水管網(wǎng)管徑、管材聯(lián)合優(yōu)化系統(tǒng)，包括核心函數(shù)封裝單元，用于采用動態(tài)鏈接庫封裝給水管網(wǎng)管徑、管材聯(lián)合優(yōu)化的核心函 數(shù)，所述核心函數(shù)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)包括可選管材表、節(jié)點(diǎn)約束表和管道選擇表三個組成部分；數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)抽象單元，用于根據(jù)給水管網(wǎng)布設(shè)基礎(chǔ)數(shù)學(xué)抽象出包括各管道的管徑、材質(zhì) 和承壓等級信息的抽象數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，所述布設(shè)基礎(chǔ)包括給水管網(wǎng)的管道布置圖、水源的位置 和壓力、用水點(diǎn)的設(shè)計用水量以及每個用水點(diǎn)的允許壓力區(qū)間；遺傳算法優(yōu)化單元，用于采用遺傳算法對所述抽象數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，得到所述給水 管網(wǎng)布設(shè)所需要的管徑、管材優(yōu)化數(shù)據(jù)；優(yōu)化數(shù)據(jù)應(yīng)用單元，用于根據(jù)所述給水管網(wǎng)布設(shè)所需要的管徑、管材優(yōu)化數(shù)據(jù)進(jìn)行給 水管網(wǎng)管徑、管材的選擇和施工。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的給水管網(wǎng)管徑、管材聯(lián)合優(yōu)化系統(tǒng)，進(jìn)一步包括管網(wǎng)模型創(chuàng)建單元，用于將所述給水管網(wǎng)的物理拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)創(chuàng)建EPANET2格式的管網(wǎng)模 型，所述管網(wǎng)模型中包括所述給水管網(wǎng)的管道布置圖、水源的位置和壓力以及用水點(diǎn)的設(shè) 計用水量；用水點(diǎn)壓力區(qū)間確定單元，用于根據(jù)所述EPANET2格式的管網(wǎng)模型所提供的給水管網(wǎng) 信息確定每個用水點(diǎn)的允許壓力區(qū)間。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的給水管網(wǎng)管徑、管材聯(lián)合優(yōu)化系統(tǒng)，其中，所述遺傳算法優(yōu) 化單元包括參數(shù)配置及初始化單元，用于配置遺傳算法的各項參數(shù)并進(jìn)行初始化，所述參數(shù)包括 給水管網(wǎng)的管道布置圖、7jC源的位置和壓力、用水點(diǎn)的設(shè)計用水量、每個用水點(diǎn)的允許壓力 區(qū)間以及給水管網(wǎng)設(shè)計方案的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)構(gòu)造方法；選擇方案生成單元，用于根據(jù)所述初始化的各項參數(shù)確定預(yù)設(shè)數(shù)量的給水管網(wǎng)管徑、 管材和承壓等級的選擇方案；選擇方案篩選單元，用于將每組所述選擇方案與預(yù)設(shè)的所述給水管網(wǎng)的設(shè)計壓力要求 進(jìn)行比較，逐步淘汰不符合設(shè)計要求的方案和造價過高的方案，確定較優(yōu)選擇方案；選擇方案優(yōu)化單元，用于通過規(guī)定次數(shù)的迭代循環(huán)，逐步自動調(diào)整所述較優(yōu)選擇方案 中給水管網(wǎng)的管徑、管材和承壓等級，從而得到所述給水管網(wǎng)布設(shè)所需要的管徑、管材優(yōu)化 數(shù)據(jù)。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種給水管網(wǎng)管徑、管材聯(lián)合優(yōu)化方法，包括S110采用動態(tài)鏈接庫封裝給水管網(wǎng)管徑、管材聯(lián)合優(yōu)化的核心函數(shù)，所述核心函數(shù)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)包括可選管材表、節(jié)點(diǎn)約束表和管道選擇表三個組成部分；S120根據(jù)給水管網(wǎng)布設(shè)基礎(chǔ)數(shù)學(xué)抽象出包括各管道的管徑、材質(zhì)和承壓等級信息的抽象數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)；S130采用遺傳算法對所述抽象數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，得到所述給水管網(wǎng)布設(shè)所需要的管徑、管材優(yōu)化數(shù)據(jù)；S140根據(jù)所述給水管網(wǎng)布設(shè)所需要的管徑、管材優(yōu)化數(shù)據(jù)進(jìn)行給水管網(wǎng)管徑、管材的選擇和施工。本發(fā)明實現(xiàn)了處理給水管網(wǎng)管徑、材質(zhì)和承壓等級的聯(lián)合優(yōu)選問題。
文檔編號G06F17/50GK102117369SQ201110065539
公開日2011年7月6日 申請日期2011年3月17日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月17日
發(fā)明者劉書明, 劉文君, 吳雪, 陳晉端 申請人:清華大學(xué)