给水管网改扩建毕业设计开题报告.docx

毕业设计G仑文）题 目 某城市才智城市给水管网改扩建优化设计专 业给水排水工程班 级学 生指导老师 教授2022 年因此，遗传算法是以标准管径为决策变量的，对其采纳肯定的编码方式，通过选 择、交叉和变异等操作,求得最优解。它的优势主要在于：1）该算法不受可微、可 导、连续等数学处理方式的限制;2）以离散的标准管径为决策变量避开了非线性 规划法需对连续管径进行“圆整”带来的偏差该算法是一种随机搜寻过程, 不会形成局部最优解;4）用该算法进行管网优化设计时，一次可以得到几种不同 的接近最低造价的方案,可再依据其他要求选取合适的方案。该算法也存在一些 缺陷，如遗传算法的早熟现象、适应度值难以标定、接近最优解时收敛很慢等。 常用基本遗传算法进行管网优化设计时,通常采纳二进制编码,这种编码方式存 在编码冗余的缺点,且在水力计算时需进行译码,影响算法的性能和有用性。为了 避开这种问题,采纳基于整数编码和实数编码的改进的遗传算法。改进后的遗传 算法寻优力量有较大提高。周荣敏采纳基于整数编码的改进遗传算法对环状管网 优化模型求解,既避开了编码冗余问题还在较大解空间范围内获得最优管径组合 方案从而实现尽可能小的管网投资。廖青桃和俞国平采纳改进遗传算法通过引入 启发式的选择、交叉和变异算子,提高了求解效率,改善了求解结果。但这些环状 管网优化的遗传算法存在的最大问题是没有对初始流量进行优化安排。4）模拟退火算法网模拟退火算法（SA）是Kirkp时rick于1983年提出的一种模拟金属退火,并将物 理退火过程与组合优化相结合的一种随机迭代寻求最优结果的算法。对于给水管 网的优化设计问题,模拟退火算法理论上可以找到整体最优解。但实际运用中, 由于掌握参数值的选定至今还没有一个比拟成熟牢靠的标准，对优化结果影响较 大。目前将模拟退火法与其他方法结合使用是一种新趋势，典型的是与遗传算法结合 形成遗传退火算法。它兼顾了遗传算法的启发式搜寻和退火算法的接受逆优化解 的寻优特点,使得计算过程更加智能化,是将来优化方法的进展方向。但目前应用 还不够成熟。U1、本课题主要讨论内容(1)、新城区供水方案确实定(2)、新城区给水管网定线(3)、新城区设计流量计算(用水定额、生活用水设计流量组成和计算、用水量猜想)(4)、新城区沿线流量、节点流量计算(5)、流量安排，初选管径(6)、新城区管网平差计算(7)、新城区水压确定及水泵的选取(8)、分析并改造旧管道，并与扩建管道统一进行校核(事故、消防、最大转输)(9)、改造后旧管道与扩建管道统一进行经济计算(10)、建立输水系统优化模型，确定优化方程，求解优化方程(11)、优化设计与常规设计结果比拟。.五、完成论文的条件和拟采纳的讨论手段(途径)(1)文献讨论法：通过阅读中、外文献，调查讨论与收集有关资料,，拟定设计 方案，在经综合技术经济分析，选择合理的设计方案。(2)比拟分析法：了解市场的管材、管件，选择经济合理的管材、管件，以 及水泵等。分析比拟设计出相对经济实惠的材料，管线及管网附属构筑物尽可能 占地少、施工简洁。(3)数学方法：给水管网闭合差指的是：在管网管径的状况下，不断调 整管网的初分流量，使环状管网的闭合差满意精度要求，从而确定管网的流量的 计算过程。给水环状管网闭合差理论上应当等于0,但实际由于流量安排的问题, 在计算的时候各管段水头损失的误差，导致闭合差不等于0,计算时要求一个精 度值，手工计算小环小于。5米，大环小于1米。计算机要求的精度更高。计算公式：柯尔勃洛克公式1=入*k2/(2. 0*g*D)L 0/ 人-0. 5=-2. 0*lgk/(3. 7*D)+2. 5/(Re*-0. 5)Re二V*D/v给水管径计算公式(1)给水管径计算公式一：D管道的计算内径(单位：米)V秒 通过管道的流量(单位：米3/秒)n常数：3.14(2)给水管径计算公式二：式中：D i 某一管段的供水直径(mm)Q i该管段的用水量(L/s)P 管网中水流速度(m/s); 一般取经济流速1. 52. 0米.依据计算而得的某一管段的最大用水量Q i ,再将以=1. 5m/s和2. Om/s分别代入 公式，那么可计算出两个管径，选择两个计算管径中间的标准规格的水管即可；假 如没有这种规格的水管，也可选用直径接近的水管。(3)给水管径计算公式三：标称管径DN的单位mm (毫米)、流速u的单位 m/s (米/秒)、流量q的单位m3/h(立方米/小时)。给水允许流速u： DN2500时，u为0. 5L5m/s、DN<500时、u 为 1. 53m/s。管径计算公式：d= 18. 8X (q/u), (0. 5)=18, 8X sqrt (q/u)依据d的数值选择与其最接近的标称管径的给水管。(4)实践操作法：毕业设计图纸要求用AutoCad绘制，应能较精确地表达设计意怪I,图而力求布局介理、紧凑、正确清楚，符介专业制图标准、专 业法律规范及有关规定。较简单的设计计算需用计算机进行的，自己动手编制 计算机程序解决设计中某些问题。六、本课题进度支配、各阶段预期到达的目标2022年2月233月1： 了解论文主要目的，查看文献2022年3月0208：制定论文主要内容，翻译英文文献2022年03月915： 了解工程概况，旧城区了解、扩建新区了解、旧管网资料了解、水源地了解2022年03月1622：完成开题报告2022年03月2329：管网优化模型的讨论2022年03月3004月05：现有城区旧管网的布局优化2022年04月0612：当地扩建新城区地形讨论、绘制新城区旧区地质地勘2022年04月1319:结合旧区进行扩建新区管网的布置2022年04月2026:新建管网节点流量确实定2022年04月2705月03：管道造价公式确实定2022年05月0410：管道造价公式拟合系数确实定2022年05月1117：模拟目标函数的构建，约束方程的建立2022年05月18-24：模型的求解(编程实现优化算法的求解)2022年05月2531：比照优化结果2022年06月0107：编写论文初稿2022年06月0814：修改论文七、参考文献：【1】.严煦世、范谨初，给水工程M,第四版，中国建筑工业版社，2006.02【2.GB500132006室外给水设计法律规范S【3】.李京京，夏龙兴副教授，城市给水管网改扩建优化设计模型讨论D,郑 州高校，硕士学位论文，2022年5月【4】管网最优化理论与技术J,黄河水利出版社；第1版（2002年1月1日）， 山西建筑，2022年23期【51, Wan Shanshan , Sun Lei , Department of Computer Science , Beijing University of Civil Engineering andArchitecture , “Hybrid Intelligent Algorithm for Optimization Design of Annular Water Supply Network ”, 2022J【61,Wenyan Wu , Faculty of Computing, Engineering and Technology, Staffordshire University, Xi Jin , Department of Municipal Engineering, , Wuhan University of Technology, Jinliang Gao , School of Municipal and Environment Engineering, , Harbin Institute of Technology, “Multi-objective optimization of water supply network rehabilitation”, 2022J【7】. Faculty of Chemistry and Chemical Engineering, University of Maribor, Smetanov。uh 2000 Maribor, “Slovenia Optimisation of tree path pipe network with nonlinear optimisation method” J【8】傅维秀，城市给水管网改扩建优化设计方法研一一以威海市某区给水管 网改扩建工程为例D,环境工程，硕士论文，2006 , 1【9】庄宝玉，赵新华教授，区域供水管网规划的优化讨论D,天津高校，硕 土论文，2022年【10王昊，赵新华教授，供水管网改造的优化讨论D,天津高校，硕士论 文，2022年【11】许 刚，朱汶迁，吴金民，基于蚁群算法的给水管网改扩建优化J,中国 农村水利水电，2006年第3期：6769【12】邢颖，吕炳南教授，黄岛区供水管网优化改扩建讨论D,哈尔滨工业高 校，硕士论文，2022年7月【13】 张祥丹，给水管网扩建工程优化设计方法研讨J,工业用水与废水，Vol. 36 No. 22005 年 04： 5759【14】李树清，给水管网改扩建设计分析J,黑龙江科技信息2022 年第 3 期：225226【15】罗红云，给水管网改扩建假设干问题探究J,中华建设，2022年第12期:211 一212【16】刘贵清，城市市政给水管网改造的优化问题探究J,建材与装饰2022 年第 5 期：278279【17】杜延超，城市供水管网优化设计计算J,西南民族高校学报自然科学 版，第34卷第3期期52559【18】阮刚石，城市供水管网改扩建优化方法的讨论J,湖南城市学院学报（自 然科学版），第13卷第3期2004年9月：2931【19】张德祥，刘小兵教授，城市给水管网改扩建优化与数值计算D,西华高校，硕士学位论文，2022, 05【20】牟守国，城市改扩建给水管网管材的选择J,中国高新技术企业，2022 年10期期284【21】张亮，蒋绍阶，基于微粒群算法的给水管网改扩建讨论，硕士学位论文， 重庆高校，2007年04八、指导老师意见对本课题的深度、广度及工作量的意见和对设计（论文）结果的猜想： 指导老师：年月日九、所在专业审查意见负责人：年月日-、毕业设计（论文）课题来源、类型课题来源：本课题来源于工程实际，属克拉玛依供水系统改造工程的一局部，克 拉玛依改水管网优化改扩建。全市主要水源有风城高库、白杨河水库、黄羊泉水 库、西郊水库、三坪水库、调整水库六处地表水源，还有黄羊泉水源地和百口泉 水源地两处地下水源。用水经过西干渠、风克干渠、白克明渠三处干渠流入市区, 供城市使用。全市常住人口为391008人，本设计为满意城市供水，主要对旧城 区管网进行改造优化，并对新城区进行管网统一铺设，以满意城市人口用水。课题类型：本课题属于工程设计性论文。二、选题的目的及意义旧城市管网存在的问题旧城给水管网改造势在必行几十年来,我们我国给水事业的快速进展.各地城 市均具规模。城市给水管网在其新建成的肯定时期内，其供水力量是可以满意用 户用水要求的.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 的进展、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, 给水管网供水力量渐渐不能适应用水量增长的需要。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,并使局部供水区域水量 欠缺、低压区不断扩大、供水平安性降低。这一系列问题成为我们我国各城市面 临的供水管网扩建优化的重大问题和难题。城市给水设施属市政基础设施,给水 管网是给水设施的主要组成局部。旧城给水管网改造对管网的平安运行、适用与经济至关重要。2.1 管网改扩建的目的目前，我们我国好多城市给水管网存在很多问题。大多城市的供水历史较长, 供水管网中不少管道铺设时间较长，这些管道的锈蚀和结垢严峻，易爆管，影响 到供水水质和供水平安。近年来，一些居民住宅区由于规模扩大，人口增加和生 活水平的提高，引起用水量大幅度增加，导致原有配水管道管径偏小，消失小区 四周输水干管压力正常，而小区内部供水压力缺乏的现象。由于城市周边地带的 开发和近郊农村的城市化进程，原有供水管已不能满意需求，极需扩大向城市周 边地区的供水力量。随着我们我国经济的快速进展和人民生活水平的不断提高，城市化建设的速度 和规模也越来越快，使得城市用水量不断的递增。全国各个城市每年都要投入相 当数量的资金用于现有给水输配系统的新建、改造和扩建。城市人口的不断增大, 使给水规模不断扩大，同时城市供水系统的电耗也越来越大。因此，改善管网运 行状况，降低供水电耗，不仅可以缓解我国能源紧急的局面，而且可以提高供水 企业的经济效益。所以，我们有必要对城市的给水管网进行扩建优化，这样不仅 可以解决城市扩张、人口增加给城市带来的问题，还可以保证供水水质和供水平 安，同时经过优化的给水管网还可以削减供水本钱，节省能源，使我国的资金发 挥更好的经济效益。2.2 管网改扩建的意义管网改扩建的主要目的是在满意供水要求的前提下，使管网运行更加经济，所以解决旧城市给水系统的改扩建和优化已经势在必行。为了更好实现“两个提高、 三个降低”（提高水质、供水平安性，降低电耗、药耗、漏耗）技术进展目标， 针对城市的水量、水压等信息及整个旧管网与泵站的配置来建立肯定的数学模 型。引入先进的计算机进行优化计算，通过现代的掌握工程使给水系统在最正确状 态下工作，不仅使系统平安牢靠地满意用户所需的水量、水压和水质，而且要经 济合理地进行给水系统的调度管理和运行。管网改扩建不仅满意了城市人口对水 量、水质、水压的要求，还节省能源，降低供水本钱。已经是当今我们我国旧城 市不行不实行的一项工程。三、本课题在国内外的讨论状况及进展趋势国内讨论现状及进展趋势对于管网优化设计中的上述难点，我们我国学者也付出了不少的努力。王彤、赵 洪宾、巩驯等针对我们我国城市给水管网改扩建过程中遇到的实际问题，提出 了采纳直接优化方法一约束非线性混合离散变量规划方法（皿0D算法）进行管网 优化改扩建模型的计算，从而确定出各改扩建管段的最优管径和各水源最优水量 安排。邹林等提出了采用遗传算法进行给水管网管径优化设计的方法。特点在于从多 个初始点开头寻优，并采纳交迭和变异算子避开过早地收敛到局部最优解，可获 得全局最优解，且不受初始值影响。遗传算法对函数没有特地限制，不必求导计 算，算法及编程均简洁，计算过程仅涉及目标函数和约束条件的比拟，二进制数 与十进制数转换，约束条件不需要用设计变量的显式表示。它能够获得全局最优 解而不是局部最优解，这是由于它的初始值不是一个点，而是多个初始点。这种 多样性的解一代又一代的被保存，即使有些解收敛到局部最优解，而变异过程又 会随机地产生出截然不同的解，这样，交迭和变异的有机结合会保证遗传算法收 敛到全局最优解。周云朋等提出了一种给水管网优化设计方法，该方法分三段进行，先用最小二乘 法安排管段通过流量，再用无条件极值法计算优化管径，最终对计算管径按市场 规格管径取整，这种方法具有有用、牢靠、便于调整、计算快、易收敛等优点。 王荣和和顾国维1分析了我们我国目前给水管网系统设计、运行中存在的问 题，并对标准优化技术没有在实际工作中广泛应用的缘由进行分析，提出应用优 选管径法（枚举技术）进行给水管网系统的优化设计计算，并编写WDOC软件系统 进行实现。与标准优化技术相比拟，有优化结果精确 、有用性强、工 程性强的特点，尤其是可以同时进行多种工况优化。吕谋、赵洪宾,等依据给水管网的水力特性，构造了以管段压力及管段流量为求 解变量的优化设计目标函数，采用线性约束的特点，采纳了优化效率明显的简约 梯度法进行计算，通过目标函数变换，一次性解决了圆整地难题。王 统遗传算法存在的问题提出了改进意见，并将改进遗传算法应用于城市给水管网 优化，使之在收敛速度和计算结果方面都优于传统算法。2006年,储诚山却提出了以经济性和牢靠性为目标的多目标优化数学模型，将经 济性定为管网年折算费用，牢靠性定义为节点富余水头加权平均值和管网恢复 力。蒋怀德提出了以管网总费用年折算值最小、管网供水牢靠度及供水匀称性为 目标的多目标优化设计模型。采纳管网节点可采用水量作为牢靠度指标、管网嫡 值指数度量管网流量安排匀称程度。我们我国给水管网优化设计讨论最近几年也取得很大进展。天津高校、同济高校、 湖南高校、重庆高校等对给水管网改扩建讨论进行了较多的理论讨论瞄。很多专 家和学者对管网设计中诸如经济流速，加压泵站和水库的选址、容量选择等作了 有益的研讨，并对流量安排进行了讨论；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；王荣和、顾国维等编制HYPNW和PCAD软件系统，建立了青岛高科技 开发园区给水管网优化设计模型，该模型属地形起伏大、水源多、分区供水的大 型给水管网优化设计数学模型，并对输入、输出数据进行特别处理，建立图形菜 单和数据库，绘制水力计算成果图、等压线图，并且在给定平面图的状况下自动 生成纵剖面图。3.1. 国外讨论现状及进展趋势自从二十世纪六十年月人们就开头应用系统分析方法设计给水管网，并将优化程 序应用于其中。前苏联学者罗巴乔夫和莫希宁首次在管网设计中引入了经济性 的概念，提出以管网建筑费用与运行费用之和为目标函数，以水力平衡关系为约 束的环状管网优化模型。该模型比拟粗糙,有用价值不大，但具有开创意义。最早 的给水管网优化模型是针对树状网建立的，如Kanneli（1968）等人的模型，这 些模型能够获得全局最优解，但是模型仅仅适用于树状网，不利于实际工程运用。 1977 年和 1981 年 Alperovits, shamirt的等人开头使用线形规戈】法求解管网优 化问题，即使用梯度搜寻方法查找在满意环状网约束条件下，目标函数（投资） 最小的管网，此模型能够便利的求解环状网优化设计，引起了当时学术界的极大 地重视。但是线形规划法也存在缺乏之处，首先，这些模型难于求解变量和用水 状况较为简单的管网优化问题；其次，管网优化结果往往趋向于树状网。设计结 果中管网的环状形式是由一些较小管径的管段连接较大管径的树状网管段形成 的。因而模型的寻优过程是通过去除系统的某些冗余条件为前提而实现的，这些 冗余条件在某些特定用水状况下是可以不予满意的，但是在管网实际运行过程中 的多用水状况下，这些冗余条件必需满意。1985年 Morgan和 GoultoruR基于线形规戈方法提出了个两步式摸索步骤：（） 通过模拟管网中多种用水状况，求出管网的各种水力条件：（2）搜寻新的水力条 件使管网投资最少，然后不断优化同样的步骤，求得最优解。1989年Lansey和Mayu应用非线形规划方法，在考虑了布置泵站、蓄水池、阀 门等的状况下，求解管网优化模型，更加精确地反映了管网实际运行 状况。实际上，该模型是对以前优化模型的一个概括，有用性很广，能适用于枝 状、环状管网，缺点在于没有考虑管网的牢靠性。1999年,Hyun Gonshin等人建立了以管网建筑费用（包括管段、水箱、阀门 和泵站）最小和节点自由水头为目标函数的改扩建管网的优化设计模型。2002年,Janyimboh建立的模型以管网建筑费用和管网信息墙为目标函数，通过 管网信息嫡度量管网牢靠性。通过该模型可以实现给水管网布局的优化，但是该 模型未考虑管网的运行费用。之后,Prasad以管网建筑费用为目标函数,管网牢 靠度采纳节点剩余能量与整个管网的供入能量和节点所需能量（此时要满意节点 最小水压要求）的差值之比度量。该模型不能很好地反映管网牢靠度和建筑费用 之间的关系现代优化算法包括神经网络、遗传算法、模拟退火和拉格朗日松弛等算法。这些 算法涉及神经系统、生物进化、人工智能、数学和物理科学和统计力学等概念, 都是以肯定的直观基础而构造的算法，因而又被称之为启发式算法。启发式算法 是相对于最优算法提出的概念，它是一种基于直观或阅历构造的算法，在可接受 的花费（上机计算时间、占用内存）下给出问题的一个近似最优解。1987年 Goldberg开头应用遗传算法求解管网优化模型，随后Simpson等也分别建立遗 传模型并取得了良好的效果。遗传算法的应用，引起了学术界对现代优化算法的 极大重视，纷纷进行讨论，推动了给水管网优化模型讨论的进步。33给水管网优化设计模型求解算法讨论进展在给水管网优化设计模型建立以后，需要用合适的算法去求解相应的模型，以得 到模型的最优解或较优解。给水管网优化设计模型的求解方法主要经受了拉格朗 日函数优化法、数学规划法（线性规划法、动态规划法和非线性规划法）和随机搜 寻算法（遗传算法、模拟退火法、蚁群算法、神经网络法）三个阶段。目前常用的 几种算法。（1）拉格朗日函数优化法该方法主要用于求解以管径和水头损失为变量的单目标单工况优化设计模 型。应用拉格朗日未定系数法,将目标函数进行转换，然后用计算机进行求解。但 是由于管径为离散变量,应用此法求得的管径需要进行圆整，化为市售管径,这在 某种程度上破坏了解的最优性。该算法目前应用较少。（2）数学规划法1）线性规划法线性规划法是在一组线性约束条件下，求某个线性目标函数的最小值（最大 值）。该方法只能解决树状管网的优化设计，因此该算法应用较少。2）动态规戈!J法动态规划法是一种求解多阶段决策过程最优化方法。该法对模型中的目标函数 和约束条件的形式要求不高，以标准管径为变量计算结果不需要调整。1971 年,Liang采纳动态规划法对模型进行求解,所建模型以建筑运行费用和整个系 统的效率为目标函数，以管径为决策变量。随后,Kwang等人在树状管网的优化设 计中采纳了动态规划的数学模型求解,取得了肯定的胜利。魏永耀、刘子沛先后 用动态规划法求解简洁环状管网的优化模型。因此,该方法对小型树状管网能得 到最优解;对于简洁的环状管网，需预先假设一组管径并进行初始流量安排,将环 状网化为树状网;对于简单管网应用该法不能得到最优解。3）非线性规划法非线性规划法”是在一组非线性约束条件下,寻求非线性目标函数的最大值或最 小值。在管网优化设计中，目前所建的模型基本都是非线性模型，由于此种模型能 更好的反映管网系统各因素之间的关系，因此该方法能提高计算精度。最早将非 线性规划法用于给水管网优化设计的是Jacoby,他采纳数值梯度技术对简洁环 状管网的非线性模型进行求解。1987年,Su采纳简约梯度法对以牢靠性为约束的 环状管网非线性模型进行求解。随后,Lansey用非线性规划法进行管网优化布置 和设计。国内方面,1983年，魏永耀采用微分法对树状管网非线性规划模型进行 求解。俞国平提出用广义简约梯度法求解环状管网非线性规划模型，且无需预先 安排管段流量。随后刘子沛、杨开林等人进行了改进，采纳线性规划法将各管段 管径取整。非线性规划法能较好的反映管网系统的本质，但也存在一些问题:设计 变量为连续型,所得管径结果需进行二次圆整，圆整后的管径难以保证是最优方 案;对初始值依靠性较强;般只能得到局部最优解。(3)随机搜寻优化方法1)神经网络算法神经网络算法是将优化问题的目标函数和约束条件映射到神经网络动力系统, 采用人工神经网络的动力系统演化机制，搜寻到局部最优解,将最优解映射为动 力系统平衡点。19世纪80年月，Hopfield胜利将神经网络应用在组合优化问题中。之后国内外 学者将神经网络应用于给水管网优化中。2002年,周荣敏用神经网络进行重力树 状管网优化设计。目前将神经网络算法用于环状管网方面的讨论较少。2)蚁群算法蚁群算法(ACOAs).是由意大利学者Dorigo于19%年提出的一种模拟蚂蚁寻食行 为的算法。其基本原理是基于蚂蚁能找到在他们的巢穴和食物源之间的最短的线 路。该算法能够智能搜寻、全局优化，且易与其它算法结合。但有以下缺点：1) 当规模较大时,算法效率下降得很快,需要较长的搜寻时间；2)简洁消失停滞现象, 即搜寻到肯定程度后,全部个体所觉察的解完全全都,不能对解空间进一步进行 搜寻,不利于觉察更好的解,从而简洁陷入局部最优。3)遗传算法遗传算法(GA)近年来被认为是管网优化技术的飞跃,它通过模拟自然界生物种 群的遗传和自然选择机制，随机搜寻最优解。1975年,Holland提出了遗传算法的 概念和方法,1987年,Goldberg将这一算法应用于管网优化设计中。上世纪末以 来,Muir勿和Simpson等人先后将遗传算法用于管网优化设计问题，以费用最低 为目标函数,用标准管径作为决策变量,采纳二进制编码方式。国内方面,王文远、 吕糯、邹林和马光文、周荣敏等人于2000年前后先后以标准管径为决策变量, 采纳遗传算法进行环状管网优化设计计算。