毕业设计（论文）
题 目 某城市智慧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
指导教师 教授
2014 年
一、 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部分，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、调节水库六处地表水源，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，本设计为满足城市供水，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，以满足城市人口用水。
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
2.1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定时期内,其供水能力是可以满足用户用水要求的.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部分。旧城给水管网改造对管网的安全运行、适用与经济至关重要。
2.2管网改扩建的目的
目前，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重，易爆管，影响到供水水质和供水安全。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，出现小区附近输水干管压力正常，而小区内部供水压力不足的现象。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足需求，极需扩大向城市周边地区的供水能力。
随着我国经济的快速发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，不仅可以缓解国家能源紧张的局面，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安全，同时经过优化的给水管网还可以减少供水成本，节约能源，使国家的资金发挥更好的经济效益。
2.3管网改扩建的意义
管网改扩建的主要目的是在满足供水要求的前提下，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”[8](提高水质、供水安全性，降低电耗、药耗、漏耗)技术发展目标，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一定的数学模型。引入先进的计算机进行优化计算，通过现代的控制工程使给水系统在最佳状态下工作，不仅使系统安全可靠地满足用户所需的水量、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。管网改扩建不仅满足了城市人口对水量、水质、水压的要求，还节约能源，降低供水成本。已经是当今我国旧城市不可不实行的一项工程。
三、 本课题在国内外的研究状况及发展趋势
3.1.国内研究现状及发展趋势
对于管网优化设计中的上述难点，我国学者也付出了不少的努力。王彤、赵洪宾、巩驯[19]等针对我国城市给水管网改扩建过程中遇到的实际问题，提出了采用直接优化方法一约束非线性混合离散变量规划方法(MDOD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分配。
邹林[19]等提出了利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始寻优，并采用交迭和变异算子避免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专门限制，不必求导计算，算法及编程均简单，计算过程仅涉及目标函数和约束条件的比较，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留，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[19]等提出了一种给水管网优化设计方法，该方法分三段进行，先用最小二乘法分配管段通过流量，再用无条件极值法计算优化管径，最后对计算管径按市场规格管径取整，这种方法具有实用、可靠、便于调整、计算快、易收敛等优点。
王荣和[12]和顾国维[19]分析了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原因进行分析，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较，有优化结果准确、实用性强、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[19]等根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，利用线性约束的特点，采用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。王圃[12]等对传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[3]提出了以经济性和可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,可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、管网供水可靠度及供水均匀性为目标的多目标优化设计模型。采用管网节点可利用水量作为可靠度指标、管网嫡值指数度量管网流量分配均匀程度。
我国给水管网优化设计研究最近几年也取得很大进展。天津大学、同济大学、湖南大学、重庆大学等对给水管网改扩建研究进行了较多的理论研究瞄。许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探讨，并对流量分配进行了研究；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、输出数据进行特殊处理，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情况下自动生成纵剖面图。
3.2.国外研究现状及发展趋势
自从二十世纪六十年代人们就开始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[8]首次在管网设计中引入了经济性的概念,提出以管网建造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。该模型比较粗糙,实用价值不大,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)[3]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[8]等人开始使用线形规划法求解管网优化问题，即使用梯度搜索方法寻找在满足环状网约束条件下，目标函数(投资)最小的管网，此模型能够方便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不足之处，首先，这些模型难于求解变量和用水情况较为复杂的管网优化问题；第二，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情况下是可以不予满足的，但是在管网实际运行过程中的多用水情况下，这些冗余条件必须满足。
1985年Morgan和Goultoru[3]基于线形规划方法提出了一个两步式试探步骤：(1)通过模拟管网中多种用水情况，求出管网的各种水力条件：(2)搜索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[8]和Mayu应用非线形规划方法，在考虑了布置泵站、蓄水池、阀门等的情况下，求解管网优化模型，更加准确地反映了管网实际运行情况。实际上，该模型是对以前优化模型的一个概括，实用性很广，能适用于枝状、环状管网，缺点在于没有考虑管网的可靠性。
1999年,Hyun一Gonshin[3]通过对给水管网连接特点的分析,建立了以管段基建费用最小为目标的数学模型;20##年,Z.Y.WU[3]等人建立了以管网建造费用(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[3]建立的模型以管网建造费用和管网信息墒为目标函数,通过管网信息嫡度量管网可靠性。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[3]以管网建造费用为目标函数,管网可靠度采用节点剩余能量与整个管网的供入能量和节点所需能量(此时要满足节点最小水压要求)的差值之比度量。该模型不能很好地反映管网可靠度和建造费用之间的关系
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，都是以一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经验构造的算法，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开始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，纷纷进行研究，推动了给水管网优化模型研究的进步。
3.3.给水管网优化设计模型求解算法研究进展
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历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)和随机搜索算法(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[8]
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
l)线性规划法
线性规划法[8]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)动态规划法
动态规划法[8]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采用动态规划法对模型进行求解,所建模型以建造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用了动态规划的数学模型求解,取得了一定的成功。魏永耀、刘子沛先后用动态规划法求解简单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;对于简单的环状管网,需预先假设一组管径并进行初始流量分配,将环状网化为树状网;对于复杂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[11]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,因为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,他采用数值梯度技术对简单环状管网的非线性模型进行求解。1987年,Su采用简约梯度法对以可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,魏永耀利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,且无需预先分配管段流量。随后刘子沛、杨开林等人进行了改进,采用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;对初始值依赖性较强;一般只能得到局部最优解。
(3)随机搜索优化方法
l)神经网络算法
神经网络算法[3]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,利用人工神经网络的动力系统演化机制,搜索到局部最优解,将最优解映射为动力系统平衡点。
19世纪80年代,Hopfield成功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。20##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研究较少。
2)蚁群算法
蚁群算法(ACOAs)[11]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。该算法能够智能搜索、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,需要较长的搜索时间;2)容易出现停滞现象,即搜索到一定程度后,所有个体所发现的解完全一致,不能对解空间进一步进行搜索,不利于发现更好的解,从而容易陷入局部最优。
3)遗传算法
遗传算法[21](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,随机搜索最优解。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,Murp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,采用二进制编码方式。国内方面,王文远、吕糯、邹林和马光文、周荣敏等人于20##年前后先后以标准管径为决策变量,采用遗传算法进行环状管网优化设计计算。
因此,遗传算法是以标准管径为决策变量的,对其采用一定的编码方式,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免了非线性规划法需对连续管径进行“圆整”带来的偏差;3)该算法是一种随机搜索过程,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,可再根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,通常采用二进制编码,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,影响算法的性能和实用性。为了避免这种问题,采用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能力有较大提高。周荣敏采用基于整数编码的改进遗传算法对环状管网优化模型求解,既避免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。廖青桃和俞国平采用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分配。
4)模拟退火算法[18]
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,由于控制参数值的选定至今还没有一个比较成熟可靠的标准,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索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,是未来优化方法的发展方向。但目前应用还不够成熟。
四、 本课题主要研究内容
（1）、新城区供水方案的确定
（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、用水量预测）
（4）、新城区沿线流量、节点流量计算
（5）、流量分配，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较。
五、 完成论文的条件和拟采用的研究手段（途径）
（1）文献研究法：通过阅读中、外文献，调查研究与收集有关资料，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)比较分析法：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。分析比较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、施工简单。
（3)数学方法：给水管网闭合差指的是：在管网管径已知的情况下，不断调整管网的初分流量，使环状管网的闭合差满足精度要求，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该等于0，但实际由于流量分配的问题，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0.5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
I=λ*V^2/(2.0*g*D)
1.0/λ^0.5=-2.0*lg[k/(3.7*D)+2.5/(Re*^0.5)]
Re=V*D/ν
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）
π----- 常数：3.14
（2）给水管径计算公式二：
式中: Dι----某一管段的供水直径(mm)
Qι----该管段的用水量(L/s)
μ-----管网中水流速度(m/s);一般取经济流速1.5~2.0米.
根据计算而得的某一管段的最大用水量Qι，再将μ=1.5m/s和2.0m/s分别代入公式，则可计算出两个管径，选择两个计算管径中间的标准规格的水管即可；如果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：DN≥500时，u为0.5～1.5m/s、DN＜500时，u为1.5～3m/s。
管径计算公式：
d=18.8×[(q/u)^(0.5)]=18.8×[sqrt (q/u)]
根据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，应能较准确地表达设计意图，图面力求布局合理、紧凑、正确清晰，符合专业制图标准、专业规范及有关规定。较复杂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、 本课题进度安排、各阶段预期达到的目标
2014年2月23—3月1：了解论文主要目的，查看文献
2014年3月02—08：制定论文主要内容，翻译英文文献
2014年03月9—15：了解项目概况，旧城区了解、扩建新区了解、旧管网资料了解、水源地了解
2014年03月16—22：完成开题报告
2014年03月23—29：管网优化模型的研究
2014年03月30—04月05：现有城区旧管网的布局优化
2014年04月06—12：当地扩建新城区地形研究、绘制新城区旧区地质地勘
2014年04月13—19: 结合旧区进行扩建新区管网的布置
2014年04月20—26: 新建管网节点流量的确定
2014年04月27—05月03：管道造价公式的确定
2014年05月04—10：管道造价公式拟合系数的确定
2014年05月11—17：模拟目标函数的构建，约束方程的建立
2014年05月18—24：模型的求解（编程实现优化算法的求解）
2014年05月25—31：对比优化结果
2014年06月01—07：编写论文初稿
2014年06月08—14：修改论文
七、 参考文献：
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八、 指导教师意见
对本课题的深度、广度及工作量的意见和对设计（论文）结果的预测：
指导教师：
年 月 日
九、 所在专业审查意见
负责人：
年 月 日