一种用于多源供水管网的优化加速方法技术

本发明专利技术提供一种用于多源供水管网的优化加速方法，属于供水系统领域。步骤为：1)根据所需的管材或商业用管直径要求，获取管道的最大直径及粗糙度参数；根据管网的设计要求及规范，获取最小压力阈值，设置参数。2)确定每个水源的供应区域。3)根据最小水头损失路径计算各管的水头损失。4)根据各管的水头损失计算管径。5)由步骤4)得到的新直径将更新管网设计，重复步骤2)至步骤4)，经过多次迭代，直径不变，此时停止迭代。或者若迭代次数达到最大迭代数IT

【技术实现步骤摘要】
一种用于多源供水管网的优化加速方法


[0001]本专利技术属于供水系统领域，涉及一种用于多源供水管网的优化加速方法。

技术介绍

[0002]供水管网对于一个城市的正常运行是不可或缺的，它不仅满足人们的饮用和其他日常使用，还与城市的其他系统，诸如电气、交通、热力等息息相关，组成了城市赖以生存的生命线系统。供水管网的优化通常与投资的决策基础相关，因此，优化设计可能意味着成本的节省等。在过去的几十年里，各种优化方法被发展起来并应用到供水管网中。差分算法(Differential Evolution)凭借其较强的搜索能力，成为近年来应用于供水管网优化研究中的热点，但因其自身存在易早熟收敛、陷入局部最优的缺陷，并不能在大规模供水管网中得到较好的推广应用。为较快的收敛最优解，本专利技术开发了一种用于多源供水管网的优化加速方法，利用领域知识来提高优化算法的性能，有效地为多源供水管网设计问题识别高性能的网络配置，解决复杂的优化问题。

技术实现思路

[0003]针对现有技术存在的问题，本专利技术提供了一种用于多源供水管网的优化加速方法，该方法确定了每个需水节点的唯一供应路径，即确定每个水源的供应区域，分析了从水源到用户的供水路径中的水头损失，用水头损失方程计算管径，并对离散管径进行更新迭代，确定供水管网中每条路径中的最优管径。
[0004]为了达到上述目的，本专利技术采用的技术方案为：
[0005]一种用于多源供水管网的优化加速方法，包括以下步骤：
[0006]步骤一：设置参数
[0007]根据所需的管材或商业用管直径要求，获取管道的最大直径及粗糙度参数；根据管网的设计要求及规范，获取最小压力阈值。迭代开始前，将管网中所有管道的直径设置为可用管径中的最大值D
max
；根据经验设置最大迭代数IT
max
，并将其作为停止准则；设置最小压力阈值P
req
，管网中每个节点的压力应尽可能接近最小压力阈值P
req
。
[0008]步骤二：确定每个水源的供应区域
[0009]在多源供水管网系统中，一个需水节点可能由若干个水源供水，这些水源主要由其源头决定，而一个水源通常有不同的压力水头向管网供水，因此，压力水头高的水源比压力水头低的水源能够为更大面积的区域供水。本专利技术提出一种确定供水区域的新方法，即给定节点后确定其应由哪个水源供水，具体如下：
[0010]2.1)使用步骤一的参数设置(即选用各管的最大管径)，采用Epanet软件进行水力模拟，记录水源水头H
k
(k＝1,2,
…
,N
s
)和管道流量Q
ij
(i,j＝1,2,
…
,N
n
,i≠j)的模拟结果，其中，i,j＝1,2,
…
,Nn,i≠j，i、j分别表示节点i与节点j。所述水源水头为实际工程已知值，所述管道流量为水力模拟得出。本专利技术采用迪杰斯特算法，求解从水源k到节点i的最短路径P
ki
(式1
‑
1)，其长度记为L
ki
，总路径数目见式(1
‑
2)。
[0011]P
ki
＝(θ
k
,θ
j
,
…
,θ
i
)
ꢀꢀ
(1
‑
1)
[0012]总路径数目＝N
n
×
N
s
ꢀꢀ
(1
‑
2)
[0013]式中：θ
k
为水源k，θ
j
为节点j；θ
i
为节点i；N
s
为水源的个数，N
n
为节点的个数。
[0014]2.2)每条路径的潜在最大水头损失HL
ki
的表达式见式(1
‑
3)，每条路径的单位水头损失UHL
ki
由式(1
‑
4)所得，单位水头损失总数由式(1
‑
5)所得。
[0015]HL
ki
＝H
k
‑
P
req
‑
E
i
ꢀꢀ
(1
‑
3)
[0016]UHL
ki
＝HL
ki
/L
ki
ꢀꢀ
(1
‑
4)
[0017]单位水头损失总数＝N
n
×
N
s
ꢀꢀ
(1
‑
5)
[0018]式中：E
i
为第i个节点处的水头高度；P
req
为最小压力阈值。
[0019]节点i到不同水源具有多条最短路径，若节点i到水源k之间的最短路径相对于节点i到其他任何水源的最短路径具有最小水头损失时，则认为节点i由水源k供水。
[0020]2.3)对管网中每一个节点进行供水水源划分，即对管网中每一个水源的供水区域进行界定，分区数目等于水源数目，记录每个节点到其对应的供水区水源的最小水头损失路径。
[0021]在进行后续离散管径的迭代过程时，所有管道的流量与水头损失均会发生改变，水源供应区与供水路径也会随之改变。
[0022]步骤三：根据最小水头损失路径计算各管的水头损失
[0023]通常在相同流量条件下，管径越小，水头损失越大。该方法可以检查在管道中可能耗散的最大水头损失。管道ij的水头损失HL
ij
由路径中的单位水头损失UHL
ki
和管道长度L
ij
计算得出。当一条管道连接多个不同路径的管道时，同一管道可能存在多个水头损失值，此时，令最小水头损失为给定管道的水头损失，保证下游管道具有足够高的水头。
[0024]步骤四：根据各管的水头损失计算管径
[0025]管道直径D
ij
由已知水头损失HL
ij
和流量Q
ij
的水头损失方程计算，本专利技术根据具体粗糙度参数选择水头损失函数，将计算结果四舍五入可得离散管径D
n
。此处举例两个水头损失函数，具体如下：
[0026]以SI(国际单位)为单位的HW(Hazen
‑
Williams)方程的数学表达式为(1
‑
6)，DW(Darcy
‑
Weisbach)方程的数学表达式为(1
‑
7)。
[0027][0028][0029]式中：D
n
为迭代更新后的离散管径；C为Hazen
‑
Williams系数；g为重力加速度；f为摩擦系数。
[0030]根据管径可计算适应度及本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于多源供水管网的优化加速方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：设置参数根据所需的管材或商业用管直径要求，获取管道的最大直径及粗糙度参数；根据管网的设计要求及规范，获取最小压力阈值；迭代开始前，将管网中所有管道的直径设置为可用管径中的最大值D
max
；根据经验设置最大迭代数IT
max
，并将其作为停止准则；设置最小压力阈值P
req
，管网中每个节点的压力应尽可能接近最小压力阈值P
req
；步骤二：确定每个水源的供应区域，即给定节点后确定其应由哪个水源供水，具体如下：2.1)使用步骤一的参数设置，进行水力模拟，记录水源水头H
k
(k＝1,2,
…
,N
s
)和管道流量Q
ij
(i,j＝1,2,
…
,N
n
,i≠j)的模拟结果，其中，i,j＝1,2,
…
,Nn,i≠j，i、j分别表示节点i与节点j；所述水源水头为实际工程已知值，所述管道流量为水力模拟得出；并得到从水源k到节点i的最短路径P
ki
，其长度记为L
ki
，进而得到总路径数目；2.2)计算得到每条路径的潜在最大水头损失HL
ki
、每条路径的单位水头损失UHL
ki
、单位水头损失总数；节点i到不同水源具有多条最短路径，若节点i到水源k之间的最短路径相对于节点i到其他任何水源的最短路径具有最小水头损失时，则认为节点i由水源k供水；2.3)对管网中每一个节点进行供水水源划分，即对管网中每一个水源的供水区域进行界定，分区数目等于水源数目，记录每个节点到其对应的供水区水源的最小水头损失路径；在进行后续离散管径的迭代过程时，所有管道的流量与水头损失均会发生改变，水源供应区与供水路径也会随之改变；步骤三：根据最小水头损失路径计算各管的水头损失通常在相同流量条件下，管径越小，水头损失越大；该方法可以检查在管道中可能耗散的最大水头损失；管道ij的水头损失HL
ij
由路径中的单位水头损失UHL
ki
和管道长度L
ij
计算得出；当一条管道连接多个不同路径的管道时，同一管道可能存在多个水头损失值，此时，令最小水头损失为给定管道的水头损失，保证下游管道具有足够高的水头；步骤四：根据各管的水头损失计算管径管道直径D
ij
由已知水头损失HL
ij
和流量Q
ij
的水头损失方程计算，根据具体粗糙度参数选择水头损失函数，将计算结果四舍五入可得离散管径D
n
；根据管径可计算适应度及约束条件，将供水管网的优化设计约束定位单目标最小费用的问题，当设计约束被违反时，对目标进行惩罚；目标F在此处作为遗传算法中的适应性函数，其表达式见(1
‑
8)；式中：L
i
和D
i
分别代表管道i的长度和直径；f(D
i
)...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘海星，李靓怡，赵梦珂，顾建强，徐佳雨，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：