一种基于管网能量指标的供水管线抗震改造方案优化选择方法，属于供水管网抗震安全评估与优化领域。根据管网参数设置管线改造方式，作为供水管线抗震改造优化模型的变量；提出一种体现管线地震破坏影响的管网能量指标，并采用此管网能量指标为管线抗震改造优化模型的目标函数；以管线改造措施为优化变量，管网能量指标最大化、管网改造费用最小为优化目标，建立多目标优化模型；求解供水管线抗震改造多目标优化模型，并选择改造方案。使用管网能量指标的管线抗震优化方案，与采用大量水力模型计算的管网震后供水满足率指标的方案效果接近，且减小了管网优化计算时间，提高了计算效率。算效率。
【技术实现步骤摘要】
一种基于管网能量指标的供水管线抗震改造方案优化选择方法
[0001]本专利技术涉及一种基于管网能量指标的供水管线抗震改造方案优化选择方法，属于供水管网抗震安全评估与优化领域。
技术介绍
[0002]供水管网是城市生命线工程的重要组成部分，是维持城市基本功能的重要基础设施。强烈地震作用下，大量供水管线被破坏，导致供水能力下降，进而影响灾后城市的恢复和重建。可以通过震前对管线进行改造优化来提高供水管网的抗震韧性，从而提升城市供水安全性和可靠性。
[0003]目前对于供水管线抗震改造方案优化的研究和应用中，采用的优化模型一般为：供水管网震后水力功能满足率为优化目标函数，改造费用为约束条件，管线改造措施(如更换管材、增大管径)和管网拓扑结构为优化变量。由于采用管道失效概率表示地震破坏的不确定性，在优化模型求解的过程中计算每个待选方案的目标函数(水力功能指标)时，一般采用Monte Carlo随机模拟方法，需要进行大量的管网水力计算，计算时间很长，计算效率较低。因此有必要提出其他指标以代替水力功能指标，作为供水管网管线抗震改造优化的目标函数，并同时要求根据该代替指标得到的管线优化改造方案对应的管网，仍具有较高的震后水力功能满足率。
技术实现思路
[0004]本专利技术首先提出一种体现管线地震破坏影响的管网能量指标，并将采用此管网能量指标为管线抗震改造的优化模型的目标函数，求解管线抗震改造措施。所提出的管网能量指标，可体现管线地震失效概率、地震导致的管线破坏漏水点对管网中整体能量的影响，管线改造措施会减小管线地震失效概率，进而提升管网能量指标值。所提出的管网能量指标，是一种整体化指标，不需要对每个管线改造优化待选方案进行管网水力功能计算，具有较高的计算效率。
[0005]第一步：根据管网参数设置管线改造方式。
[0006]在进行供水管线抗震改造优化之前，需要根据管线属性参数(管材、管径、接口类型等)、场地条件以及设防地震烈度，确定供水管线的可用改造方式，如：更换管材、增大管径等。
[0007]第二步：确定管线优化改造目标函数的量化指标。
[0008]进行供水管线抗震改造优化时，可采用以基于水力模型计算的管网震后供水满足率指标作为优化模型的优化目标，管网震后供水满足率SSIQ表达式如下：
[0009]式中，N
n
为管网中用户节点的数量；q
i
为第i个用户节点在震后破坏状态下的配水
量；q
i*
为第i个用户节点在日常无故障供水状态下的实际需水(配水)量(L/s)。
[0010]本专利技术采用基于管网能量的指标R替代管网震后供水满足率指标SSIQ，将管网能量指标R作为管线抗震改造优化模型的优化目标，R指标的计算表达式如下：
[0011]式中，R为管网能量标值，NN
i
为连接到节点i的管道个数；P
j
为地震荷载作用下节点i连接的管道j的失效概率；N
n
为供水管网用户节点总数；q
i*
是日常运行工况下用户节点i的配水量(m3/s)；h
i
是日常运行工况下用户节点i的总水头(m)；h
i*
是用户节点i的最小水头(m)；N
m
为管网中的管道总数；P
fm
为地震荷载作用下管道m的失效概率；Q
m
为日常运行工况下管道m的流量(m3/s)；h
m1
和h
m2
分别为日常运行工况下管道m的起始节点和终止节点的总水头(m)；QR
r
为日常运行工况下水源r的出水量(m3/s)；H
r
为日常运行工况下水源r的出水的总水头(m)；N
r
为管网中水源的总数。
[0012]其中，管线抗震改造措施可以减小地震作用下的管道失效概率P
j
和P
fm
，从式(2)看出，当计算不同改造方案对应的R指标时，只需计算该方案对应的管道失效概率，不需计算此改造方案对应的管网震后水力功能状态。管道失效概率是采用基于历史震害数据的经验统计法进行计算的。
[0013]管网能量指标R的物理意义。由于节点总水头(m)表示单位重量流体所具有的机械能，节点总水头与流量的乘积表示水流所具有的总机械能；分子项中E1表示地震荷载作用下实际到达用户节点的能量，其中体现了邻接管道地震破坏失效概率对节点能量供应的影响；分子项E2表示地震破坏导致的管道漏水量对管网能量的消耗值；分母项E3表示管网日常运行工况下最大的能量冗余值，表示水源输入到管网中的总能量，表示用户节点所需的最小能量。
[0014]第三步：建立供水管线抗震改造多目标优化模型。
[0015](1)目标函数设置：以管线改造措施为优化变量，管网能量指标最大化、管网改造费用最小为优化目标，建立多目标优化模型如下：max R(X)(3)min CC(4)
[0016]式中：X＝{}为供水管网的不同改造方案集合(改造方式由第一步提供)；R(X)为该方案对应的指标值；CC为管道抗震改造的投资费用。
[0017](2)改造价格计算：整个管网的改造价格CC计算公式如下：
[0018]式中，N
m
为管网中的管道总数；K
m
为针对管道m采取改造的措施标识，如K
m
＝{0,1}分别代表{不改造，改造}；D
m
为第m根管道采用K
m
改造措施对应的单位长度改造成本(元/m)；
L
m
为第m根管道的长度(m)。
[0019]第四步：求解供水管线抗震改造多目标优化模型，并选择改造方案。
[0020]采用智能进化算法求解式(3)～(5)所示的优化模型，得到的优化改造方案的帕累托前沿分布图。根据年度改造预算额选择改造价格对应的帕累托前沿点附近的多个方案形成备选改造方案集。根据式(1)计算所选择的备选方案集对应的供水管网震后供水满足率SSIQ，选择SSIQ最大值的方案作为最终改造方案。
[0021]上述一种基于管网能量指标的供水管线抗震改造方案优化选择方法，其在于，在供水管线抗震改造优化模型的求解过程中使用管网能量指标R作为管网性能目标函数，表示管线改造方案对应的管网震后状态，不需计算此改造方案对应的管网震后水力模型。减小了管网优化计算时间，提高了计算效率。使用管网能量指标进行管线抗震优化方案，与采用大量水力模型计算的管网震后供水满足率指标的方案效果接近。
附图说明
[0022]附图1为本专利技术“一种基于网能量指标的供水管线抗震改造方案优化选择方法”的流程框架图；
[0023]附图2为实施案例的管线流量、节点用水量分布图；
[0024]附图3为实施案例的管线直径、节点高程分布图；
[0025]附图4为实施案例中本方法得到的优化方案效果对比图；
[0026]附图5为实施本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种基于管网能量指标的供水管线抗震改造方案优化选择方法，该方法包括如下步骤：第一步：根据管网参数设置管线改造方式。在进行供水管线抗震改造优化之前，需要根据管线属性参数(管材、管径、接口类型等)、场地条件以及设防地震烈度，确定供水管线的可用改造方式，如：更换管材、增大管径等。第二步：确定管线优化改造目标函数的量化指标。进行供水管线抗震改造优化时，可采用以基于水力模型计算的管网震后供水满足率指标作为优化模型的优化目标，管网震后供水满足率SSIQ表达式如下：式中，N
n
为管网中用户节点的数量；q
i
为第i个用户节点在震后破坏状态下的配水量；q
i*
为第i个用户节点在日常无故障供水状态下的实际需水(配水)量(L/s)。本发明采用基于管网能量的指标R替代管网震后供水满足率指标SSIQ，将管网能量指标R作为管线抗震改造优化模型的优化目标，R指标的计算表达式如下：式中，R为管网能量标值，NN
i
为连接到节点i的管道个数；P
j
为地震荷载作用下节点i连接的管道j的失效概率；N
n
为供水管网用户节点总数；q
i*
是日常运行工况下用户节点i的配水量(m3/s)；h
i
是日常运行工况下用户节点i的总水头(m)；h
i*
是用户节点i的最小水头(m)；N
m
为管网中的管道总数；P
fm
为地震荷载作用下管道m的失效概率；Q
m
为日常运行工况下管道m的流量(m3/s)；h
m1
和h
m2
分别为日常运行工况下管道m的起始节点和终止节点的总水头(m)；QR
r
为日常运行工况下水源r的出水量(m3/s)；H
r
为日常运行工况下水源r的出水的总水头(m)；N
r
为管网中水源的总数。其中，管线抗震改造措施可以减小地震作用下的管道失效概率P
j
和P
fm
，从式(2)看出，当计算不同改造方案对应的R指标时，只需计算该方案对应的管道失效概率，不需计算此改造方案对应的管网震后水力功...
【专利技术属性】
技术研发人员：侯本伟，程雪，吴珊，
申请(专利权)人：北京工业大学，
类型：发明
国别省市：
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