[发明专利]排水管网递归优化算法

说明书

技术领域

本发明涉及市政工程中排水管网的优化设计和计算，包括污水、雨水管网工程、合流制管网工程等，具体涉及一种排水管网流量、水力计算的递归优化算法。

背景技术

城市排水管网是重要的城市基础工程设施之一，担负着收集城市生活和工业生产等污水、及时排除降落在城市市区内和流经市区的雨水的任务。排水工程设施设计与建设的质量和科学性，直接决定着城市的发展水平，影响着城市景观和卫生环境，影响着城市的投资环境，甚至关系到城市的安全。因此，科学合理的设计排水管网系统是城市基础工程设施建设的重要一环，对工程设施的投资和运行管理的可靠性起着关键性作用。从20世纪60年代开始，国际上在经验总结和数理分析的基础上，逐步建立起了各种给水排水系统或过程的数学模式；自70年代至今，美国、日本和欧洲的一些发达国家，在给水排水管道和处理工程系统方面，不仅在方法学和计算机程序上取得了各种研究成果，而且日益广泛的将其所研制的各种计算程序软件应用于给水排水工程的计算机辅助设计和自动化运行管理上，效益显著；我国在70年代以同济大学环境工程学院著名教授杨钦为代表的优化专家，开辟了给水排水工程优化设计的新领域，为全面开展优化设计奠定了基础。

排水管道系统已定管线下的优化设计主要是解决管径和埋深(坡度)以及不同管段间的设计参数优化问题。对于某一设计管段，当流量确定后，满足设计规范要求的管径与其它水力参数有多种组合，但总存在一组管径和其它水力参数的组合，使其投资最小，效果最好。对于由若干根管段组成的排水管网系统，上游管段的设计计算结果将直接影响到下游管段的设计参数，这就说明系统中每根管段设计最优的组合，并不能保证整个系统的设计最优。因此，为了使整个工程系统设计最优，就必须以整个排水系统为整体，从全局出发进行优化设计。

在排水管道系统优化设计计算方面，主要有线性规划法、混合整数规划法、非线性规划法、罚函数离散优化法、动态规划法和逆差动态规划法、直接优化法、遗传算法等。从以往的研究来看，应用通常的优化方法进行已定管线下的排水管道系统优化设计计算时主要面临的几个问题是：(1)管道直径不是连续的，而是离散的规格管径；(2)设计计算模型的目标函数和约束条件大多是非线性的，因此计算相对复杂；(3)优化过程运行时间长、占用内存量大；(4)管段与管段设计之间不满足“无后效性”；(5)人为干预因素较多，不能完全交由计算机完成。(6)更为关键的是其计算结果仅针对特定的管网，算法也是根据管网的形状确定的，不适用于其它管网的计算。如果要实现管网的管理和优化计算，必须开发一种全新的管网计算方法。

发明内容

本发明公开了一种排水管网递归优化算法，其目的在于克服现有排水管道系统优化设计计算只针对特定管网，而不具有推广价值；计算模型复杂计算工作量大；优化过程运行时间长、占用内存量大；管段与管段设计之间不满足“无后效性”；以及人为干预因素较多，不能完全交由计算机完成等弊端。本发明提出了管网图形管理和优化计算的节点递归算法，采用遗传技术领域中使用的编码、选择等遗传操作，最终求得最优解，遗传算法不仅适用于纯数学的优化问题，而且也适用于已定管线下的污水管道系统优化设计计算，同样可用于解决其它排水管网系统如雨水管网系统和合流制管网系统等的优化设计问题。

排水管网递归优化算法，其特征在于：采用图形矩阵管理排水管网系统，由已定排水管网布置图形的管网系统的编号，确定管网联系矩阵M(i，j)，所述的管网联系矩阵M(i，j)

表述如下：

其中i是节点行变量，j是管段列变量；以管网中的节点为对象，指定任意初始计算节点，采用节点递归算法遍历管网所有节点和管段，可一次解决排水管网的设计问题。

所述的编号包括节点编号和管段编号，节点是指管网中进水点、出水点或管段之间的交汇点，所述的管段是两个节点之间的管路。

节点递归算法的步骤如下：

(1)指定管网中某节点为计算起始节点；

(2)判断是否为某管段的起始点，若是转(3)；若不是转(5)；

(3)若是某管段的起始点，则计算该管段并标记为已计算，并采用节点→下游管段→节点的遍历方式，找出该管段的下游节点；

(4)判断是否为最终节点，若是则结束，停止搜索；若不是转(5)；

(5)检查该节点上游所有管段是否全部标记为已计算，若是则采用节点→下游管段→节点的遍历方式，找出该管段的下游节点，并计算当前管段，进行标记，转(4)；若非转(6)；

(6)采用节点→上游管段→节点的搜索遍历方式，找出上游节点，转(5)；