环状管网布置与管径优化模型和算法研究

论文摘要

环状管网优化设计是供水工程的重要组成部分。在供水工程中管网部分的投资一般要占到工程总投资的50%80%,而且影响管道系统的能耗和运行管理费用。因此,在工程资金投入有限的情况下,进行管网系统的优化设计、寻求能满足水量和水压要求,且能使整个系统的造价最低或年费用最小、系统可靠性最高的设计方案,对节约投资、降低能耗、提高经济效益和社会效益有着重要的现实意义。本文以环状供水管网为研究对象,在总结国内外管网优化研究和最优化技术成果的基础上,针对目前研究中存在的问题与不足,采取理论研究、计算机模拟计算和实例分析相结合的方法,应用聚类分类算法和遗传算法最优化理论,以投资最小为目标,对环状管网布置和在满足压力、流速、闭合差、流量平衡等约束条件下水流分配和管径选择的同步优化遗传算法整数编码方法自动计算方法进行了研究。建立了基于K-Means聚类算法与Hopfield神经网络的管网布置方案和基于整数遗传算法的环状管网流量分配与管径同步优化模型。本文的研究主要取得了以下成果:（1）用连续型Hopfield神经网络结合聚类算法解决环状管网的布置问题,提出一种环状给水管网布置优化设计的方法,先用聚类解决了环状管网基环的确定,再用Hopfield神经网络以较大的概率得到最优路径。（2）用遗传算法解决环状管网水力计算及管径选择的同步优化设计。解该模型的算法为一种不依赖于问题本身而从全局空间出发搜索问题的最优解。研究中应用采用了整数编码的方法,避免了二进制遗传编码冗余问题。（3）本文在布置段编码设计中,根据设计人员的经验确定出各个管道的流量范围和管径的选择,将设计经验有机的融入到优化计算的初始阶段,同时也有效地减少了优化计算中不可行解的数目,提高了优化计算的计算效率和可行性。（4）解决了管网布置优化,环状管网水力计算及管径优化,实现管网的全局最优化。对降低工程投资具有较大的参考价值,也对丰富环状管网设计理论有重要的意义。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究的目的和意义
• 1.2 管网的类型
• 1.2.1 树状管网
• 1.2.2 环状管网
• 1.3 管道输水技术的发展概况及存在问题
• 1.3.1 国外发展概况
• 1.3.2 国内发展概况
• 1.3.3 存在的问题
• 1.4 管网系统模型
• 1.4.1 建模的类型
• 1.4.2 建模信息
• 1.4.3 建模过程
• 1.5 本论文主要内容
• 第二章 遗传算法原理
• 引言
• 2.1 遗传算法的原理
• 2.2 遗传算法的基本操作步骤
• 2.2.1 编码/解码
• 2.2.2 遗传算法适应度函数设计
• 2.2.3 遗传操作
• 2.2.4 约束条件的处理
• 2.2.5 算法的终止条件
• 2.3 遗传算法的特点
• 2.4 遗传算法工具箱简介
• 2.4.1 GAOT 工具箱
• 2.4.2 gatbx 工具箱
• 2.4.3 GADS 工具箱
• 2.5 本章小结
• 第三章 基于聚类与神经网络的环状管网模型和算法
• 引言
• 3.1 K-Means 聚类算法与Hopfield 神经网络的原理与方法
• 3.1.1 基于M-Means 聚类算法
• 3.1.2 用Hopfield 神经网络求解环状管网最短距离
• 3.2 基于K-Means 聚类算法和连续型Hopfield 神经网络管网布置模型的建立
• 3.2.1 管网布置模型的建立
• 3.2.2 管网布置模型的具体步骤
• 3.2.3 仿真中所用到的关键命令
• 3.3 仿真结果及分析
• 3.4 本章小结
• 第四章 环状管网设计的模型与水力计算方法
• 引言
• 4.1 管网水力计算的基本思路
• 4.2 解环方程水力计算方法
• 4.2.1 概述
• 4.2.2 计算步骤
• 4.3 解节点方程的水力计算方法
• 4.4 管道流量的调整
• 4.5 环状管网水力设计模型
• 4.6 本章小结
• 第五章 基于自适应遗传算法环状管网优化设计模型算法与实例
• 引言
• 5.1 整数编码的自适应遗传算法的原理
• 5.2 基于自适应遗传算法的环状管网优化设计模型算法
• 5.2.1 编码设计
• 5.2.2 目标函数及适应度函数设计
• 5.2.3 遗传操作与交叉和变异算子的自适应调整
• 5.2.4 重插入
• 5.3 应用实例
• 5.4 本章小结
• 第六章 结论与今后需要研究的问题
• 6.1 本文主要解决的问题
• 6.2 仍存在的问题以及建议
• 参考文献
• 附录1
• 附录2
• 致谢
• 作者简介