[发明专利]一种雨水管网系统水力设计参数优化方法

说明书

技术领域

本发明涉及城市雨水管网水力设计，特别涉及一种雨水管网系统水力设计参数优化方法。

背景技术

在我国目前水资源短缺，城市水系统不完善的背景下，在进行雨水管网设计使用遗传算法优化设计时，除了流量己知，其他管径、充满度、流速和坡度都是未知量，都要先假定其中两个然后校核另外两个是否符合规范，针对设计流量可以选出一些适应的可行管径，但是剩下这些未知量在水力计算后并不一定都符合要求，导致有这个管径的方案会不合格而淘汰，但是这个管径可能是方案最优的管径，但是由于随机生成的充满度导致流速、坡度不符合规范，所以这并不能充分模拟可行管径集的所有方案来进行优化。使用遗传算法进行雨水管网优化设计时都会选择最优交叉概率和变异概率，以及交叉类型和变异类型，但是在遗传算法优化过程中使用固定的交叉概率和变异概率容易陷入局部最优而导致早熟。而且优化选择的可行解空间需要进一步丰富，应该尽量使得所有可行的方案都在遗传算法的可行解空间里，这样进行的雨水管网优化才是更接近最优方案的较优值，也才能达到既满足排水需要又节省工程造价的目的。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中的不足，提供一种雨水管网系统水力设计参数优化方法，即采用自适应遗传算法优化雨水管网水力设计参数，尽量使得所有可行的方案都在遗传算法的可行解空间，最后得到雨水管网系统的最优方案。

本发明所采用的技术方案是：一种雨水管网系统水力设计参数优化方法，包括以下步骤：

(1)启动主控计算机，计算机内存有雨水管网的基础情况与数据，暴雨洪水管理模型(即SWMM模型)以及雨水管网系统水力设计参数优化模型；

(2)采集雨水管网水力设计参数数据，并储存在数据库中；

(3)读取当前雨水管网的基础情况与数据以及雨水管网水力设计参数数据，载入暴雨洪水管理模型，建立雨水系统水力模型，并进行雨水系统水力模型的模拟，评估雨水系统水力模型的管道负载情况；

(4)载入雨水管网系统水力设计参数优化模型，并将目标函数设定为节点溢流量与管网造价费用；

(5)运行雨水管网系统水力设计参数优化模型，得到当前条件下最优的雨水管网系统水力设计参数；

(6)将步骤(5)得到的优化后的雨水管网系统水力设计参数以指令形式发送给暴雨洪水管理模型；

(7)暴雨洪水管理模型按照指令对步骤(5)得到的优化后的雨水管网系统水力设计参数重新进行模拟，得到新的一组目标函数的解；

(8)判断步骤(7)得到的目标函数的解是否趋于稳定值，如果不是，重复步骤(3)至(8)，如果是，结束运算，步骤(7)得到的目标函数的解即为雨水管网水力设计参数最优解。

步骤(1)中的雨水管网的基础情况与数据包括雨水管网的地图信息以及水文、气象数据。

步骤(2)中的雨水管网水力设计参数数据包括雨水管网的空间位置、节点高程、管长、管径、流向、坡度，以及埋深，入口和出口偏移量、曼宁系数；平均坡度、不透水面积、透水区和不透水区的洼蓄量、透水区和不透水区的粗糙率。

步骤(2)中，建立雨水系统水力模型具体过程为：首先利用研究区域的管网数据信息，通过ArcGIS对管网节点和汇水区进行分析处理，并将结果输入暴雨洪水管理模型中；然后划分汇水区域，将生成的汇水区图导入暴雨洪水管理模型生成子汇水区模型；其中，通过ArcGIS分析得到暴雨洪水管理模型需要的数据包括：埋深；入口和出口偏移量、曼宁系数；平均坡度、不透水面积、透水区和不透水区的洼蓄量、透水区和不透水区的粗糙率；初始条件设置好后，即得到雨水系统水力模型。

步骤(4)中，所述雨水管网系统水力设计参数优化模型采用自适应遗传算法快速寻找设计参数最优解。

所述雨水管网系统水力设计参数优化模型采用自适应遗传算法快速寻找设计参数最优解的具体过程为：在雨水管网系统水力设计参数优化模型中，目标函数设定为节点溢流量与管网造价费用，在MATLAB中首先将雨水管网简化成关联矩阵形式，对雨水管网系统水力设计参数进行二进制编码，然后再建立自适应遗传算法，对雨水管网系统水力设计参数进行选择、交叉、变异运算，并自动修改雨水管网系统水力设计参数值。