[发明专利]一种城镇环状给水管网的管径优化布置方法

说明书

一种城镇环状给水管网的管径优化布置方法，属于市政工程和城市供水管网领域，包括：建立当地管材数据库；基于C语言生成管网系统.inp文件；自动创建与当地管材数据库互馈的管径优化模型；提出一种ICS‑EPANET算法对该优化模型进行寻优，具体算法如下：通过随机游走方式和逼近原则生成初始管径矩阵，通过自适应螺旋Lévy飞行和动态发现概率的更新方式，实现与当地管材数据库形成互馈的管径矩阵的更新迭代，通过.inp文件和当地管材数据库的互馈进行EPANET水力判断，获得总投资最小的一组管径组合和一套管网系统信息。本发明有效解决了传统启发式算法确定管径时的不精确性，并适用于复杂系统的管网设计，可全局优化管网建设投资。

技术领域

本发明属于市政工程和城市供水管网领域，涉及一种管径优化布置方法，尤其涉及一种城镇环状给水管网的管径优化布置方法。

背景技术

环状和树状给水管网是城市现代化进程中的重要基础投资。较于树状管网，环状管网由于其地形适应性强、供水可靠性高、检修方便等优点，已成为当前城镇供水系统设计的首选。但环状管网的建设耗资巨大，传统的凭借经验确定管径的设计方式会造成投资的浪费，如果采用以减少投资成本为目标的优化方法进行管径设计，不仅能节省大量的投资成本，而且使给水管网的供水可靠性更高，既保证各需求点的供水要求，也使管网的供水压力不被浪费。随着城市供水需求的不断提高，城镇给水系统的日益复杂，如何在保证供水安全性及可靠性的前提下，开发并应用优化算法以尽可能的减少投资成本已成为当前管网设计的研究热点和关键问题。近些年，科学技术不断进步，计算机技术以及人工智能算法不断发展，这大大促进了启发式算法的发展，通过计算机技术处理给水管网优化设计问题的想法开始被提出。

目前，实际工程中的给水管网管径确定主要依靠的是设计人员的经验，无法做到真正的准确优化，且各类启发式算法各具优缺点，无法直接将其用于给水管网优化设计问题。

发明内容

本发明的目的是针对上述现有技术中存在的不足，提出一种城镇环状给水管网的管径优化布置方法，通过该优化方法可实现在保证供水安全性及可靠性的前提下进行管网管径优化，使得建设投资总费用最低。

本发明的技术方案：一种城镇环状给水管网的管径优化布置方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)获取当地不同管材的给水管商业信息，建立当地的管材数据库；

(2)基于水力分析引擎EPANET，完善城镇环状给水管网系统的初始条件和既定布置方式，输出城镇环状给水管网系统的.net文件；通过C语言读取管网系统.net文件，并在管网系统的初始条件和既定布置方式的各数据层中添加属性类别，创建.inp文件并将属性类别和其对应的管网信息写入；

(3)通过二进制方式读取管网系统.inp文件，根据属性类别自动提取.inp文件中管径优化模型所需的数据信息，并结合当地的管材数据库，自动生成与当地管材数据库互馈的管径优化模型；

(4)给水管网系统的管径矩阵U通过EPANET深度耦合改进布谷鸟算法程序(ICS-EPANET)，完成管网系统的管径矩阵U与当地管材数据库信息互馈的自动迭代优化，确定管网建设投资值最低的管径组合，具体ICS-EPANET算法步骤如下：

(4.1)初始化ICS-EPANET算法参数：设定管径矩阵U的的行数(N)、发现概率上限(Pa_max)、发现概率下限(Pa_min)、最大步长控制因子(α_max)和最大迭代次数(t_max)；

(4.2)t＝1，通过随机游走方式和逼近原则生成初始N×n的管径矩阵U＝(d_ij)_N×n；

(4.3)在第t次迭代中，采用ICS-EPANET对U进行自适应的迭代更新，其迭代公式如下：

自适应螺旋Lévy飞行的更新方式：