第5讲 排水管道优化设计.pptVIP

随着计算机的普及和优化理论的不断完善，在排水管渠系统设计中应用优化设计方法已成为重要课题。传统的设计方法根据经验进行初步的优化选择，尽量达到技术先进经济合理，其技术经济分析一般都只考虑几个不同布置形式的方案比较，而不考虑同一布置形式下不同设计参数组合的方案比较。这就造成排水系统设计因设计者而异， 投资也不尽相同。通过计算机进行优化设计，一般可节省投资5~20％左右，因此优化设计很有必要。 排水管渠的优化设计一般涉及三方面的内容： (1)最佳排水分区数量和集水范围的确定； (2)最佳管线布置形式的确定； (3)管线布置形式给定条件下，不同管径、坡度组合的优化。 二 遗传算法用于排水管道系统优化设计 1 引言 遗传算法(Genetic Algorithms，简称GA)是近年迅速发展起来的一项优化技术，该方法源于达尔文的生物进化理论。1975年美国Holland等提出了GA的系统概念和方法，20多年来GA在越来越多的领域中得到了应用．显示了巨大的优越性。本文将简单介绍GA法的基本原理及在排水管道优化设计中的应用。 2 GA法的基本原理 GA法是模拟生物学中的自然遗传而提出的并行随机优化算法，优化对象的所有参数都按一定进制(如二进制等)编码，称为基因码，这样优化对象的任一可行解都可用有限长的多进制数码串来表示。一个数码串称为个体。所有个体的集合称为群体．优化问题的目标函数可看作群体所处的环境．而目标函数的值可用来评价个体对环境的适应程度．即称为适应度．根据这尔文的进化论，群体中的个体进行生存斗争+适应度高的个体有更多的生存机会，通过交配或突然变异而繁殖后代+适应度低的个体将逐渐被淘汰。这样经过逐代进化．最后整个群体就会适应给定的环境，从而得到优化问题的最优解。 * 第5讲 排水管道优化设计 1、概述 2、系统优化分析 3、优化方法和步骤 4、附:重力流雨水管道动态规划系统分析 一 排水管道系统的优化分析 1、概述 城市雨污水管道系统占有较大的投资比例。 雨(污)水管道系统的传统设计方法是一种凭经验进行的方法，可能是一组可行设计参数的组合，不可能满足费用最低的优化设计要求。 雨(污)水管道系统是一个多级串联系统。对单管段，是选择较大管径、减少坡度和埋深, 或是相反，存在一个优化选择的问题; 对整个系统，各管段之间互相联系互相影响，不同管径和坡度有多种组合, 只有前后协调，统筹兼顾，使满足各技术约束条件下的总体造价最少, 才可获得最大的经济效益。从本质上来看，优化设计与传统设计不同之处在于优化设计是一组经济最优的设计参数的组合。 2、系统优化分析 雨(污)水管道系统的优化一般应包括： （1）管道系统平面定线布置的规划优化； （2）在平面定线布置已确定的前提下,对管径、坡度、埋深及泵站配置的优化。 这里讨论第二类优化问题，即包括管道和提升泵站的雨(污)水管道系统管线平面定线位置已定，各管段的汇水面积或负担的排水量已知的情况下，研究管道系统的优化问题。对雨(污)水管道系统的构成及其目标函数和经济学、水力学数学模型等进行讨论；并介绍动态规划优化方法。 (1)目标函数：考虑雨(污)水管道系统的特点，目标函数确定为在其整个服务年限内基建投资和经营费现值的总和最小作为优化目标，即有下述目标函数 式中：CT——整个雨(污)水管道系统总费用的现值 (元)； Ci，Cpj——各管段单价(元／m)和各泵站单价 (元／座)； Li——各管段长度(m)； Qpj—泵站经营费(元／座·年)，可取其主要部分(电费)代替； m和n——系统中管段数和泵站数； K——经营费折算成现值的现值系数。 (2)数学模型：为了确定目标函数中各参数，需对系统的经济学数学模型和水力学数学模型进行分析。 ? (A) 管段单价模型: 根据我国现行价格数据进行回归分析，得出下述较为简单的管段单价模型，即单价只与管径和埋深两变量有关: 经济学参数数学模型 (B)泵站单价模型:一般泵站的单价Cpj与提升的雨(污)水流量Qj(m3／s)和提升的高度Hj (m)有关，但对Hj的相关较弱，其模型： 式中：K2——系数; ω,γ一指数，对某一地区是固定不变的。如中南地区，经分析K2=16.2869，γ=0.3914，ω=0.056。 (C)泵站经营费(电费)模型:根据雨(污)水泵的能耗计算式，可得出泵站的电费模型为： 式中：Z j