乡镇供水管网多目标多工况优化研究

发布时间：2020-09-24 15:20

　　 乡镇供水工程是农村水利和乡镇建设的重要组成部分,对改善居民生活条件、提高居民健康水平、促进水资源统一管理以及加强水利基础地位等方面具有重要意义。研究管网供水系统的优化问题,可以有效减少管网造价和管网后期的运行及管理费用。目前我国对于城市供水管网优化的研究较多,而针对村镇的供水管网优化问题较少。因此本文针对村镇管网系统,从村镇供水管网优化设计角度,以管网的建造费用以及运行管理费用之和定义经济性,以节点平均富余水头定义可靠性,建立经济性和可靠性多目标优化模型,基于MATLAB编程,应用改进遗传算法和NSGA-Ⅱ算法,结合工程算例,对比单目标和多目标优化结果,对比多工况下管网年费用,给出较优方案。主要开展的研究与取得的成果如下:(1)建立基于经济性和可靠性的多目标管网优化模型,并分析供水管网系统的水力特性,以达到确定水源总流量和各个节点的水压,从而满足管网优化过程中满足用户对水量和水压的要求。在管网优化求解过程中的水力计算主要为每个节点的连续性方程、能量方程,以及各个管段之间的压强方程。(2)本文以改进的遗传算法和NSGA-Ⅱ作为管网优化的基础,以LM算法作为非线性方程组的求解算法,基于MATLAB编程,进行管网优化。其中,改进遗传算法的基本步骤包括编码和初始群体形成、适应度值评估、选择操作、交叉操作和变异操作。(3)以两个乡镇供水管网为工程算例,采用十进制遗传编码,种群数设置为100,最大迭代次数设置为200代,分别采用遗传算法和NSGA-Ⅱ算法。其中,NSGA-Ⅱ算法运行次数设置为50次进行优化,分别进行不考虑事故工况时的单目标管网优化和多目标管网优化,以及考虑事故工况时的单目标管网优化和多目标管网优化。(4)工程算例一为一个单水源供水管网,在不考虑事故工况时,仅考虑经济性的单目标优化所得到的管网年费用为200.75万元,节点平均富余水头为14.94 m;同时考虑经济性和可靠性的多目标优化后所得的管网年费用为246.10万元,节点平均富余水头为4.65 m。多目标优化比单目标优化年费用多了45.35万元,即费用增加22.59%。在考虑事故工况时,针对仅考虑经济性的单目标所得管网年费用为227.07万元,节点平均富余水头为8.38 m;同时考虑经济性和可靠性的多目标所得管网年费用为258.87万元,节点平均富余水头为5.34 m;多目标优化比单目标优化年费用多了31.8万元,即费用增加14.0%,富余水头有明显减少。(5)工程算例二为双水源供水管网,中在不考虑事故工况时,仅考虑经济性的单目标优化后所得到的年费用为43.49万元,节点平均富余水头为8.99 m;同时考虑经济性和可靠性的多目标优化后所得的管网年费用为50.80万元,节点平均富余水头为8.57m。多目标优化比单目标优化年费用多了7.31万元,即费用增加16.81%并且富余水头减少;在考虑事故工况时,仅考虑经济性的单目标所得管网年费为53.26万元,节点平均富余水头为12.13 m;同时考虑经济性和可靠性的多目标所得管网年费为56.63万元,节点平均富余水头为10.11 m。多目标优化比单目标优化年费用多了3.37万元,即费用增加6.33%。综合来看,多目标考虑事故工况,虽然年费用较高,但其充分考虑了节点富余水头,并且可以有效降低事故发生率,在实际工程应用中更为可取。从多目标管网优化所得Pareto前沿图可以看出:当年运行费用逐渐增高时,富余水头就逐渐减少,当年运行费用较低时,富余水头则较大。实际工程中应同时兼顾经济性和可靠性。算例研究表明,本文提出的方法可以解决综合考虑经济性和可靠性环状供水管网优化问题。
【学位单位】：西北农林科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：S277.7
【部分图文】：

论文研究框架图

西北农林科技大学硕士学位论文管网多目标优化模型的建立网可靠性参照国内外的相关研究以及理论可以发现，其针对于管网优化的计近年人们对管网优化的可靠性也越来越重视，可靠性即考虑管网的降低管网发生爆管时的事故率以及在管网任一处管段发生爆管时也的条件。管网的可靠性是从三个方面定义的，分别是管网结构的可靠性、管及管网运行的可靠性。本文将从设计方面研究管网优化过程的可靠可靠性定义为满足供水水量，水压以及水质的条件下，降低爆管率，生爆管时，仍能满足用户需水需求，保证供水的连续不断。在所有的置里面，其可靠性以及建造费用的关系展示为下图：

20图 3-1 遗传算法流程图Figure 3-1 Genetic algorithm flow chart） 遗传算法工具箱对 MATLAB 进行观察发现，其聚集了很多的符号计算以及数值分析等功形化语音。在语言的应用范围上可以看出，MATLAB 是经常被大家所看到B 中附带了针对于很多不同领域的 30 多种工具箱，能够很方便快捷的解问题以及计量，除此之外其还可以被很多非线性等式所运用。经过实践发拥有的功能非常多，同时其涉及的领域也非常的广泛。是很多科学领域研计算机在开发的时候也会采用该算法（雷英杰 2005）。在编写管网优化设计计算程序时采用的是 MATLAB 程序语音，根据 N理进行管网优化设计的原理、步骤与过程，编写农村管网优化设计的主程函数子程序等。tlab 遗传算法工具箱提供了常用的基本算法和良好的接口,使用者在解决实

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本文编号：2825900