市政管網(wǎng)優(yōu)化技術現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

黃玲

摘 要：水資源日益短缺，近些年來情況尤為嚴重，國家及個人都越來越重視水資源的利用。由于目前，我國水資源主要用于城市供水，而市政管網(wǎng)是城市供水系統(tǒng)的主要因子。研究發(fā)現(xiàn)，優(yōu)秀的市政管網(wǎng)能極大提高水資源利用率，故我們亟需對市政管網(wǎng)進行優(yōu)化。本文主要介紹了市政管網(wǎng)優(yōu)化技術現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢。

關鍵詞：市政管網(wǎng) 管網(wǎng)優(yōu)化 優(yōu)化技術

作為世間萬物生存和發(fā)展的基本保證，水資源的重要性不言而喻，它還直接影響著我國社會經濟的發(fā)展[1]。近些年，隨著人口、經濟的快速發(fā)展，人們對水資源的消耗急劇增加，加上人們不合理的利用，水資源短缺已發(fā)展為世界性難題[2]，尤其我國作為一個貧水國家，人均水資源不及世界平均水平的1/4。水資源挑戰(zhàn)更加嚴峻，已經嚴重抑制了我國經濟發(fā)發(fā)展及城鎮(zhèn)化的推進。目前，我國水資源開發(fā)的重點是城市供水，故加強城市供水水資源保護能有效解決我國的水資源短缺問題。作為城市供水系統(tǒng)的重要組成部分，市政管網(wǎng)會直接影響水資源的利用情況，故我們亟需對市政管網(wǎng)進行優(yōu)化，主要有市政管網(wǎng)設計優(yōu)化、布置優(yōu)化等，已達到節(jié)約成本、降低能耗的目的。本文主要介紹了目前國內外市政管網(wǎng)優(yōu)化技術的現(xiàn)狀，并分析了它的發(fā)展趨勢，以期通過本文的介紹為后續(xù)研究者提供一定的理論指導。

1、市政管網(wǎng)優(yōu)化技術現(xiàn)狀

市政管網(wǎng)主要有給水管網(wǎng)、污水管網(wǎng)及雨水管網(wǎng)組成。而管網(wǎng)優(yōu)化是一個設計經濟、數(shù)學、計算機、社會等學科的交叉學科問題，目前廣泛用于石油輸送、城市給排水、建筑給排水等行業(yè)。它主要利用最優(yōu)化理論、根據(jù)相關模型及參數(shù)，確定出于工程實際相符的設計方法，以期獲得最優(yōu)化的管網(wǎng)系統(tǒng)，達到縮小成本、降低能耗、節(jié)約資源的目的。

上世紀60年代，國外就開始了市政管網(wǎng)優(yōu)化設計工作。相對而言，我國起步較晚，從上世紀80年代才開始進行相關優(yōu)化設計工作。目前，總結發(fā)現(xiàn)，市政管網(wǎng)優(yōu)化技術現(xiàn)狀總體分為以下三個方面：

1.1 市政管網(wǎng)優(yōu)化中軟件的應用

為了能在實際應用中有效使用優(yōu)化方法，我們需要將這些優(yōu)化方法轉化為計算機語音，制作成相應的軟件。目前的市政管網(wǎng)優(yōu)化軟件大部分是在Auto CAD基礎上研發(fā)的，如天正給排水、海思德公司研發(fā)的Water CAD、市政管線設計HY-SZGXV4.0及給水系統(tǒng)優(yōu)化軟件。其中，給水系統(tǒng)優(yōu)化軟件的管網(wǎng)解算器是非線性規(guī)劃技術，比傳統(tǒng)軟件速度快、高效。除此之外，還有其他一些市政管網(wǎng)優(yōu)化軟件，如Excel[3]、GAnet等。其中GAnet是在GIS基礎上研發(fā)的管網(wǎng)優(yōu)化軟件，具有可視性，采用的優(yōu)化算法是遺傳算法，具有二次開發(fā)功能。利用這些軟件，可以更精確有效的進行市政管網(wǎng)優(yōu)化設計，極大了節(jié)約了人力和財力，提高了優(yōu)化準確度。

1.2 市政管網(wǎng)優(yōu)化中數(shù)學模型的應用

管網(wǎng)優(yōu)化需要根據(jù)模型模擬實際管網(wǎng)，隨著計算機技術的發(fā)展，目前，管網(wǎng)模型更加圖形化、智能化。總結發(fā)現(xiàn)，常用的市政管網(wǎng)優(yōu)化數(shù)學模型有：非線性模型，1963年該模型由Marquardt D提出，它是根據(jù)最小二乘法優(yōu)化市政管網(wǎng)問題，研究發(fā)現(xiàn)，該模型有不錯的收斂效果；1968年Karmeli etai提出的樹狀網(wǎng)優(yōu)化設計模型，隨后他還在此模型上加以改善，使其更加符合工程實際；1972年Kally提出的環(huán)狀管網(wǎng)優(yōu)化設計線性規(guī)劃模型；1974年Shamir提出的配水系統(tǒng)的優(yōu)化設計模型；等等。這些模型很大程度上模擬了工程實際，但都還存在很多不足，亟需我們對相關模型進行修正，使其更加貼近實際，有助于市政管網(wǎng)優(yōu)化工作的開展。

1.3 市政管網(wǎng)優(yōu)化中算法的應用

目前，市政管網(wǎng)優(yōu)化中算法的種類非常多，除了常見的枚舉法、線性規(guī)劃法、非線性規(guī)劃法、動態(tài)規(guī)劃法，目前應用較多的市政管網(wǎng)優(yōu)化算法還有以下幾種：

1）遺傳算法

該算法在目前市政管網(wǎng)優(yōu)化中應用較多、歷史比較悠久，該算法最早由J.Holland教授在1975年提出，它是一種搜索計算算法，模擬的是達爾文生物進化論中的自然進化及遺傳學中的生物進化。該算法目前已應用在信號處理、組合優(yōu)化、人工生命等各個領域，都取得了不錯的工程效果。研究者[4]也利用該方法進行了大量的市政管網(wǎng)優(yōu)化工作，如呂鑒等人[5]根據(jù)此算法建立了給水管網(wǎng)優(yōu)化模型，并詳細介紹了利用該算法進行優(yōu)化設計的原理和優(yōu)點，并根據(jù)工程實際進行了應用求解。該算法的優(yōu)勢很明顯，缺點就是耗時長。

2）微粒群算法

該算法又被稱為粒子群算法，是由群居鳥類覓食時相互協(xié)作啟發(fā)而產生，1995年美國的兩個科學家提出該算法，每個粒子在該算法中都是一個可能解，他們之間相互作用，尋求最優(yōu)解。由于該方法基于群體迭代，故適合工程實際且相對科學，近些年來得到越來越多研究者關注。已應用于市政管網(wǎng)優(yōu)化，取得的效果也很明顯。

3）蟻群算法

該算法又被稱為螞蟻算法，由螞蟻覓食中螞蟻總走最短路線啟發(fā)而產生。一群低能或物質能的個體相互協(xié)作可產生群體智能行為，從而達到優(yōu)化的目的。最早是1992年被Marco Dorigo博士提出。相關研究者利用該算法進行給水管網(wǎng)優(yōu)化，并取得了不錯的成果。近些年來，也得到越來越多研究者的重視。

2、市政管網(wǎng)優(yōu)化技術的發(fā)展趨勢

市政管網(wǎng)優(yōu)化技術的發(fā)展趨勢大體可分為三個部分：一是，市政管網(wǎng)優(yōu)化會成為未來研究的熱點，市政管網(wǎng)優(yōu)化能節(jié)省能耗，優(yōu)化資源，符合我國的可持續(xù)發(fā)展及節(jié)能減排戰(zhàn)略，是未來節(jié)約水資源的熱點研究方向；二是，研發(fā)出更加成熟的軟件，目前，我們常用的軟件是Excel、CAD等，這些傳統(tǒng)軟件不能滿足可視化等要求，未來，自動化、通用化、集成化、可視化類的市政管網(wǎng)優(yōu)化設計軟件是軟件研發(fā)者的研究方向；三是，拓寬市政管網(wǎng)優(yōu)化領域，目前的市政管網(wǎng)優(yōu)化善處于起步階段，很多研究都不夠深入，我們應該加強各種算法研究、優(yōu)化設計混合管網(wǎng)及環(huán)狀管網(wǎng)、從經濟及可行性方面入手優(yōu)化市政管網(wǎng)。

3、結論

本文主要介紹了市政管網(wǎng)優(yōu)化設計的軟件應用、模型應用及算法應用，并展望了市政管網(wǎng)優(yōu)化技術的發(fā)展方向。近些年來，人們逐漸意識到市政管網(wǎng)優(yōu)化的重要性，并展開了相關研究，取得了不錯的研究效果。但總體而言，市政管網(wǎng)優(yōu)化還存在很多難點，這都是未來研究的熱點方向。希望將來通過更多研究者的努力，可以使市政管網(wǎng)優(yōu)化技術更加成熟高效，為我國的水資源保護作出更多的貢獻。

參考文獻

[1]王明華.我國水資源面臨4大嚴峻挑戰(zhàn)[J].水資源研究，2009（1）： 19-19.

[2]Munir A Hanjra， M Ejaz Qureshi. Global water crisis and future food security in an era of climate change [J]. Food Policy， 2010（35）：365-377.

[3]崔海順.Excel用于排水管網(wǎng)的設計及優(yōu)化[J].中國給水排水，2006（22）： 49-51.

[4]王小平，曹立明.遺傳算法理論應用與軟件實現(xiàn)[M].西安：西安交通大學出版社，2002.

[5]呂鑒，賈燕兵.遺傳算法在水分配系統(tǒng)優(yōu)化設計中的應用研究[J].給水排水.2001， 27（3）：36-39.