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【摘 要】 在供水系统中一个非常重要的部分是给水管网，投资大概占给水系统的百分之五十到八十，给水管网的设计方法的可塑性是非常强的，采用给水管网直接优化设计能够大大降低系统造价或者是年费，给水管网的优化设计是给排水工程中一项非常重要的课题。本文分析了给水管网直接优化设计方法。
【关键词】 给水管网；优化设计；方法
引言：
随着社会经济的快速发展以及城市化进程的加快，我国的经济不断发展，并且人们的生活水平也逐渐提高，因此城市的规模也在不断增大。建设经济适用、安全可靠的给水系统，对人们的生活越来越重要，城市的给水系统主要包括取水、净水以及输配水管网三大部分。其中输配水管网是投资最大的一个部分，占有整个给水工程投资的百分之五十以上，管网运行的消耗主要占有整个成本的百分之四十之上。因此在城市给水工程规划设计工作中，对于管网的优化十分的重要，具有很大的现实意义。优化管网设计，可以提高整个系统的合理布局性，增强供水的安全可靠性，同时还能够节约成本，降低在运行中的耗能，降低维护的费用，从而来提高给水工程的经济效益。
1、管网优化技术研究的发展历程及趋势
管网优化设计的发展最初是在20世纪60年代，那个时候我国的管网优化设计的研究还比较落后。到了这几年，我国这方面的发展是非常快的。管网优化技术研究经历了从单一型向复合型的发展历程，其主要涉及的内容也是比较广泛的，主要包括经典优化理论及应用，主要有线性规划、非线性规划、动态规划法等；启发式算法研究及发展，主要包括的是遺传算法、人工神经网络法；多方法优化，方法主要包括模糊数学、动态规划、遗传算法相结合的方法以及地理信息系统（GIS）等计算机软件相结合的方法。随着科学技术的发展，相关的技术也得到很大的发展，在管网优化计算的主要方法是遗传算法、人工神经网络法、模拟退火算法和和蚁群算法等新型算法，它主要对可视化技术、集成GIS、优化算法等多种管网优化软件进行了开发和研究，其涉及的范围也是相对比较广泛的，其也在不断的进行扩展，主要是提高管网的可靠性和经济性，将环状管网、环状与树状相结合的混合管网的优化布置与设计进行优化。就目前的情况来看，我国的城市给水管网尤其是在大城市基本上已经形成了大型化、复杂化和形式多样化的管网模式，同时也加大了对管网的建设和管理的要求，对于管网的优化在城市给水工程规划设计中占据的位置会越来越重要，成为给水工程规划设计中研究的重要方向之一。
2、给水管网优化设计的原则
城市给水工程是相对比较复杂的系统的工程，所以进行优化设计的时候需要遵循相应的原则，包括：
（1）给水系统进行建设的时候需要兼顾到未来城市的发展。优化设计要结合城市总体规划，对于城市的近、远期供水量及规划布局给水干管系统进行合理的确定。
（2）优化设计的时候要具有针对性的进行设计，特别是解决好城市给水网系统现状存在的主要问题。同时结合现状，深入分析管网及其运行中存在的问题，并采取相应的措施。
（3）通过优化设计，不仅要满足供水需求、保障管网运行安全，同时尽量做到节省投资、降低能耗，同时实际的可操作性要很强。
（4）对现状管道进行合理利用和充分利用，尽量不要出现大拆大建。
3、存在的主要问题
城市给水工程中重要部分是给水管网系统，其也作为了新兴城市或新建开发区的重要工程项目之一。并且，给水管网系统需要的资金非常多，投资偿还期长，所以它的可塑性非常强，对其进行优化设计能够使得工程的投资在很大程度上得到降低。到目前为止，对于管网优化模型的前提假想、建模程序、模型的边界的表述还是不够全面和系统。例如应用遗传算法进行管网优化设计有非常多的优势，但是就目前对其的理论研究还是缺乏全面性，其自身还存在着很多的问题，有待进一步研究。管网优化研究中的另外部分是单一算法的应用。对管网优化设计给出的许多假设和粗略估计，例如对模型给出某些条件假设简化的模型，或采取某些宏观优化方法分配设计流量，然后对其进行优化设计，从而进行全面的寻优。
4、城市给水管网优化设计的措施
给水管网具有输送、存储、分配水资源的功能，担负着为城市各生产和生活用户供水的重要任务，其建设投资大、运行能耗高。因此，在城市给水工程设计中对给水管网系统进行优化设计十分重要。在城市给水工程规划设计中，给水管网优化设计一般采取以下方法：
4.1、结合城市总体规划
《室外给水设计规范》GB50013提出，给水工程设计应按远期规划、近远期结合、以近期为主的原则进行设计，近期设计年限宜采用5～10年，远期规划设计年限宜采用10～20年。因此，城市供水范围、用水量、供水水源及规模必须结合城市总体规划进行确定。
4.2、管网的优化布置
相对于小城市而言，大型城市一般城市建设区的面积都很大，各区域之间存在有不同程度的地形高差，给水系统往往很复杂，管网系统布置有多种形式，需要对不同布局方案进行技术经济比较，才能寻找到最优的管网布置方案。
管网布局方案一般主要考虑输配水干管，而对于次要的、水力条件影响较小的给水支管，则可以忽略。输配水干管的布置和定线应根据城市规划布局、水源及调节池位置、供水区地形地势、大用户的分布，以及河流、铁路、桥梁等的位置等进行合理确定。
4.3、建立给水管网优化设计模型
管网优化设计的数学模型以经济性为目标函数，将其余的作为约束条件，据此建立目标函数和约束条件表达式。传统的城市给水管网优化是一种造价单目标优化，采用的是线性规划的模型，其优化的结果是系统管段管径的合理配置。目前，给水管网优化设计大多采用包含管网、泵站投资建设和运行维修等费用的非线性规划模型，通过数学方法进行管网优化计算，在同时满足设定约束条件的情况下，求解目标函数最小化，使得整个管网系统投资及相应的运行维修费用最低。 4.4、选择优化计算方法
4.4.1、模拟退火算法
模拟退火算法是基于MenteCarlo迭代求解策略的一种随机寻优算法，其出发点是基于物理中固体物质的退火过程与一般组合优化问题之间的相似性。模拟退化算法在某一初温下，伴随温度参数的不断下降，结合概率突跳特性在解空间中随机寻找目标函数的全局最优解，即在局部优化能概率性的跳出并最终趋于全局最优。
在给水管网优化设计的应用中，模拟退火算法可以得到理论上的最优解，虽然控制参数冷却因子的选择影响整个优化设计计算速度和结果，但是相对于传统的优化算法它仍然能获得更好的全局最优解。
4.4.2、神经网络优化算法
人工神经网络是近年来迅速发展起来的前沿课题。人工神经元是生物神经元特性及功能的数学抽象，神经网络通常指由大量简单神经元互连而构成的一种计算结构，它在某种程度上可以模拟生物神經系统的工作过程，从而具备解决实际问题的能力。神经网络优化算法就是利用神经网络中神经元的协同并行计算能力来构造的优化算法，它将实际问题的优化解与神经网络的稳定状态相对应，把对实际问题的优化过程映射为神经网络系统的演化过程。
利用人工神经网络进行给水管网的优化设计，是给水管网优化设计的一个新方向，许多问题处在探索和尝试阶段，但是具有快速计算能力的神经网络是改善和提高给水管网优化设计水平的一个新的突破点。
4.4.3、混合优化算法
给水管网的优化设计问题中，遗传算法是适应性最强的一种优化算法，它具有较好的全局搜索能力，为了得到可靠性强的最优解或次优解，往往将遗传算法和人工神经网络或者模拟退火算法结合起来，构成混合的遗传算法，这为给水管网的优化设计计算带来了新的途径。
4.5、城市给水网改造工程的优化设计方法
给水管网改造优化设计一般采取以下方法和步骤：
4.5.1、调查和收集城市供水量、城市用水量、水厂、管网等基础资料，建立给水管网结构数据库。
4.5.2、根据城市近、远期供目标，规划布局给水管网系统，建立管网水力优化设计模型，进行运行工况模拟，通过管网运行工况模拟发现管网系统存在的问题，分析管网改造需求及可行性。
4.5.3、根据管网运行工况模拟计算及分析结果，分析和评估方案的技术、经济、安全性能，从而寻求最优改造方案，以达到较好的综合效益。
4.5.4、确定现状管网系统改造范围，制定管网改造方案。结合现状城市供水存在的突出问题，分轻重缓急，合理安排给水管网改造计划，有序开展新建供水干管、现状管道管径调整、更换老化和漏损管道、扩建或增加加压泵站等工作。
5、结束语
给水管网进行直接优化设计可以将实际问题进行充分的反映，同时能够被广泛的应用于实际中，所以就目前给水网的现状需要对其进行深入的调查，对原始资料能够熟练的掌握，从实际出发，并同时调研和查询国内外同类型及相似系统。需要注意的是对于总体方案设计、主机及外围设备、数据加工处理等方面要符合实际的需求，从而更好的优化设计并被广泛的应用。
参考文献：
[1]贺忆.给水管网直接优化设计方法研究[D].合肥工业大学，2013.
[2]傅维秀.城市给水管网改扩建优化设计方法研究[D].西安理工大学，2006.
[3]吴学伟，赵洪宾.给水管网直接优化调度的模拟试验研究[J].华南建设学院西院学报，1999，01：28-34.
【关键词】 给水管网；优化设计；方法
引言：
随着社会经济的快速发展以及城市化进程的加快，我国的经济不断发展，并且人们的生活水平也逐渐提高，因此城市的规模也在不断增大。建设经济适用、安全可靠的给水系统，对人们的生活越来越重要，城市的给水系统主要包括取水、净水以及输配水管网三大部分。其中输配水管网是投资最大的一个部分，占有整个给水工程投资的百分之五十以上，管网运行的消耗主要占有整个成本的百分之四十之上。因此在城市给水工程规划设计工作中，对于管网的优化十分的重要，具有很大的现实意义。优化管网设计，可以提高整个系统的合理布局性，增强供水的安全可靠性，同时还能够节约成本，降低在运行中的耗能，降低维护的费用，从而来提高给水工程的经济效益。
1、管网优化技术研究的发展历程及趋势
管网优化设计的发展最初是在20世纪60年代，那个时候我国的管网优化设计的研究还比较落后。到了这几年，我国这方面的发展是非常快的。管网优化技术研究经历了从单一型向复合型的发展历程，其主要涉及的内容也是比较广泛的，主要包括经典优化理论及应用，主要有线性规划、非线性规划、动态规划法等；启发式算法研究及发展，主要包括的是遺传算法、人工神经网络法；多方法优化，方法主要包括模糊数学、动态规划、遗传算法相结合的方法以及地理信息系统（GIS）等计算机软件相结合的方法。随着科学技术的发展，相关的技术也得到很大的发展，在管网优化计算的主要方法是遗传算法、人工神经网络法、模拟退火算法和和蚁群算法等新型算法，它主要对可视化技术、集成GIS、优化算法等多种管网优化软件进行了开发和研究，其涉及的范围也是相对比较广泛的，其也在不断的进行扩展，主要是提高管网的可靠性和经济性，将环状管网、环状与树状相结合的混合管网的优化布置与设计进行优化。就目前的情况来看，我国的城市给水管网尤其是在大城市基本上已经形成了大型化、复杂化和形式多样化的管网模式，同时也加大了对管网的建设和管理的要求，对于管网的优化在城市给水工程规划设计中占据的位置会越来越重要，成为给水工程规划设计中研究的重要方向之一。
2、给水管网优化设计的原则
城市给水工程是相对比较复杂的系统的工程，所以进行优化设计的时候需要遵循相应的原则，包括：
（1）给水系统进行建设的时候需要兼顾到未来城市的发展。优化设计要结合城市总体规划，对于城市的近、远期供水量及规划布局给水干管系统进行合理的确定。
（2）优化设计的时候要具有针对性的进行设计，特别是解决好城市给水网系统现状存在的主要问题。同时结合现状，深入分析管网及其运行中存在的问题，并采取相应的措施。
（3）通过优化设计，不仅要满足供水需求、保障管网运行安全，同时尽量做到节省投资、降低能耗，同时实际的可操作性要很强。
（4）对现状管道进行合理利用和充分利用，尽量不要出现大拆大建。
3、存在的主要问题
城市给水工程中重要部分是给水管网系统，其也作为了新兴城市或新建开发区的重要工程项目之一。并且，给水管网系统需要的资金非常多，投资偿还期长，所以它的可塑性非常强，对其进行优化设计能够使得工程的投资在很大程度上得到降低。到目前为止，对于管网优化模型的前提假想、建模程序、模型的边界的表述还是不够全面和系统。例如应用遗传算法进行管网优化设计有非常多的优势，但是就目前对其的理论研究还是缺乏全面性，其自身还存在着很多的问题，有待进一步研究。管网优化研究中的另外部分是单一算法的应用。对管网优化设计给出的许多假设和粗略估计，例如对模型给出某些条件假设简化的模型，或采取某些宏观优化方法分配设计流量，然后对其进行优化设计，从而进行全面的寻优。
4、城市给水管网优化设计的措施
给水管网具有输送、存储、分配水资源的功能，担负着为城市各生产和生活用户供水的重要任务，其建设投资大、运行能耗高。因此，在城市给水工程设计中对给水管网系统进行优化设计十分重要。在城市给水工程规划设计中，给水管网优化设计一般采取以下方法：
4.1、结合城市总体规划
《室外给水设计规范》GB50013提出，给水工程设计应按远期规划、近远期结合、以近期为主的原则进行设计，近期设计年限宜采用5～10年，远期规划设计年限宜采用10～20年。因此，城市供水范围、用水量、供水水源及规模必须结合城市总体规划进行确定。
4.2、管网的优化布置
相对于小城市而言，大型城市一般城市建设区的面积都很大，各区域之间存在有不同程度的地形高差，给水系统往往很复杂，管网系统布置有多种形式，需要对不同布局方案进行技术经济比较，才能寻找到最优的管网布置方案。
管网布局方案一般主要考虑输配水干管，而对于次要的、水力条件影响较小的给水支管，则可以忽略。输配水干管的布置和定线应根据城市规划布局、水源及调节池位置、供水区地形地势、大用户的分布，以及河流、铁路、桥梁等的位置等进行合理确定。
4.3、建立给水管网优化设计模型
管网优化设计的数学模型以经济性为目标函数，将其余的作为约束条件，据此建立目标函数和约束条件表达式。传统的城市给水管网优化是一种造价单目标优化，采用的是线性规划的模型，其优化的结果是系统管段管径的合理配置。目前，给水管网优化设计大多采用包含管网、泵站投资建设和运行维修等费用的非线性规划模型，通过数学方法进行管网优化计算，在同时满足设定约束条件的情况下，求解目标函数最小化，使得整个管网系统投资及相应的运行维修费用最低。 4.4、选择优化计算方法
4.4.1、模拟退火算法
模拟退火算法是基于MenteCarlo迭代求解策略的一种随机寻优算法，其出发点是基于物理中固体物质的退火过程与一般组合优化问题之间的相似性。模拟退化算法在某一初温下，伴随温度参数的不断下降，结合概率突跳特性在解空间中随机寻找目标函数的全局最优解，即在局部优化能概率性的跳出并最终趋于全局最优。
在给水管网优化设计的应用中，模拟退火算法可以得到理论上的最优解，虽然控制参数冷却因子的选择影响整个优化设计计算速度和结果，但是相对于传统的优化算法它仍然能获得更好的全局最优解。
4.4.2、神经网络优化算法
人工神经网络是近年来迅速发展起来的前沿课题。人工神经元是生物神经元特性及功能的数学抽象，神经网络通常指由大量简单神经元互连而构成的一种计算结构，它在某种程度上可以模拟生物神經系统的工作过程，从而具备解决实际问题的能力。神经网络优化算法就是利用神经网络中神经元的协同并行计算能力来构造的优化算法，它将实际问题的优化解与神经网络的稳定状态相对应，把对实际问题的优化过程映射为神经网络系统的演化过程。
利用人工神经网络进行给水管网的优化设计，是给水管网优化设计的一个新方向，许多问题处在探索和尝试阶段，但是具有快速计算能力的神经网络是改善和提高给水管网优化设计水平的一个新的突破点。
4.4.3、混合优化算法
给水管网的优化设计问题中，遗传算法是适应性最强的一种优化算法，它具有较好的全局搜索能力，为了得到可靠性强的最优解或次优解，往往将遗传算法和人工神经网络或者模拟退火算法结合起来，构成混合的遗传算法，这为给水管网的优化设计计算带来了新的途径。
4.5、城市给水网改造工程的优化设计方法
给水管网改造优化设计一般采取以下方法和步骤：
4.5.1、调查和收集城市供水量、城市用水量、水厂、管网等基础资料，建立给水管网结构数据库。
4.5.2、根据城市近、远期供目标，规划布局给水管网系统，建立管网水力优化设计模型，进行运行工况模拟，通过管网运行工况模拟发现管网系统存在的问题，分析管网改造需求及可行性。
4.5.3、根据管网运行工况模拟计算及分析结果，分析和评估方案的技术、经济、安全性能，从而寻求最优改造方案，以达到较好的综合效益。
4.5.4、确定现状管网系统改造范围，制定管网改造方案。结合现状城市供水存在的突出问题，分轻重缓急，合理安排给水管网改造计划，有序开展新建供水干管、现状管道管径调整、更换老化和漏损管道、扩建或增加加压泵站等工作。
5、结束语
给水管网进行直接优化设计可以将实际问题进行充分的反映，同时能够被广泛的应用于实际中，所以就目前给水网的现状需要对其进行深入的调查，对原始资料能够熟练的掌握，从实际出发，并同时调研和查询国内外同类型及相似系统。需要注意的是对于总体方案设计、主机及外围设备、数据加工处理等方面要符合实际的需求，从而更好的优化设计并被广泛的应用。
参考文献：
[1]贺忆.给水管网直接优化设计方法研究[D].合肥工业大学，2013.
[2]傅维秀.城市给水管网改扩建优化设计方法研究[D].西安理工大学，2006.
[3]吴学伟，赵洪宾.给水管网直接优化调度的模拟试验研究[J].华南建设学院西院学报，1999，01：28-34.