注水系统是油田生产的主要动力系统,同时也是高耗能、高投资的管网系统,如何实现注水系统的节能运行和经济建设是各大油田迫切需要解决的实际问题。多源注水系统结构复杂、点多面广,是一个复杂的流体网络系统。已建注水系统中各注水站的运行状态通过连通网络相互制约,规划新建的注水系统中注水站和配水间的选址耦合着管道的走向,特别对于数以千计节点单元的大型注水系统,开展运行管理和规划设计工作的难度是很大的。目前,油田注水系统的运行管理和建设方案设计均依靠人工凭经验进行,无法实现多方案的高效对比优选,难以保证决策方案的最优性,易造成能量和投资的浪费。本文以大型多源注水系统为研究对象,开展水力分析、运行优化和布局优化研究,包括以下研究内容:首先,在分析了注水系统网络结构特征的基础上,结合并行搜索思想和广度优先搜索算法（BFS）,提出了双向BFS基环求解算法,优化设计了该算法的存储结构,证明了其求解的最优性,复杂度分析和实例计算表明了该算法在计算效率方面相较于朴素BFS算法、邻接矩阵变换法、余树法等经典基环求解方法具有显著优势。以管道总摩阻损失最小为目标函数建立了水力分析初始流量分配优化模型,并采用拉格朗日乘子法求解。基于以上,融合哈代-克罗斯解环法形成了大型多源环-树状注水系统水力分析计算方法。其次,以运行单耗最小为目标函数,建立了大型多源注水系统运行参数优化模型。融合粒子群算法的局部挖掘能力和烟花算法的全局探索能力,将烟花算子嵌入到粒子群算法的流程框架中,构建了舍弃-补充算子、改进的爆炸算子、改进的变异算子,提出了混合粒子群-烟花（PS-FW）智能求解算法。数值实验对比了PS-FW算法和其他8种优秀存世算法的优化性能,分析了PS-FW算法主控参数变化对性能影响的规律。基于庞加莱周期理论和测度论方法,提出了随机优化算法收敛性定理,并基于该定理证明了PS-FW算法的全局收敛性。结合PS-FW算法和水力分析计算方法高效求解了运行参数优化模型。再次,考虑注水系统中多源供给之间的相互作用,以系统运行单耗最小为目标函数,以流量限制、压力限制、管流流动特性等为约束条件,以注水泵的启停状态和运行排量为决策变量,建立了大型多源注水系统运行方案优化数学模型。通过模型的松弛变换和约束条件推导,提出了计算可行开泵数量范围的动态规划法,形成了优化初始可行方案的分枝定界方法。在采用限界思想缩小可行解空间的基础上,结合PS-FW算法和分级优化思想,构建了混合分级-限界-粒子群-烟花求解方法,实现了优化模型的高效、精确求解。之后,基于所提出的障碍隐式表征法、向量积法、包围盒简化法,形成了绕障管道路由优化方法。考虑注水管道长度和管网连通性,建立了注水系统可靠度计算方法。以可靠度最大和建设费用最小为目标函数,建立了大型多源注水系统障碍布局优化数学模型。构建了自适应柯西扰动算子、高斯变异算子和概率转移算子,提出了改进的粒子群优化算法（MPSO）,证明了其全局收敛性,数值实验对比验证了其优异的高维优化求解能力。基于降维规划和模块化思想,提出了格栅剖分集合划分法,分析了其理论基础和复杂度。提出了位域相近模糊集求解法来降低问题维度,给出了其求解注水井隶属关系的最优性证明。优势组合MPSO算法、格栅剖分法和位域相近模糊集法,形成了组合式优化求解策略。最后,基于所取得的研究成果,采用C#程序开发语言,依托于Visual Studio 2010程度开发平台和组件式GIS开发技术,研制了包括文件管理、生产数据管理、图形建模、注水系统水力分析、注水系统运行参数优化、注水系统运行方案优化和注水系统布局优化等主要功能模块的“大型多源注水系统智能决策系统”软件,可实现注水系统的水力分析、运行优化和布局优化等计算决策功能,可以为油田生产建设者提供科学的运行和规划方案。