城市给排水管网优化·管理系统的开发 15页

　　城市给排水管网优化·管理系统的开发-->第1章绪论1.1课题的研究背景及意义1.1.1课题背景2011年6月，一场暴雨彻底解除了江西全省的旱情，却带来了另一个灾难——洪涝，导致部分地区出现水灾。据新华网报道，截至6月6日，已造成江西超过52万人受灾，许多农田受淹，位于长江中游的南昌市水位已经达到41.86米，并逐渐接近警戒线的53.00米，而南昌市政府投资20亿改造的城市五大排水系统在强降水面前显得如此不堪一击。一场降雨打破了许多城市高枕无忧的美梦，也敲响了中国城市给水排水系统工程的警钟。实际上，我国属于水资源严重短缺的国家之一。根据2012年2月国务院发布的《国务院关于实行最严格水资源管理制度的意见》数据[1]，我国人均水资源为2100立方米，仅为世界人均占有量的四分之一。从北京市水务局的数据中看出[2]，北京市人均可再生水拥有量(renewablewaterreserves)更是降至不到100\n立方米，实际上人均可再生水拥有量为500立方米时——这个数字被认为是保持一个社会正常运转的供水底线——北京的水资源就已经开始限制北京市经济的发展。而随着城市化的发展，工业进程的加快，社会对淡水资源的需求量日益增大，水资源短缺已经严重影响到一些城市的经济社会发展和居民正常生活。所以保护水资源，充分利用水资源，是我国建设资源节约型社会的必要条件。而在2012年3\n月召开的十一届全国人大五次会议上，国家总理温家宝也强调，增加污水处理能力，不要以牺牲环境为代价来发展经济。城市水系统(包括供水系统、排水系统、水资源)是城市稳定发展的有力保障，是维护城市的基础设施之一，是城市赖以生存发展的根本，是建设政治稳定、经济繁荣、科技发达、生活富裕的现代化城市的基本条件。其一旦受到损坏，轻则影响生活，重则会使城市瘫痪。因此研究中国城市水系统承载能力，建立城市水系统管理决策模型和水系统预警平台，提升城市水系统的管理决策与实际运行能力，最大限度地用好水资源，对我国经济可持续发展具有重要影响，也是建设和谐社会的根本保障。城市给水、排水系统的建设是一个庞大的系统工程。在给水管道运行中，各级管道把城市用水可靠并且安全地输送到各个用水点，并要求满足水压、水质和水量等条件。因此给水管网的布局的合理性、管网运行的稳定性不仅直接影响到城市居民的日常生活，而且管网改扩建及日常运行维护中所耗用的巨大投资也日益为给水工程相关领域的技术工所关注。所以在整个供水系统中，给水管网部分的投资所占的比重一般要占到工程总投资的50%-80%[3]。而且对于较大城市，保障给水管网正常运行的同时将涉及到庞大的包括能耗和运行管理等费用。对于城市排水系统，也同样要求合理布局，科学管线管理和维护，及时处理故障。因此，在我国目前水资源短缺，城市水系统不完善的背景下，建立良好的城市水资源管理平台就显得尤为重要和迫切。以北京市系统工程研究中心为例[2]，其致力于城市发展、区域发展与管理科学理论、方法及应用问题的研究，建立北京城市水系统研究平台可以有效地促进首都水资源管理、监控技术水平的提升，对于进一步提高研究中心的科技实力至关重要。本课题正是基于此背景，本着响应国家建设资源节约型社会的目标，着力于建设城市给水、排水管网管理系统，并研究先进智能算法在管网管理系统中的应用，以期实现给排水管理系统的优化设计、完善管线管理以达到节约水资源的目标。1.1.2研究意义\n供水服务公司在为市民服务的时候，经常会遇到一下这些问题：管道的修补和铺设工程延期，用水高峰期时间增加，以及由于用水高峰而引起的水压低、水质差等，常常造成断水现象的发生。所有这些问题都严重影响供水服务部门的服务质量。由于所有的信息都与地理位置和网络资源有关，如何迅速获得这些最新的地理信息，是供水服务部门首先应该考虑的问题。另一方面，我国的水资源现状决定了合理使用、有效保护水资源的任务迫在眉睫，水务管理应由以需定供转为以供定需，优化供水系统和产业配置，实现城乡水资源管理一体化。依靠现代科技，解决部分城市水系统安全运行的问题十分必要。而其中由于给排水管网系统的建设和维护费用庞大，在整个城市水系统中所占的比例也最大，引起了国内外学者和工程师们的广泛关注[4-7]。近年来，伴随着城市的迅速发展，传统的供水、排水管网的管理模式已远远不能满足城市供水管网的现代化管理要求。随着城市建设的发展和时间的推移，建立统一的地下管网管理信息系统和信息共享机制尤为重要。建立城市供水系统信息化平台，借助GIS\n等信息资源[8-9]，实现对给水、排水系统关心的数据进行采集、管理、操作、分析、模拟与显示，可以为城市规划设计、建设和城市应急等提供基础数据支撑，进而提高城市运行管理水平。本课题目的在于掌握保证水系统安全运行的各个部分的运行状况，通过信息系统展现出来，为政府相关部门科学决策提供参考，这对于预防重大水系统安全事故、保障城市正常运转有着重大的现实意义。在系统中嵌入优化决策模型，旨在管线的初期建设阶段给出一个较好的建议，对于节省成本，实现城市的数字化、自动化办公，具有重要意义。.......第2章基于改进型混沌粒子群算法的管网优化给水管网(或者配水网络)的优化研究主要是借助相关的优化理论和计算机技术，合理选择和利用网络工程设计的有关技术进行研究与建设，寻找能够实用且满足工程设计要求的简化模型，同时要求这种模型是具有降低建设成本的最优方案，并以此作为工程建设和运行管理的技术基础。传统意义上的给排水管网优化设计方法有枚举法、线性规划法、非法性规划法和动态规划法，由于这些方法大多效率低、耗资大、占用较大的运算存储空间，因此只能解决很少的管网优化问题，随着经济的发展，这些方法已经逐渐不适用于现代高速发展的社会建设。随着计算机技术和数学研究进展，出现了一系列如模仿生物特性的蛙跳算法、蜜蜂算法、遗传算法、蚁群算法(ACO)，也有利用智能控制实现的人工神经网络算法、差分进化算法、粒子群算法(PSO)等，这些方法——特别是粒子群算法——\n由于其具有良好的并行处理能力和计算效率高等特点，已经受到国内外众多学者的重视并得到研究改进。本章将根据粒子群算法和混沌算法结合应用的思想，针对给水管网模型的特殊情况进行算法改进，将一种改进的混沌粒子群算法应用于给水管网优化设计中。2.1粒子群算法介绍粒子群优化算法(PSO)在1995年被Kennedy和Eberhart提出[53]，和其他基于群智能的算法一样，PSO是一种随机优化进化算法，而且由于其是基于群体，因此具有全局寻优能力。此外，由于PSO没有类似于遗传算法那样的交叉变异等操作，简单且易于实现，因此自被提出以来，PSO一直被计算智能等领域的研究人员关注[54-55]。为了克服粒子群易陷入局部极值点、进化后期收敛速度慢、精度较差等缺陷[56]，近年来许多-->研究人员提出了许多改进的粒子群优化算法。文献[57]详细分析了PSO的几种改进算法并提出一种Frankenstein’sPSO的算法，结果表明该方法对于提高收敛速度和精度有一定效果；文献[58]提出一种基于混沌特性的\nPSO，实验结果表明该算法提高了粒子群的全局寻优能力，但运算时间并没有得到显著缩短。混沌(Chaos)是自然界一种常见的现象，是由系统内在的非线性特性产生的一种不规律现象，但其实在看似杂乱的表面下其实蕴含着内在的规律性。混沌粒子群算法(CPSO)正是利用混沌的这种特性进行寻优。而混沌算法应用于粒子群，特别是离散状况下的粒子群时，初期容易出现无目的性，从而使群体无法向最优点靠近，混沌算法对于初始状况敏感的特性，表明混沌变量的选取应该有一定的规律性，如果混沌变量取一个固定值，则对于离散的粒子群很难适用。文中针对混沌粒子群的特点进行了分析和改进，修改控制参量μ并引入粒子群位置的历史数据判断机制，减少多余混沌运算，有效地缩短算法运行时间，提高了寻优的稳定性。2.1.1标准粒子群算法及流程PSO算法可以描述如下：假设一个搜索空间S中有一个粒子种群，种群规模为N，在S的待优化问题中，每个粒子都是一个可行解。该算法通过粒子之间相互的作用(协作和竞争)来进行解寻优。在每次迭代中，每个粒子个体搜索到的最好位置和N个粒子搜索到的最好位置分别称为个体最优和全局最优，用pb和gb表示。因此粒子位置和速度不断更新的过程就是优化问题的运算过程。粒子i的位置和速度根据式(2-1)和(2-2)来运算，通过当前速度Xi、个体最优pbi和全局最优gb来调整自己的飞行速度\nVi和方向，当达到迭代次数限制或满足期望值要求，则终止运算，以最后一次的全局最优值作为问题的解。更新公式如下：X(t1)X(t)V(t1)iii(2-1)[()()](1)()[()()]2211crgbtXtVtVtcrpbtXtiiiii(2-2)式中c1、c2——种群学习因子；r1、r2——两个相互独立的随机数，一般在[0,1]之间取值；ω——惯性系数。......第3章管网管理系统基本功能的设计.......................233.1给水信息管理系统的需求分析与设计......................233.2管网管理系统软件基本功能的实现..........................273.3本章小结....................................36.......第4章地理信息模块的设计............................394.1GIS模块的研究意义...........................394.2ArcGIS软件及其与VS2008\n的联合开发...............394.3GIS模块的设计与实现....................424.4本章小结............................................49.....第5章智能决策模块的设计.......................515.1智能决策模块的研究意义............................515.2智能决策模块的研究与关键技术.....................515.3智能决策模块设计及结果展示......................................545.4本章小结....................................61.....第5章智能决策模块的设计5.1智能决策模块的研究意义\n随着城市的建设和发展，在旧城区的改造和新城区的规划的过程中，必然要考虑到给排水管线的改造、调整和扩建的问题，以便满足用水需求的情况。而在改造和扩建的时候必须根据新旧管线的水压承受情况，合理布局并选择适合的管线，将未来出现爆管等问题的可能性减到最小。因此，调用智能优化算法的运算结果，给决策者和施工单位提供合理建议，既能够较大幅度的降低工程造价，也可以为后续的城市给水优化调度提供基础条件。智能决策模块正是基于这种思想而建立，在给排水管网管理系统中建立相应页面，输入管线相应信息，将数据传入Matlab的管网模型中运算，并将运算结果返回系统该页面，从而使该系统节省运算时间，并通过网站管理系统形式提供给他人使用，将理论算法应用于实际，对于城市给水管线的建设，也具有重要的工程意义[74]。.........结论建设城市给水系统是一个庞大的系统工程。给水管网的布局是否合理、管网运行是否稳定不仅直接影响到城市居民的日常生活，而且管网改建、扩建及日常运行维护所耗用的巨大投资也日益为给水工程领域技术工所关注。在我国目前水资源短缺，城市水系统不完善的背景下，建立城市水管网络系统信息化管理平台，借助GIS\n等信息资源，实现对管网系统关心的数据进行采集、管理、操作、分析、模拟与显示，对于为城市规划设计、建设和城市应急等提供基础数据支撑，进而提高城市运行管理水平，具有重要意义。本文深入分析和总结了国内外给水管网管理的现状，根据实际工程需要建立了具有GIS信息的给水管网管理系统，研究了混沌粒子群算法并针对给水管网的应用进行算法改进，最后通过开发智能决策模块将其嵌入其中。本文的主要研究工作如下：1.深入分析了国内给水管网管理系统的研究现状，分析了国内外应用比较成功的给水管网管理系统如巴黎城市的管线GIS系统，北京、上海、广州的管线管理系统，通过对比国内外管网管理系统的开发和使用情况，总结目前国内开发和使用给水管网管理系统的不足。分析传统的优化算法，并比较智能算法如粒子群算法、蚁群算法在管理系统中的应用，进行了分析，并使用混沌粒子群算法进行给水管网的优化设计。2.从理论上分析了混沌粒子群算法(CPSO)的特性，指出其存在初期搜索无目的性，及对于离散粒子群状况下后期搜索中易陷入局部极小的缺点并进行相应改进，提出一种判断全局适应度平均值的机制来触发混沌搜索，利用环状给水管网模型数据进行仿真实验，实验证明该改进算法能够提高粒子群寻优的能力。分析了混沌参量μ的取值对\nCPSO的影响并对其进行了规定，通过加入粒子历史位置判断机制触发后期的混沌-->运算，实验结果证明该改进方法能够有效地促使粒子种群跳出局部最优，到其他范围寻找潜在最优点，并在稳定性和节省时间方面都有显著改进。3.针对国内给水管网管理的现状，对给管理系统进行了需求分析，确定了系统所要实现的内容，使用SQLSever2005对本系统的数据库进行了总体设计，建立了各个功能的信息表，并设置字段信息，包括人员信息表、管线信息表、实时监控信息表、爆管分析表、预警提示信息表。使用VisualStudio2008实现了给水管网管理系统常规管理方面的几个基本功能：①不同权限的人员登录、查询、人员信息更改；②为管线信息管理提供多种查询方式，较好的实现了城市水系统运行中对给排水管线的信息管理；③对管线关键点和关键位置的实时检测，并显示状态；④爆管事故发生时，快速定位管线信息，提供应该立即关闭的相关阀门信息，并给出合理建议；⑤预警信息的查询和提示，方便对老化管材进行维修和更换。4.介绍并分析了当前最先进的GIS\n技术，分析了在管网管理系统中实现地理信息操作的必要性，详细介绍建立GIS数据库的方法。使用ArcGIS和VS2008联合开发的方式使本系统实现了地理信息及3D模型在管理系统中的应用，使系统操作更具可视性和直观性，将地理信息模块应用于地下管线管理，为地下管网数据的存储、管理、查询提供一个统一的数据管理平台，有利于推进数字化城市的建设进程。5.分析当前优化算法在管理系统中的使用情况，详细介绍了智能决策模块的设计思想、关键技术和实现方法，开发了智能决策模块。结合VS2008和matlab的优势，使用C#对matlab\n进行调用，并将改进的混沌粒子群算法嵌入该模块。实现了优化决策算法在管网管理系统中的应用，实现了在管线铺设阶段提供优化决策的功能。此外，该模块为用户自定义预留了窗口，具有良好的扩展性，可以实现与其他优化决策联合使用。本系统的建立，改变了传统的地下管网手工管理方式效率低下、更新困难、紧急事故处理不及时的状况，实现城市地下管网的高效、现代化的管理和紧急事故的快速、有效处理，而且使管网管理的日常业务工作实现自动化、智能化，大大提高了城市供水排水管网信息中心的数据管理、信息服务能力，为地下管网数据的存储、管理、查询提供一个统一的数据管理平台。本文的研究虽取得一定进展，但仍有很多地方值得进一步研究和改进。从国内环境来讲，给水管网管理系统的发展和优化算法的实现还处于起步阶段，许多地方仍表现出不足之处。但随着理论的深入研究和GIS等技术的发展，该系统必将在更多方面得到改进和应用，表现出巨大的潜力。该系统在以下几个方面值得进一步研究和突破：1.对于算法和模型的深入研究。由于该系统使用的仅是目前已知的一些经典管网模型，因此对于较大规模的实际城市给水管网建设仍表现出很多局限性，通过开发自定义模型的功能，可以帮助用户定义专属模型，得到更广泛的应用。嵌入的优化算法针对不同模型能表现出不同的计算结果，随着理论工作的深入，将更多的智能优化算法嵌入系统，当用户使用时给出合理提示和建议，便于节省运算时间并提高准确性。2.地理信息系统模块的进一步开发。由于GIS技术的地理信息具有直观性和智能分析等优势，GIS技术已经越来越多的应用到各种管理行业，进一步开发GIS技术，例如管线路线调整的影响，爆管就近阀门的最优路径显示等。后续工作通过充分利用GIS\n技术的分析和数据统计，将进一步提高该系统的应用前景。致力于研究城市给水管网的优化算法，有助于从理论层面实现满足工程要求的管网组合，保证在满足要求的基础上降低工程造价；致力于城市给水管网管理系统的开发，有助于提高城市给水管网信息中心的数据管理、信息服务能力，进一步提升管网管理的日常业务工作的自动化、智能化。因此，本文给水管网优化算法研究与管理系统的开发具有一定的理论意义和现实意义。........