给水管网单目标多工况优化设计的研究与应用

论文摘要

为贯彻执行国家“建设资源节约型社会”的发展路线，给水管网的优化设计问题越来越富有战略意义。在满足各种约束条件的前提下，实现管网投资和运行年费用折算值的最小化，一直是给水领域的研究热点之一。现有的给水管网单目标（特指经济性目标）或多目标优化模型，一般都是基于最高日最高时单一工况，没有考虑平均日用水、消防、事故等其它工况，所得的优化结果往往不能满足其它工况下的特殊约束条件，不具有全局可行性，因此不属于全局优化范畴；另外，除了经济性目标以外，其它目标均是难以量化的，因此建立多目标优化模型的条件尚未成熟；再者，虽然进行管网水力、水质模拟的软件很多，但尚未出现一种专门进行给水管网优化设计的通用软件。据此，建立给水管网单目标多工况的优化设计模型，并开发一种通用的给水管网优化设计软件是一项具有现实意义和经济效益的研究课题。本文分别从给水管网优化设计模型和模型的求解算法两方面展开，介绍了各自的发展历史和研究现状，在国内外已有研究的基础上，提出了在满足管网各个用水工况不同的约束条件基础上，以管网造价和泵站运行费用之和的管网年费用折算值最低为单一目标的给水管网单目标多工况优化设计数学模型，并利用排序选择的遗传算法求解该模型。通过一个简单的给水管网算例，提出了进行给水管网单目标多工况优化的必备条件和假设前提，并建立起了一套给水管网单目标多工况的优化流程，将这一流程应用到一个工程实例管网，达到了较为满意的优化效果。根据给水管网单目标多工况优化模型和排序选择的遗传算法理论，基于改进的EPANET2．DLL开发工具——MyEPANET2．DLL，在VC++6．0平台下开发了给水管网优化设计软件WDNOA1．0。该软件采用面向对象的数据结构和DAO数据访问对象的设计方法达到了与Microsoft Access 2000数据库的无缝连接，具有界面友好、支持多种文件格式（．INP和．WDN）、计算速度较快等优点，具有较好的应用前景。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 国内外研究进展
• 1.2.1 给水管网优化设计模型的研究进展
• 1.2.2 给水管网优化设计模型求解算法的研究进展
• 1.3 论文的研究内容和结构
• 1.3.1 论文研究内容
• 1.3.2 论文体系结构
• 第2章 给水管网单目标多工况优化设计模型
• 2.1 给水管网水力计算理论
• 2.1.1 给水管网模型的水力特性
• 2.1.2 恒定流方程组求解方法概述
• 2.2 给水管网优化设计理论
• 2.2.1 管网造价
• 2.2.2 泵站年运行电费
• 2.3 给水管网优化设计的影响因素
• 2.3.1 经济因素的影响
• 2.3.2 管道造价公式参数的影响
• 2.3.3 供水能量变化的影响
• 2.3.4 水质因素的影响
• 2.4 建立给水管网单目标多工况优化模型的必要性
• 2.4.1 单目标单工况优化模型
• 2.4.2 多目标单工况优化模型
• 2.4.3 已有的多工况优化模型
• 2.5 给水管网单目标多工况优化设计计算
• 2.5.1 多工况的选择
• 2.5.2 多工况优化模型的建立
• 2.5.3 多工况优化设计的目的
• 2.5.4 多工况优化设计的特点
• 2.6 小结
• 第3章 多工况优化模型的求解算法
• 3.1 遗传算法
• 3.1.1 遗传算法简介
• 3.1.2 遗传算法基本思想和基本流程
• 3.1.3 遗传算法编码和操作
• 3.2 遗传算法的改进
• 3.2.1 杂乱遗传算法（MGA）
• 3.2.2 并行遗传算法（PGA）
• 3.3 优化过程中约束条件的处理
• 3.3.1 惩罚函数法
• 3.3.2 不可行度法
• 3.3.3 两种约束处理方法的区别
• 3.4 小结
• 第4章 算例及工程应用
• 4.1 算例简介
• 4.2 单目标单工况优化计算
• 4.2.1 适应度特殊处理
• 4.2.2 单工况优化结果
• 4.2.3 单工况优化的不足
• 4.3 单目标多工况优化计算
• 4.3.1 各工况描述及相应约束设置
• 4.3.2 待优化问题描述
• 4.3.3 多工况优化的相关参数设置
• 4.3.4 多工况优化结果
• 4.4 建立单目标多工况优化模型的必要条件和假设前提
• 4.4.1 必要条件
• 4.4.2 假设前提
• 4.5 单目标多工况优化的流程
• 4.6 单目标多工况优化的优点
• 4.7 工程应用
• 4.7.1 工程简介
• 4.7.2 单目标多工况优化计算
• 4.8 小结
• 第5章 软件设计
• 5.1 EPANET2.0简介
• 5.2 基于 EPANET2.DLL二次开发
• 5.2.1 EPANET2.DLL包含的接口函数
• 5.2.2 改进的EPANET2.DLL
• 5.2.3 调用EPANET2.0计算引擎的方法
• 5.3 WDNOA1.0软件设计
• 5.3.1 软件设计环境
• 5.3.2 软件编码原则和程序设计语言
• 5.3.3 软件界面
• 5.3.4 面向对象的数据结构设计
• 5.3.5 数据库设计
• 5.3.6 软件运行
• 5.3.7 计算结果的表达
• 5.3.8 软件的适用条件
• 5.4 小结
• 第6章 结论和建议
• 6.1 结论
• 6.2 建议
• 致谢
• 参考文献
• 附录 A 工程实例单目标多工况优化结果
• 个人简历 在读期间发表的学术论文与研究成果