本文選題：給水管網(wǎng)系統(tǒng)　切入點(diǎn)：排水管網(wǎng)系統(tǒng)　出處：《哈爾濱工業(yè)大學(xué)》2015年博士論文

【摘要】：近年來我國的城市化發(fā)展迅猛,導(dǎo)致供排水行業(yè)中存在“重建設(shè)、輕管理”的現(xiàn)象,使得給水排水管網(wǎng)系統(tǒng)缺乏合理的規(guī)劃設(shè)計(jì)和科學(xué)管理,系統(tǒng)長期處于低效運(yùn)行狀態(tài),這不僅增加了企業(yè)的運(yùn)行維護(hù)成本,也難以向用戶提供滿意的服務(wù)。此外,經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來了嚴(yán)重的環(huán)境問題,可持續(xù)的給水排水管網(wǎng)系統(tǒng)問題未能引起人們的重視。因而本文引入了耐受度理論,建立了給水排水管網(wǎng)系統(tǒng)耐受度的評價(jià)指標(biāo),應(yīng)用在給水排水管網(wǎng)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性、耐受度和可持續(xù)性的多目標(biāo)優(yōu)化問題中。本文指出給水管網(wǎng)在低壓運(yùn)行工況時(shí),基于水量驅(qū)動的給水管網(wǎng)水力模型的計(jì)算偏差問題,開發(fā)了基于壓力驅(qū)動需水量模型,與給水管網(wǎng)全局梯度(GGA)平差方法結(jié)合,改進(jìn)了原有的EPANET程序,并增加了新的應(yīng)用程序編程接口(API)。研究排水管網(wǎng)的動力波模型水力演算方法,擴(kuò)展了排水管網(wǎng)計(jì)算引擎(SWMM)的應(yīng)用程序編程接口。探討了新型的元啟發(fā)式優(yōu)化算法,應(yīng)用經(jīng)典的NSGA-II算法和最近提出的BORG混合多目標(biāo)優(yōu)化算法,求解給水排水管網(wǎng)優(yōu)化問題。通過耐受度的理論研究,提出了給水排水管網(wǎng)系統(tǒng)的耐受度概念。建立三個(gè)新的給水管網(wǎng)耐受度評價(jià)指標(biāo),即可用能量耐受度指標(biāo)、管道水力耐受度指標(biāo)、管徑敏感型流量熵指標(biāo)。在Hanoi基準(zhǔn)測試給水管網(wǎng)上,分別建立成本-耐受度給水管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)模型,得到以耐受度為目標(biāo)的給水管網(wǎng)成本效益平衡關(guān)系�？紤]節(jié)點(diǎn)需水量波動和爆管發(fā)生的不確定性,需水量波動不確定性根據(jù)拉丁超立方采樣方法定量分析,爆管不確定性依據(jù)概率方法,遍歷所有管道失效的可能組合,構(gòu)建基于不確定性擾動的耐受度指標(biāo)評價(jià)框架,提出失效工況數(shù)、失效節(jié)點(diǎn)數(shù)和失效程度三個(gè)評價(jià)指數(shù),分析比較不同耐受度指標(biāo)的抗擾動能力。結(jié)果表明,可用能量耐受度指標(biāo)和管道水力耐受度指標(biāo)的抗擾動能力較強(qiáng),管徑敏感型流量熵指標(biāo)較差,并且它的目標(biāo)空間比較復(fù)雜,需要更多的進(jìn)化代數(shù)才能達(dá)到收斂。將耐受度的概念引入到排水管網(wǎng)中,利用排水管道富余的輸水能力,建立了排水管網(wǎng)耐受度的評價(jià)函數(shù),開發(fā)成本-耐受度排水管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)模型,優(yōu)化排水管道的尺寸與坡度,在FSS基準(zhǔn)測試管網(wǎng)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn),得到了成本與耐受度的平衡關(guān)系。排水管網(wǎng)系統(tǒng)的不確定性主要從污水量變化方面來討論,分析污水量變化可能服從的正態(tài)分布、均勻分布、對數(shù)正態(tài)分布和Weilbull分布四種概率密度函數(shù),利用Chi-square擬合優(yōu)度方法,考察經(jīng)過排水管網(wǎng)水力演算后,污水量不確定性的傳播情況,得出當(dāng)污水量的不確定性服從正態(tài)分布、均勻分布和對數(shù)正態(tài)分布規(guī)律時(shí),特征管道水深統(tǒng)計(jì)量的正態(tài)性比較好,Weibull分布的正態(tài)性較差。考察在不確定污水量的不同分布規(guī)律條件下,平均失效管道數(shù)、平均過載管道數(shù)、總溢流量、檢查井平均水深、排水管網(wǎng)受影響程度、排水管網(wǎng)耐受度和成本之間的相關(guān)性,得出不確定性擾動越劇烈,管道的受影響程度越大,所有指標(biāo)之間的相關(guān)性越顯著。用相關(guān)性分析考察節(jié)點(diǎn)水量變化的協(xié)同性,得出節(jié)點(diǎn)水量的相關(guān)性越大,排水管道水深波動范圍越大,但管道水深均值保持不變。引入實(shí)用優(yōu)化的理念,提出了并行計(jì)算技術(shù)、建立優(yōu)化模型的新思路和交互式擾動干預(yù)的手段,展開了給水排水管網(wǎng)優(yōu)化運(yùn)行工況評估的實(shí)際應(yīng)用。采用消息傳遞(MPI)并行計(jì)算方法,對BORG優(yōu)化算法進(jìn)行了并行化處理,組成了分布式的計(jì)算集群;采用分解建模的思路,降低決策變量空間或目標(biāo)空間的復(fù)雜度;增加交互式擾動干預(yù)策略。提出的三種實(shí)用優(yōu)化技術(shù)都可以達(dá)到加速優(yōu)化算法收斂和降低計(jì)算時(shí)間的目的。分別應(yīng)用D-Town給水管網(wǎng)系統(tǒng)和W-Town排水管網(wǎng)系統(tǒng)做為實(shí)際研究案例,建立成本-耐受度-碳足跡的三目標(biāo)優(yōu)化工況評估模型,采用目標(biāo)函數(shù)權(quán)重求和方法,從最優(yōu)解集中選取管網(wǎng)配置方案,分析所得結(jié)果較為合理,證明目前的優(yōu)化技術(shù)在小城鎮(zhèn)規(guī)模的給水排水管網(wǎng)優(yōu)化問題中實(shí)際應(yīng)用的可行性。
[Abstract]:In recent years , the urbanization of water supply and drainage network system has been developed rapidly , which leads to the lack of rational planning and design and scientific management in water supply and drainage industry . In this paper , the relationship between water quantity uncertainty of water supply and drainage pipe network is studied by using the method of parallel computing , and the relationship between water depth and water depth of water drain pipe network is studied .

【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TU991.33;TU992
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本文編號：1710184