市政排水管网优化并设计方法探讨(2)

3、已定平面布置下的管道系统优化设计

排水管道优化设计主要是指：对于某一设计管段，当设计流量确定后， 在满足设计规范要求的管径和坡度的多种组合中， 取得管材费用与敷设费用的平衡。 在排水管线平面布置已定情况下， 对于管段管径， 埋深的优化设计， 国内外做了大量研究工作。

（1）线性规划法和非线性规划法

a线性规划法，是针对排水管网设计计算中的约束条件和目标函数的非线性，分别用其一级泰勒公式展开式代替， 用线性规划的解作为问题的近似解， 反复迭代，使迭代序列逼近非线性规划的最优解。缺点是把管径当作连续变量来处理，存在计算管径与市售管径不一致的矛盾，且前期准备工作量大，以后发展的整数规划法， 虽然在一定程度上解决了线性规划的缺点， 但是其整型变量比较多，难以求解。

b非线性规划法适应了计算模型中目标函数和变量的非线性特征， 可以优化选择管道的直径和埋深，但极大限制了目标函数和约束条件的形式。

（2）动态规划法

动态规划法是目前国内外比较常用的一种方法，基本思想是把排水管道设计看作一个多阶段的过程，

通过对设计过程进行阶段划分来对管道进行优化设计。 其应用主要分为两方面

a以节点埋深为状态变量 ，通过坡度决策进行全方位搜索。其优点是直接采用标准管径，结果与初始管径无关，且能控制计算深度，但要求状态点之间的埋深间隔很小，使存储量和时间间隔大为增加。因此在此基础上引入了拟差动态规划法，在动态规划法的基础上引入了缩小范围的迭代过程，但应用有一定的局限性.。

b以管径为状态变量，通过流速和充满度决策。由于可使用的标准管径数目有限，因此在计算速度和存储量上都有很大优势。以后又发展出了可行管径法。 此法使优化计算精度得以提高，并显著减少了计算工作量和计算机存储量。 尽管动态规划法是解决多阶段决策问题的一种有效方法，但在排水管道系统设计计算时，前一段的设计结果将直接影响到后续管段设计参数的选用，因此利用动态规划法求出的污水管道优化设计方案也并不一定是真正的最优方案。

（3）直接优化法

直接优化法是直接对各种方案或可调参数的选择设计计算和比较来得到最优解，具有直观和容易验证的优点。 主要方法有：

a电子表格法是一种启发式的费用估算方法,允许用户寻找最小费用设计，能得出比动态规划法要好的结果而且更符合设计规范的要求.

b两相优化法是设计流量确定后，在满足约束条件的前提下，选取最经济流速和最大充满度进而得到最优管径和最小坡度， 最大限度地降低管道埋深.直接优化法的算法与人工算法基本相同，但受设计人员的能力所限 ，所得结果不尽相同，所以所求结果不一定是最优解。

（4）遗传算法

遗传算法是进化算法一个分支，是模拟生物学中的自然遗传变异机制而提出的随机优化算法。遗传算法在解决中小型管道系统优化设计问题时可以求得最优设计方案。但解决大型管道系统问题时，只能求得趋近于最优解的设计方案 ，在排水管道系统优化设计中，不论采用何种方法，都以设计规范为基本要求，同时使费用达到最小。

随着我国国民经济的快速发展，城市排水管网系统不断进行完善，城市旧有的市政管网系统也需不断改造。在排水管网的设计中，应根据已知设计参数和条件，结合实际情况，进行优化管网的设计。这是排水管网设计的关键问题。

参考文献：

[1]邹世华. 市政排水管网优化与维护方法分析[J]. 中国新技术新产品, 2010,(14)

[2]陆际汉. 市政给水排水管网优化计算的解决方案[J]. 广西城镇建设, 2009,(11)

[3]刘海涛, 李莉. 市政排水管网优化设计的方法[J]. 中国市政工程, 2008,(06)

[4]张新波, 孙延刚, 赵新华. 三叉树理论用于城市排水管网优化设计的研究[J]. 山西建筑, 2010,(33)

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