[發明專利]一種基于改進粒子群算法的市政排水管網智能化排水調度方法

在審

• 申請號: 201710167859.5
• 申請日: 2017-03-20
• 公開（公告）號: CN107145958A
• 公開（公告）日: 2017-09-08
• 發明（設計）人: 曾碧;駱亞琦;張伯泉
• 申請（專利權）人: 廣東工業大學
• 主分類號: G06Q10/04
• 分類號: G06Q10/04;G06Q50/06;G06N3/00
• 代理公司: 廣東廣信君達律師事務所44329
• 代理人: 楊曉松

技術領域

本發明涉及排水管網調度的領域。

背景技術

本發明方法涉及到改進粒子群算法設計，從排水管網中建立相應模型，應用改進粒子群算法選擇當前環境下最佳的排水路線的方法及過程。

與本發明最相近的方法魏洪宇等人《基于改進粒子群算法的城市給水管網優化設計》針對給水管網的設計，提出了一種基于改進粒子群算法的給水管網優化設計方法。

發明內容

目前市政排水管網的調度都是通過人工參與計算的方式來得出最優的排水路線，這樣的方式在效率和準確性上會很大的缺陷。這種方法存在的最大問題是人工手動參與計算，因為人工手動參與計算在數據量龐大的情況下極易出現差錯，同時手工計算的誤差也會很大，誤差的不斷累積最終結果也會出現差錯，這樣就很難得出最優的排水線路。針對這個問題，本發明針對排水管網的排水管道最優路徑選擇的問題，首先從排水管網已建成的情況下，根據已有管網的分布、實時積水狀況和泵站排水效能等參數，動態地構建管網運行模型。根據雨量及分布情況，預先設計合適的排水策略，然后在排水管網模型的基礎上，結合GIS系統提供的坐標位置等信息和排水管網SCADA提供的管道水情況的實時數據，略去水力特征，僅考慮節點和管道之間的關聯關系，將圖簡化為一個加權的有向圖，再根據構建管道時的影響參數計算出從一個頂點到另一個頂點的耗費值，作為圖中元素之間邊的權，以此構造出的加權有向圖來表示排水管網的耗能模型，再采用改進的粒子群算法求取最節能的排水路徑，該算法在常規粒子群算法的基礎上，增加懲罰函數，針對常規粒子群算法早熟以及多樣性丟失問題，采用當前種群與其它種群交換一定量的粒子的方法，來解決早熟和多樣性丟失問題，并完善了算法終止策略，一方面設定最大的迭代次數為算法的終止進程，一方面根據群體的收斂情況為終止進程，設置優化目標以及目標解的結構，獲得快速的求解，得出當前情景下的最優結果，解決了已有管網的最優排水調度問題。

附圖說明

圖1求解最優排水路線的方法流程圖。

具體實施方式

具體實施方式如圖1所示，建立管網模型：首先根據雨量及分布情況，預先選定區域排水方向，然后在選定的區域上，通過地理信息系統(GIS)導出的后綴為shp,shx,dbf文件將地理位置坐標信息讀取出來繪畫出簡單模型，然后建立對應的無向圖模型，同時結合從實際系統中去掉一些比較次要的設施，把排水管網中的某些局部簡化后，保持其功能，且各元素之間的關系不變，用宏觀等效的原則，略去其構造水力特征，僅僅考慮節點和管段之間的關聯關系，構建出管網圖模型。簡化后的管網圖可表示為一個加權的有向圖模型，可用G(V,E)表示，其中V為管道節點集合，即V＝{v1,v2,…,vn}，E為邊集合，即E＝{e1,e2,…,em}，Wij為存在的邊eij的權值(即管道的輸送水的耗費)，P(i,k)為點i到k的一條路徑(k∈V)。從理論上分析，管網的最優拓撲結構應該是樹狀結構，那么管網的圖模型的最后優化結果也應該是樹狀結構。若管道的起始點和終點給定，給定n個管點及兩兩管點之間管段的花費，求一條經過各個管點且僅一次的總耗費。則管網圖優化即為找到一棵有向樹，使得對V中的各節點i，P(i,t)滿足圖G中從i到t的權值最小。該有向樹T即管網優化調度方案。對于管網圖的優化，只需估算管網的總耗費，可以采用的目標函數如式(1)所示：

式(1)中：

W_L為樹狀管網總耗費；Li,j為第i管點到第j管點之間的是否連通；V為管網連接圖的邊的集合。

針對上述的耗費，是由排水管網管道中多個參數的互相關聯約束計算出的花費，具體約束參數有管道流速，管道坡度，管道充滿度，管長等。具體約束參數說明如下：

(1)管道坡度&管道流速：我國室外給排水設計規范規定各種管徑的最小設計坡度。由于管道的坡度影響管道的流速，如果坡度不同，流速也不同，當需要增大流速時，就要通過增設泵機等外設在當前坡度下來增加速度，每當使用外圍設備時，耗費也會相應的增加，所以這也是參與計算影響的參數之一。對于流速又受后面泵站的處理速度約束。流速有最小最大限制即：

Vmin≤V≤Vmax

(2)管道長度：不同的節點之間的管道長度從實際工程中也是不同的。管道的長度對于使用外設來提升管道流速時的耗費也是關鍵因素之一，不同的管道坡度引起管道不同流速，管道的不同流速要達到約束條件的最小值時，在單位管道長度的耗費就不同，所以管道的長度也是計算此管道耗費的關鍵參數。