[發明專利]一種供水管網預防性更換時機動態優選方法

有效

• 申請號: 202010330707.4
• 申請日: 2020-04-24
• 公開（公告）號: CN111415272B
• 公開（公告）日: 2020-12-08
• 發明（設計）人: 褚俊英;王浩;張土喬;丁相毅;吳晨光;郭新蕾;袁一星
• 申請（專利權）人: 中國水利水電科學研究院
• 主分類號: G06Q50/06
• 分類號: G06Q50/06;G06N3/12;G06Q10/00
• 代理公司: 北京國林貿知識產權代理有限公司 11001
• 代理人: 李瑾;李連生

1.一種供水管網預防性更換時機動態優選方法，其特征在于，包括如下六個步驟：

步驟一，進行供水管網失效率分析與水力學計算：根據歷史記錄數據，進行供水管網失效率分析，得到供水管道失效率與管道參數影響因素的歷史數據統計計量回歸方程，所述管道參數包括管徑、管長、管齡；供水管網的水力學計算，包括節點連續性方程、能量方程以及壓降方程，進行壓力驅動下各個用水節點流量的計算，得到管道依次失效后不同節點實際供水量；

步驟二，設定供水管網維護的經濟性目標：

要求經濟性目標最小化，包括如下目標函數：

Obj₁＝Min(CCTT) (1)

其中，Obj₁為第1個目標函數；Min()為函數取最小值；CCTT為未來規劃期供水管網更換與維護的經濟成本凈現值，元；t為時間，t＝1,2,3……TN，TN為未來規劃期時間，年；j為管道編號，j＝1,2,3…J，J為供水管網中供水管網維護的管道數量，個；D_j為第j個供水管道預防性更換的時機，年；R為年貼現率；％；CC_j,Dj,k為第j個供水管道第k種管材在D_j時間進行預防性更換的建設成本，元；CR_j,t,k和CR1_j,t,k分別為供水管道更換前后第t年第j個供水管道第k種管材的維修成本，元；CL_j,t,k和CL1_j,t,k分別為供水管道更換前后第t年第k種管材第j個供水管道失效后用水中斷導致的水量損失費用，元；CI_j,t,k和CI1_j,t,k分別為供水管道更換前后第t年第k種管材第j個供水管道失效后導致供水管網中其他用水節點供水不足所帶來損失，元；CS_j,t,k和CS1_j,t,k分別為供水管道更換前后第t年第k種管材第j個供水管道失效后導致的間接影響損失，元；

步驟三，設定供水管網維護的可靠性目標：

針對水力可靠性，其目標函數如下：

Obj₂＝Max(REL_t) (3)

其中，Obj₂為第2個目標函數；Max()為函數取最大值；REL_t為第t年供水管網系統的可靠性；j為管道編號，j＝1,2,3……J，J為供水管網中供水管網維護的管道數量；RE_j,t為第j個管道第t年的可靠性；PR_j,t為第j個管道第t年的失效率；R_n,tt為第n個用水節點第tt小時的用水需求量，m³/h；n＝1,2,3,……N,N為供水管網中用水節點的數量，個；tt＝1,2,3……T，T為供水管網的水力學計算時長，h；S_j,n,tt為第j個管道失效后第n個節點第tt小時的管網實際供水量，m³/h；U為供水管道的維修時間，h；AG_j,t為第j個管道第t時間的管齡，年；DI_j為第j個管道的管徑，mm；K₁,K₂為經驗系數，根據歷史數據進行統計分析確定；

步驟四，進行供水管網維護的決策變量概化與染色體基因編碼設計，以降低決策變量的數量；

步驟五，采用帶精英策略的非支配排序遺傳算法優化求解管道預防性維護更換時機問題，包括如下4個分步驟：

1)設定遺傳算法基本參數，包括種群數量、遺傳代數、交叉率和變異率、規劃期時間；

2)進行種群初始化，生成父代種群，針對每個D_j采用隨機生成的方法；

3)非支配排序和目標函數適應度計算：根據步驟二中的公式(1)-(2)設定經濟性目標，根據步驟三中的公式(3)-(7)設定可靠性目標，根據步驟四中染色體基因編碼設計和初始化后的種群，計算該種群目標函數的適應度進行快速非支配排序，將滿足適應度要求的決策變量染色體基因編碼保存下來，不滿足適應度要求的的決策變量則進行交叉和變異生成新的子代，父代和子代進行競爭，從中選取滿足適應度要求的決策變量染色體基因編碼保留下來；

4)將父代、子代種群混合循環計算，進行交叉、變異，非支配排序和適應度計算，保留精英個體，直到得到滿足代數條件的帕累托前沿；

步驟六，綜合權衡識別最優的管網維護方案：

如果供水企業擁有的維護經費大于一定閾值，則在帕累托前沿面上選取可靠性最大的管網維護方案；如果供水企業擁有的維護經費小于一定閾值，則在帕累托前沿面上選取供水可靠性大于一定閾值的維護方案，進行相關規劃、設計與工程實施；

步驟四，概化的方法如下：A、選擇部分風險大的供水管道進行優選決策分析；B、采用遺傳算法的染色體基因編碼設計，將遺傳算法染色體的基因編碼設計為各供水管道更換時間的組合，設計D_j為概化后的決策變量，取值范圍為1-(TN+1)之間的整數，j＝1,2,3……J，J為供水管網中管道的數量，當D_j為TN+1時，表明在規劃期內該供水管道j不進行更換；

步驟五的1)步中：設定種群數量為2000，遺傳代數30，交叉率和變異率都為0.02，規劃期時間TN為10年；

步驟五的2)步中：針對每個決策變量D_j初始值采用隨機生成的方法，具體方法如下：

DR_j＝D_min+(D_max-D_min)×tand(） (8)

D_j＝Ceil(DR_j×(TN+1)) (9)

其中，DR_j為隨機生成的決策變量，為數值在0-1之間的實數；D_j為決策變量，為數值在1-(TN+1)之間的整數；D_min為決策變量最小值，D_max為決策變量最大值，rand()為0-1之間的隨機生成函數；D_min和D_max取值分別為0和1；Ceil()為朝正無窮大方向取整的函數，j＝1,2,3…J，J為供水管網中管道的數量。