市政管网优化技术现状及发展趋势

黄玲

摘 要：水资源日益短缺，近些年来情况尤为严重，国家及个人都越来越重视水资源的利用。由于目前，我国水资源主要用于城市供水，而市政管网是城市供水系统的主要因子。研究发现，优秀的市政管网能极大提高水资源利用率，故我们亟需对市政管网进行优化。本文主要介绍了市政管网优化技术现状及其发展趋势。

关键词：市政管网 管网优化 优化技术

作为世间万物生存和发展的基本保证，水资源的重要性不言而喻，它还直接影响着我国社会经济的发展[1]。近些年，随着人口、经济的快速发展，人们对水资源的消耗急剧增加，加上人们不合理的利用，水资源短缺已发展为世界性难题[2]，尤其我国作为一个贫水国家，人均水资源不及世界平均水平的1/4。水资源挑战更加严峻，已经严重抑制了我国经济发发展及城镇化的推进。目前，我国水资源开发的重点是城市供水，故加强城市供水水资源保护能有效解决我国的水资源短缺问题。作为城市供水系统的重要组成部分，市政管网会直接影响水资源的利用情况，故我们亟需对市政管网进行优化，主要有市政管网设计优化、布置优化等，已达到节约成本、降低能耗的目的。本文主要介绍了目前国内外市政管网优化技术的现状，并分析了它的发展趋势，以期通过本文的介绍为后续研究者提供一定的理论指导。

1、市政管网优化技术现状

市政管网主要有给水管网、污水管网及雨水管网组成。而管网优化是一个设计经济、数学、计算机、社会等学科的交叉学科问题，目前广泛用于石油输送、城市给排水、建筑给排水等行业。它主要利用最优化理论、根据相关模型及参数，确定出于工程实际相符的设计方法，以期获得最优化的管网系统，达到缩小成本、降低能耗、节约资源的目的。

上世纪60年代，国外就开始了市政管网优化设计工作。相对而言，我国起步较晚，从上世纪80年代才开始进行相关优化设计工作。目前，总结发现，市政管网优化技术现状总体分为以下三个方面：

1.1 市政管网优化中软件的应用

为了能在实际应用中有效使用优化方法，我们需要将这些优化方法转化为计算机语音，制作成相应的软件。目前的市政管网优化软件大部分是在Auto CAD基础上研发的，如天正给排水、海思德公司研发的Water CAD、市政管线设计HY-SZGXV4.0及给水系统优化软件。其中，给水系统优化软件的管网解算器是非线性规划技术，比传统软件速度快、高效。除此之外，还有其他一些市政管网优化软件，如Excel[3]、GAnet等。其中GAnet是在GIS基础上研发的管网优化软件，具有可视性，采用的优化算法是遗传算法，具有二次开发功能。利用这些软件，可以更精确有效的进行市政管网优化设计，极大了节约了人力和财力，提高了优化准确度。

1.2 市政管网优化中数学模型的应用

管网优化需要根据模型模拟实际管网，随着计算机技术的发展，目前，管网模型更加图形化、智能化。总结发现，常用的市政管网优化数学模型有：非线性模型，1963年该模型由Marquardt D提出，它是根据最小二乘法优化市政管网问题，研究发现，该模型有不错的收敛效果；1968年Karmeli etai提出的树状网优化设计模型，随后他还在此模型上加以改善，使其更加符合工程实际；1972年Kally提出的环状管网优化设计线性规划模型；1974年Shamir提出的配水系统的优化设计模型；等等。这些模型很大程度上模拟了工程实际，但都还存在很多不足，亟需我们对相关模型进行修正，使其更加贴近实际，有助于市政管网优化工作的开展。

1.3 市政管网优化中算法的应用

目前，市政管网优化中算法的种类非常多，除了常见的枚举法、线性规划法、非线性规划法、动态规划法，目前应用较多的市政管网优化算法还有以下几种：

1）遗传算法

该算法在目前市政管网优化中应用较多、历史比较悠久，该算法最早由J.Holland教授在1975年提出，它是一种搜索计算算法，模拟的是达尔文生物进化论中的自然进化及遗传学中的生物进化。该算法目前已应用在信号处理、组合优化、人工生命等各个领域，都取得了不错的工程效果。研究者[4]也利用该方法进行了大量的市政管网优化工作，如吕鉴等人[5]根据此算法建立了给水管网优化模型，并详细介绍了利用该算法进行优化设计的原理和优点，并根据工程实际进行了应用求解。该算法的优势很明显，缺点就是耗时长。

2）微粒群算法

该算法又被称为粒子群算法，是由群居鸟类觅食时相互协作启发而产生，1995年美国的两个科学家提出该算法，每个粒子在该算法中都是一个可能解，他们之间相互作用，寻求最优解。由于该方法基于群体迭代，故适合工程实际且相对科学，近些年来得到越来越多研究者关注。已应用于市政管网优化，取得的效果也很明显。

3）蚁群算法

该算法又被称为蚂蚁算法，由蚂蚁觅食中蚂蚁总走最短路线启发而产生。一群低能或物质能的个体相互协作可产生群体智能行为，从而达到优化的目的。最早是1992年被Marco Dorigo博士提出。相关研究者利用该算法进行给水管网优化，并取得了不错的成果。近些年来，也得到越来越多研究者的重视。

2、市政管网优化技术的发展趋势

市政管网优化技术的发展趋势大体可分为三个部分：一是，市政管网优化会成为未来研究的热点，市政管网优化能节省能耗，优化资源，符合我国的可持续发展及节能减排战略，是未来节约水资源的热点研究方向；二是，研发出更加成熟的软件，目前，我们常用的软件是Excel、CAD等，这些传统软件不能满足可视化等要求，未来，自动化、通用化、集成化、可视化类的市政管网优化设计软件是软件研发者的研究方向；三是，拓宽市政管网优化领域，目前的市政管网优化善处于起步阶段，很多研究都不够深入，我们应该加强各种算法研究、优化设计混合管网及环状管网、从经济及可行性方面入手优化市政管网。

3、结论

本文主要介绍了市政管网优化设计的软件应用、模型应用及算法应用，并展望了市政管网优化技术的发展方向。近些年来，人们逐渐意识到市政管网优化的重要性，并展开了相关研究，取得了不错的研究效果。但总体而言，市政管网优化还存在很多难点，这都是未来研究的热点方向。希望将来通过更多研究者的努力，可以使市政管网优化技术更加成熟高效，为我国的水资源保护作出更多的贡献。

参考文献

[1]王明华.我国水资源面临4大严峻挑战[J].水资源研究，2009（1）： 19-19.

[2]Munir A Hanjra， M Ejaz Qureshi. Global water crisis and future food security in an era of climate change [J]. Food Policy， 2010（35）：365-377.

[3]崔海顺.Excel用于排水管网的设计及优化[J].中国给水排水，2006（22）： 49-51.

[4]王小平，曹立明.遗传算法理论应用与软件实现[M].西安：西安交通大学出版社，2002.

[5]吕鉴，贾燕兵.遺传算法在水分配系统优化设计中的应用研究[J].给水排水.2001， 27（3）：36-39.