关于城市生态饮用水供水网络优化问题的研究

2017血第1期青海师范大学学报(自然科学版)JournalofQinghaiNormalUniversity(NaturalScience)2O17No．1关于城市生态饮用水供水网络优化问题的研究胡培成，赵宏(1．兰州理工大学计算机与通信学院，甘肃兰州730050；2．青海广播电视大学，青海西宁810008)摘要：生态饮水供应I司题是一个重要的民生问题，获得新的水源供给并扩建原有的排水系统和供水管道系统，是城市发展面临的一个重要课题．通过对西宁市所辖区域内的供水网络最大总供水能力，计算出网络供水最大化流，以此判定做为该城市供水网络是否优化的依据，为决策部门提供相应的数据支持．关键词：城市；供水；网络；优化；问题中图分类号：TP29文献标识码：A文章编号：1001—7542(2017)01—0008—050引言随着现代社会城市化节奏的增快，城镇居民日常用水的矛盾日渐显现出来．对城市水务管理部门和建设部门来讲原有的城市供水网络的设计应用已不能满足需求，改造并建立新的、合理的、优化的城市供水管网系统则是面临的一个棘手的课题．生态饮用水供水网络最大化供水量的问题实质是一个NPHard问题]，是最大化流求解问题．它是一个多对多问题，即多个源结点和多个宿结点，需要在求解多结点、多约束的最大化流问题上需要获得较快的收敛速度和较高质量的全局解．目前，在优化法的研究中，目前已证明运用数学算法模型与应用科学技术相结合所产生的优化方法是最为优化的方法．而在这些优化方法中包含着线性规划方法、约束条件下的优化、无约束条件下的优化、线性约束下的二次规划、离散规划优化、整数规划优化、多目标规划优化等理论和算法内容的通常被认为是解决优化问题的核心方面L2]．对于该问题的解决方法，近年来已不少的学者研究考虑通过一种启发式方法来解决该问题引，其中包括遗传算法Ⅲ、蚁群算法嘲、RBF神经网络算法，这些算法从一定意义上推动并促进了问题的优化，但在实际应用中表现出不足：遗传算法是来自进化算法的一种，带有猜测性质的选择、交换和突变操作，如果此类方法在适应度函数选择不当的情况时有可能收敛于局部最优．而蚁群优化算法是一种模拟生物行为的进化算法，用其来解决供水网络优化问题会出现运算周期长、收敛速度慢等问题；RBF神经算法在解决上述问题时不能准确的解释自己的推理过程和推理依据，将问题的特征变为数字，推理变为数值计算，当数据不充分时神经网络就无法运作．综合以上分析，提出运行线性规划理论建立数学模型，根据数学模型进行算法语言描述，结合运算程序最终实现计算速度快、全局最优解为目标的解决方法的优化方法．因此，在解决城市饮用水供水网络的优化问题方面，首先需要根据当地实际情况及地域特点，转化为建立数学规划模型来求解供水网络最大流问题，通过运算得出优化结果，最终根据优化结论为城市决策部门提供相应的依据．1模型描述1．1问题提出城市饮用水主要来自于水源地通过水管网将城市供水中心(净化)后送至千家万户．西宁市做为省会城基金项目：国家自然科学基金(61262016)；甘肃省高校基本科研基金(14—0220)}甘肃省自然科学基金(1208RJZA239)；兰州市科技项目(2012—2—64)．收稿日期：2016—12—1O作者简介：胡培成(1977一)，男，青海西宁人，硕士生，实验师．研究方向：计算机技术．赵宏(1971一)，男，甘肃西和人，博士，教授．研究方向：并行分布处理、嵌入式系统．第1期胡培成，等：关于城市生态饮用水供水网络优化问题的研究9市其主要由多巴和黑泉两个水库对市区和周边两县进行水源提供．随着城镇化进程的推进，城市人口的不断增加和各方面建设的需求，城市供水的需求量也在不断增加．现有供水网络供水流通量是否满足未来西宁市发展的需要，就需要科技人员提供科学可靠的依据．因此提出运用线性规划法对西宁市所辖的市区和湟中、湟源两县的供水网管供水量进行优化计算，以对未来改造的必要性进行论证．1．2优化方法及模型的数学表达1．2．1问题模型的描述图1是西宁市供水网络示意图．首先建立1O个结点，分别用1到1O标记以表示由供水管网络连接起来的县市，水库，及对应的泵站．三个区域分别为A，B，C即湟中县，湟源县、西宁市．它们的水源供应地为多巴水库和黑泉水库两个水库．水库1(多巴)和水库2(黑泉)的供水能力分别为35km。／h和25km。／h．在图中每条管道上都标出的数字表示为该管道的最大通过量，单位为km。／h．1R图1问题研究的目的是论证现有的供水网络能否满足这些城市十年后的用水量(分别为18，15，20km。／h)．也就是需要通过计算，得出此网络的最大流是否满足十年后的供水需求．1．2．2优化设计将供水网络优化问题建模为一个具有固定总通过量的最大流问题，建立模型的步骤如下：(1)构造一幅图G一(NODES