本技术涉及一种供水管网优化设计方法，具体涉及一种基于控制路径分层优化的供水管网优化设计方法。
背景技术：
1、城市供水管网是城市饮水工程的重要组成部分，随着供水管网范围的不断扩大、长距离输配水工程的增加，供水管网造价在整个供水系统中的比例越来越大，一般为整个工程总投资的50％～80％，供水管网的规划和设计直接影响工程投资和运行管理费用。合理优化供水管网的设计对于节约工程投资、降低运行成本、保障系统安全、提升服务品质、提高工程的经济和社会效益具有重要的意义。
2、传统的供水管网设计方法以《室外给水设计标准》gb 50013-2018、《城市给水工程规划规范》gb 50282-2016等规范为依据，设计人员按照管段主次关系，先根据经验初步设定管径，然后按设计年限内最高日最高时的用水量计算各管段流量，再根据各管段流量以经济流速来进一步确定管径，在此管径基础上，通过平差计算确定管径和水泵扬程，然后校核系统能否满足以下三种用水情况下的水量和水压要求：1、最不利管段发生故障时；2、消防时；3、最大转输时(供水管网中有水塔时)。
3、传统设计方法主要凭借经验对各管段进行设计，没有从整体上考虑供水管网管径选择的合理性和节省费用，往往因为不同设计人员的水平差异，在设计过程中可能要多次修改设计方案，耗费大量的人力成本，存在一定的局限性，且结果并非最优解，往往还存在较大的优化空间。
4、现有的供水管网设计方法中有一些采用智能算法进行管径优化的方法，往往以供水管网费用为目标函数，以各管段管径为决策变量，结合供水管网的连续性方程、能量方程等约束条件进行求解。解决此类优化问题通常采用的智能优化算法包括遗传算法、粒子群算法和蚁群算法等，但它们存在各自的缺点，很难得到稳定的最优解。
5、通过上述分析可以知道，目前的供水管网设计方法在实际运行中存在以下问题：
6、(1)设计人员通常凭借经验选取管径，按照经济流速选取的管径只能保证单管径最优，而无法保证供水管网整体的最优，管径的选择人为性较强，没有从整体上考虑管径与供水管网造价及运行动力费用的关系，往往很难保证供水管网设计方案的经济最优。
7、(2)采用智能算法进行优化的方法计算量较大，收敛速度较慢，且存在得到的结果不稳定、易陷入局部最优解、解得的管径并不符合实际情况、收敛速度慢等问题，导致供水管网优化效率低、难以获得最优解。
技术实现思路
1、本发明提供一种基于控制路径分层优化的供水管网优化设计方法，该方法效率高，可以避免人为经验的不足。
2、本发明提供的技术方案是：
3、第一方面，本技术提供一种基于控制路径分层优化的供水管网优化设计方法，包括：
4、s1、建立供水管网的水力模型；
5、s2、基于供水管网的水力模型，找到供水管网各节点到水厂的最短距离路径集合p；
6、s3、将供水管网中未被最短路径集合p覆盖的管段定义为集合q；对于集合q中各管段，分别找到其分界点，并使各管段在分界点处断开，将分界点两端的管道分别接入该管段两端节点，由此将环状供水管网模型转化成枝状供水管网模型；
7、s4、基于枝状供水管网模型对供水管网中各管段进行流量分配；
8、s5、根据供水管网中各管段分配的流量，按照最低经济流速确定供水管网中各管段的最大管径，并将供水管网中各管段的初始管径调整为标准管径集合中与其最接近且小于等于标准管径集合中最大管径的工程管径；
9、s6、基于供水管网中各管段的初始管径，进行供水管网平差计算，找出供水管网中自由水头最低的点，作为控制点；寻找控制点到水厂的最短路径，作为供水管网的主控制路径；
10、s7、以减小供水管网全生命周期的总费用财务净现值(financial net presentvalue，fnpv)为目标，求解主控制路径的最优管径方案；
11、s8、确定主控制路径的各级分支控制路径；
12、s9、以减小供水管网的建设成本财务净现值为目标，并利用主控制路径的管径优化后各分支控制路径的富余水头进行各级分支控制路径的管径优化，求解各级分支控制路径的最优管径方案；
13、s10、根据主控制路径的最优管径方案和各级分支控制路径的最优管径方案，进行供水管网平差计算，判断供水管网是否满足最不利工况的要求，根据判断结果确定最终的供水管网管径优化设计方案。
14、在一种可能的实现方式中，所述步骤s3中，所述对于集合q中各管段，分别找到其分界点，包括：
15、对于集合q中各管段，分别利用floyd算法找到其中一点，这一点往一边的管段至水厂(水源)的最短距离等于往另一边的管段到水厂的最短距离，将这一点定义为分界点。
16、在一种可能的实现方式中，所述步骤s7，包括：
17、s7.1、初始化t0＝1；
18、s7.2、进行第t0轮优化：
19、s7.2.1、确定n个备选方案，其中每个备选方案为主控制路径上一个管段的管径在当前的管径基础上按标准管径集合中的管径规格缩小一个规格；其中，n为主控制路径上的管段数量；
20、s7.2.2、分别针对各个备选方案，进行供水管网平差计算；
21、s7.2.3、结合平差计算结果，分别求解各个备选方案执行后供水管网总费用财务净现值(financialnetpresentvalue，fnpv)的变化量δfnpv；
22、s7.2.4、基于δfnpv，判断是否存在使供水管网总费用财务净现值降低的备选方案，若不存在，则结束主控制路径上各管段的优化，将主控制路径上各个管段的当前管径方案作为主控制路径的最优管径方案；若存在，则选择使供水管网总费用财务净现值降低最大的备选方案，作为本轮的优化方案，按照本轮的优化方案更新对应管段的管径；
23、s7.2.5、令t0＝t0+1，返回步骤s7.2。
24、在一种可能的实现方式中，所述步骤s7.2.3中，设第一备选方案对应的是供水管网的主控制路径上的第i条管段第j次缩小管径，i＝1,2，…，n；则第一备选方案执行后供水管网总费用财务净现值的变化量δfnpvij为：
25、δfnpvij＝δfnpvoij+δfnpvcij
26、δfnpvcij＝c(d’ij)·li-c(dij)·li
27、
28、式中，δfnpvoij第一备选方案执行后供水管网增加的运行成本财务净现值，其取值为正；δfnpvcij为第一备选方案执行后供水管网减少的建设成本财务净现值，其取值为负；dij为第一备选方案执行前主控制路径上的第i条管段的管径，d’ij为第一备选方案执行后主控制路径上的第i条管段的管径，c(dij)为第一备选方案执行前主控制路径上的第i条管段的单位长度造价，c(d’ij)为第一备选方案执行后主控制路径上的第i条管段的单位长度造价，li为主控制路径上的第i条管段的长度；a’ij为第一备选方案执行后供水管网每年运行成本，aij为第一备选方案执行前供水管网每年运行成本，其中，a’ij和aij与对应管径方案下供水管网的平差计算结果相关，firr为企业的财务内部收益率(％)，firr由企业确定，y为建设年限。
29、在一种可能的实现方式中，所述步骤s8，包括：
30、设主控制路径上的节点为根节点；
31、分别找到与各个根节点相连的分支中自由水头最小的点，作为第1级分支控制点；将各个第1级分支控制点到对应根节点的最短路径，作为第1级分支控制路径；将第1级分支控制路径上的节点作为第1级分支节点；
32、依次类推，分别找到与各个第r级分支节点相连的分支中自由水头最小的点，作为第r+1级分支控制点；将各个第r+1级分支控制点到对应第r级分支节点的最短路径，作为第r+1级分支控制路径；将第r+1级分支控制路径上的节点作为第r+1级分支节点；其中，r＝1,2,...,r-1，第r级分支节点为枝状供水管网模型中的叶子节点；
33、由此，确定供水管网从第1级分支控制路径到第r级分支控制路径。
34、在一些可能的实现方式中，所述步骤s9，包括：
35、s9.1、初始化r＝1；
36、s9.2、求解第r级分支控制路径的最优管径方案：
37、s9.2.1、初始化tr＝1；
38、s9.2.2、确定第tr轮优化的m个备选方案，其中每个备选方案为一个第r级分支控制路径的管径在当前的管径基础上按标准管径集合中的管径规格缩小一个规格，若达到标准管径集合中的最小管径则不再缩小(如市政管道最小管径为dn100)；其中，m为第r级分支控制路径的数量；
39、s9.2.3、分别求解各个备选方案执行后减少的建设成本财务净现值及增加的水头损失δh；
40、s9.2.4、分别比较各个备选方案执行后增加的水头损失δh与相应备选方案执行前相应第r级分支富余水头h；判断是否存在对应的δh<h的备选方案；若不存在，则结束第r级分支控制路径的优化，将第r级分支控制路径的当前管径方案作为第r级分支控制路径的最优管径方案，转步骤s9.2.6；若存在，则将所有δh<h的备选方案中减少的建设成本财务净现值最大的方案，选择作为第tr轮的最优方案，执行该方案，即按照该方案更新管径，转步骤s9.2.5；
41、s9.2.5、令tr＝tr+1，返回步骤s9.2.2；
42、s9.2.6、令r＝r+1，返回步骤s9.2。
43、在一些可能的实现方式中，所述步骤s10，包括：根据主控制路径的最优管径方案和各级分支控制路径的最优管径方案，进行供水管网平差计算，判断供水管网是否满足最不利管段发生故障时、消防时和最大转输时这三种最不利工况的用水量和压力要求，根据判断结果确定最终的供水管网管径优化设计方案。
44、在一些可能的实现方式中，所述根据判断结果确定最终的供水管网管径优化设计方案，包括：若满足，则将主控制路径的最优管径方案和各级分支控制路径的最优管径方案作为最终的供水管网管径优化设计方案；若不满足要求，则考虑对主控制路径的最优管径方案和各级分支控制路径的最优管径方案进行微调，如把主控制路径前段改为双管，最终确定供水管网管径接近主控制路径的最优管径方案和各级分支控制路径的最优管径方案的工程方案，作为最终的供水管网管径优化设计方案。
45、第三方面，本技术提供一种电子设备，包括：存储器和处理器；
46、所述存储器，用于存储计算机程序；
47、所述处理器，用于调用所述计算机程序，以执行如上所述的方法。
48、第四方面，本技术提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质中存储有计算机程序，所述计算机程序在电子设备上运行时，使得所述电子设备实现如上所述的方法。
49、第五方面，本技术提供一种计算机程序产品，包括计算机程序，所述计算机程序在电子设备上运行时，使得所述电子设备实现如上所述的方法。
50、本技术上述第二到第五方面的具体实现方式可以参考上述第一方面的实现方式，在此不进行赘述。
51、有益效果：
52、与现有的供水管网设计方法相比，本技术具有以下优点：
53、(1)与传统的设计方法相比，可以不依赖于工程设计人员的设计经验，避免人为经验的不足，能有条不紊地得到供水管网组合的最优解，便于决策。
54、(2)与现有的一些利用算法进行供水管网优化设计的方法相比，该方法具有可靠的理论依据，不需要复杂算法的多次迭代求解，因此没有这些算法收敛速度慢、易陷入局部最优解、结果稳定性差等问题，收敛速度快，效率高。
55、(3)该方法可以应用于新建供水管网的优化设计，方法可操作性强，可以较快地确定供水管网中的各管段管径，提高供水管网的设计效率，同时考虑了供水管网整体的运行费用，具有广阔的应用前景。
1.一种基于控制路径分层优化的供水管网优化设计方法，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤s3中，所述对于集合q中各管段，分别找到其分界点，包括：
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤s7，包括：
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤s7.2.3中，设第一备选方案对应的是供水管网的主控制路径上的第i条管段第j次缩小管径，i＝1,2，…，n；则第一备选方案执行后供水管网总费用财务净现值的变化量δfnpvij为：
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤s8，包括：
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤s9，包括：
7.一种电子设备，其特征在于，包括：存储器和处理器；
8.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质中存储有计算机程序，所述计算机程序在电子设备上运行时，使得所述电子设备实现如权利要求1至6中任一项所述的方法。
9.一种计算机程序产品，包括计算机程序，其特征在于，所述计算机程序在电子设备上运行时，使得所述电子设备实现如权利要求1至6中任一项所述的方法。
