城市给水管网系统优化的软件开发
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摘要
给水管网优化系统是一个十分复杂的系统，随着用户对水质、水量要求的提高、供水规模的不断扩大，以及计算机技术的发展，人们逐渐认识到它的重要性。从初始流量分配、管网优化计算到等水压线图的绘制， 这三部分是密不可分的，任何一部分的改进与完善都有利于整体优化效果的提高。
本文将这三部分结合成一个整体，编制成一个软件包，利用计算机的强大计算功能，人工尽可能少的输入数据，达到系统优化的目的。
在初分流量部分，采用最小平方和方法，并考虑管长因素。这种计高幂次管长的最小平方和法分配管网初始流量，既不要预先确定管段水流方向又特别加重考虑了管长的因素，是现有的流量分配方法中最可取的一种，还便于用计算机一并完成全部计算。在管网优化计算部分，采用遗传算法，用自然数编码的方式进行遗传优化，对初始种群的优选，适合度函数中惩罚因子的取值，作了初步的探讨，提高了遗传优化的收敛速度。在绘制给水管网的图形时利用MATLAB在绘图方面的强大功能，实现对等水压线三维立体图的绘制，以及二维着色图、平面标注图。使管网图形表达直观，求解结果便于分析，并对VC++6.0与MATLAB接口问题作了具体的阐述。
本软件在编制过程中，利用VC与MATLAB各自的优势，实现效果最佳，最后通过算例验证它的可行性，并对存在的问题及改进之处提出几点看法。
The system of water supply networks is very complicated. More and more people have already realized its importance,when users have more strict criterion to the quality and quantity of water,the gradually spreading of the scale of water supply networks and the progress of computer technology. From the distribution of initial flow,the optimal calculation of pipe networks and the drawing of the figure on equal hydraulic pressure line,they are connected with each other,if anyone of them is ameliorated,it will improve the total effect.
This thesis will design a software including the three parts,by computer,and make the total effect best,at the same time the data inputed should be fewer.
In initial flow distribution,make use of method of the minimum square summation,taking into account the length of pipe. Using the method of the minimum square summation,counting larger index of pipe length,distribute initiatory flow of pipe networks .It can better considerate the pipe lenth's influence to flow,and it's results are fitter for the theories of flow distribution .It is the best one in all optimal methods and propitious to finish the calculation by computer. In the optimal calculation of pipe networks,using genetic algorithms to optimize,by natural number coding. Then this thesis simply discuss the selection of initial genetic colony and the reasonable value of penalty function multiplier. It improve the constringency speed of genetic algorithms. Then using MATLAB to draw the figure of water supply networks,including the solid figure,the plane dyeing figure and labeled figure. So the method can make the figure intuitionistic and better analysis. The last,the thesis expound detailedly the juncture
MATLAB and VC++6.0 .
During designing the software,using the virtue of MATLAB and VC++6.0,make the effect best and validate the feasibility by an example. The last,the thesis put forward the shortage to the software and have a few own views to betterment later.
本文将这三部分结合成一个整体，编制成一个软件包，利用计算机的强大计算功能，人工尽可能少的输入数据，达到系统优化的目的。
在初分流量部分，采用最小平方和方法，并考虑管长因素。这种计高幂次管长的最小平方和法分配管网初始流量，既不要预先确定管段水流方向又特别加重考虑了管长的因素，是现有的流量分配方法中最可取的一种，还便于用计算机一并完成全部计算。在管网优化计算部分，采用遗传算法，用自然数编码的方式进行遗传优化，对初始种群的优选，适合度函数中惩罚因子的取值，作了初步的探讨，提高了遗传优化的收敛速度。在绘制给水管网的图形时利用MATLAB在绘图方面的强大功能，实现对等水压线三维立体图的绘制，以及二维着色图、平面标注图。使管网图形表达直观，求解结果便于分析，并对VC++6.0与MATLAB接口问题作了具体的阐述。
本软件在编制过程中，利用VC与MATLAB各自的优势，实现效果最佳，最后通过算例验证它的可行性，并对存在的问题及改进之处提出几点看法。
The system of water supply networks is very complicated. More and more people have already realized its importance,when users have more strict criterion to the quality and quantity of water,the gradually spreading of the scale of water supply networks and the progress of computer technology. From the distribution of initial flow,the optimal calculation of pipe networks and the drawing of the figure on equal hydraulic pressure line,they are connected with each other,if anyone of them is ameliorated,it will improve the total effect.
This thesis will design a software including the three parts,by computer,and make the total effect best,at the same time the data inputed should be fewer.
In initial flow distribution,make use of method of the minimum square summation,taking into account the length of pipe. Using the method of the minimum square summation,counting larger index of pipe length,distribute initiatory flow of pipe networks .It can better considerate the pipe lenth's influence to flow,and it's results are fitter for the theories of flow distribution .It is the best one in all optimal methods and propitious to finish the calculation by computer. In the optimal calculation of pipe networks,using genetic algorithms to optimize,by natural number coding. Then this thesis simply discuss the selection of initial genetic colony and the reasonable value of penalty function multiplier. It improve the constringency speed of genetic algorithms. Then using MATLAB to draw the figure of water supply networks,including the solid figure,the plane dyeing figure and labeled figure. So the method can make the figure intuitionistic and better analysis. The last,the thesis expound detailedly the juncture
MATLAB and VC++6.0 .
During designing the software,using the virtue of MATLAB and VC++6.0,make the effect best and validate the feasibility by an example. The last,the thesis put forward the shortage to the software and have a few own views to betterment later.
引文
[1] Dragan A. Savic and Godfrey A. Walters. (1997) "Genetic algorithms for least-cost design of water distribution networks." J. Water Resour. Plng. and Mgmt.,ASCE, 123(2), 67-77.
[2] Angus R. Simpson, Graeme C. Dandy, and Laurence J. Murphy. (1994)"Genetic algorithms compared to other techniques for pipe optimization." J. Water Resour. Plng. and Mgmt., ASCE, 120(4), 423-443.
[3] Goldberg, D. E. and Kuo, C. H. (1987)"Genetic algorithms in pipeline optimization." J. Comp. in Civ. Engrg., 1(2), 128-141.
[4] Goldberg, D. E. (1989) Genetic algorithms in search, optimization and machine learning. Addison-Wesley Publishing co., Reading, Mass.
[5] Godfrey A. Walters and Tilman Lohbeck. (1993) "Optimal layout of tree networks using genetic algorithms." Eng. Opt.,Vol. 22, 27-48.
[6] M. Srinivas, and L. M. Patnaik(1994)"Adaptive Probabilities of Crossover and Mutation in Genetic Algorithms." IEEE Trans. Syst. Man, and Cybernietics, Vol. 24, 656-667.
[7] 严煦世、赵洪滨：《给水管网理论和计算》 中国建筑工业出版社 1986．
[8] 杨钦、范瑾初：《给水工程》(第三版) 中国建筑工业出版社 1988．
[9] 李子富、王晏平：多水源管网水力计算的新方法．《给水排水》1994年第3期．
[10] 王国明、何煜辉：计高幂次管长的分配流量方法．《给水排水》2000年第8期．
[11] 祝健：一种环状给水管网流量优化分配方法．《合肥工业大学学报(自然科学版)》．1999年第2期．
[12] 王永彤：多水源管网平差一般程序的实现．《给水排水》 1992年第1期．
[13] 愈国平：给水管网最优化设计的一个方法，同济大学硕士论文．1980．
[14] 恽为民、席裕庚：遗传算法的全局收敛性和计算效率分析．《控制理论与应用》Vol．13，No．4，1996．
[15] 田弈、刘涛、李国杰：求解可满足性问题的一种高效遗传算法．《模式识别与人工智能》Vol．9，No．3，1996．
[16] 马良：求解优化问题的新趋势——跨学科方法．《自动化博览》．
[17] 刘宝坤等：基于遗传算法的神经网络自适应控制器的研究．《信息与控制》Vol．26，No．4，1997．
[18] 吴志远、邵惠鹤、吴新余：基于遗传算法的退火精确罚函数非线性约束化方法．《控制与决策》Vol．13，No．2，1998．
[19] 孙艳丰、王众托：遗传算法在优化问题中的应用研究进展．《控制与决策》Vol．11，No．4，1996．
[20] 王宏刚、曾建潮：基于Metropolis判别准则的遗传算法．《控制与决策》Vol．13，No．2，1998．
[21] 王雪峰、刘遂庆：基于自然数码遗传算法的给水管网优化程序．《华东给水排水》
[22] 王荣和、姚仁忠、潘建华：遗传算法在给水管网现状分析中的应用．《给水排水》 Vol．26，No．9，2000．
[23] 王文远、Davison Mwale：提高基因算法求管网经济管径计算效率的尝试．《给水排水》 Vol．26，No．2，2000．
[24] 金菊良、杨晓华 等：基因算法的应用及改进．《河海大学学报》 Vol．26，No．2，1998．
[25] 李强、刘遂庆：三角形网格法绘制给水管网等压线．《给水排水》 Vol．25，No．9，1999．
[26] 王凌：《智能优化算法及其应用》 清华大学出版社、施普林格出版社 2001．10．
[27] 清源计算机工作室：《MATLAB6.0基础及应用》 机械工业出版社 2001．5 11~250
[28] 张宜华：《精通MATLAB5》 清华大学出版社 99．6 34~310
[29] 许波、刘征：《MATLAB工程数学应用》 清华大学出版社 2000．4
[30] 王沫然：《MATLAB5．X与科学计算》 清华大学出版社 2000．5
[31] 王艳清、孙锋、朱群雄等译：《MATLAB5手册》 机械工业出版社 2000．5
[32] 蒋长锦：《科学计算和C程序集》 中国科学技术大学出版社 1998．9
[33] 刘志俭 等编著：《MATLAB应用程序接口用户指南》 科学出版社 2000．8
[34] 王浩：《面相对象程序设计C++》 安徽大学出版社 1999．6
[35] 谭浩强：《C程序设计》 清华大学出版社 1991．7
[36] 林俊杰：《Visual C++6.0程序设计经典》 科学出版社 1999．11
[37] 徐得潜：小城镇给水管网设计方法研究．《华东给水排水》 1998．12
[38] 王荣和：给水管网形态多工况优化设计及非稳定状态水力模拟研究．同济大学博士论文 1998
[39] 王国明、吕树清、杜锐：考虑管长因素的初分流量方法探讨．《合肥工业大学学报(自然科学版)》．Vol．25，No．3，2002．
[40] 王国明：环状网给水管网的初始流量分配．《化工给排水设计》 1998年第4期．
[2] Angus R. Simpson, Graeme C. Dandy, and Laurence J. Murphy. (1994)"Genetic algorithms compared to other techniques for pipe optimization." J. Water Resour. Plng. and Mgmt., ASCE, 120(4), 423-443.
[3] Goldberg, D. E. and Kuo, C. H. (1987)"Genetic algorithms in pipeline optimization." J. Comp. in Civ. Engrg., 1(2), 128-141.
[4] Goldberg, D. E. (1989) Genetic algorithms in search, optimization and machine learning. Addison-Wesley Publishing co., Reading, Mass.
[5] Godfrey A. Walters and Tilman Lohbeck. (1993) "Optimal layout of tree networks using genetic algorithms." Eng. Opt.,Vol. 22, 27-48.
[6] M. Srinivas, and L. M. Patnaik(1994)"Adaptive Probabilities of Crossover and Mutation in Genetic Algorithms." IEEE Trans. Syst. Man, and Cybernietics, Vol. 24, 656-667.
[7] 严煦世、赵洪滨：《给水管网理论和计算》 中国建筑工业出版社 1986．
[8] 杨钦、范瑾初：《给水工程》(第三版) 中国建筑工业出版社 1988．
[9] 李子富、王晏平：多水源管网水力计算的新方法．《给水排水》1994年第3期．
[10] 王国明、何煜辉：计高幂次管长的分配流量方法．《给水排水》2000年第8期．
[11] 祝健：一种环状给水管网流量优化分配方法．《合肥工业大学学报(自然科学版)》．1999年第2期．
[12] 王永彤：多水源管网平差一般程序的实现．《给水排水》 1992年第1期．
[13] 愈国平：给水管网最优化设计的一个方法，同济大学硕士论文．1980．
[14] 恽为民、席裕庚：遗传算法的全局收敛性和计算效率分析．《控制理论与应用》Vol．13，No．4，1996．
[15] 田弈、刘涛、李国杰：求解可满足性问题的一种高效遗传算法．《模式识别与人工智能》Vol．9，No．3，1996．
[16] 马良：求解优化问题的新趋势——跨学科方法．《自动化博览》．
[17] 刘宝坤等：基于遗传算法的神经网络自适应控制器的研究．《信息与控制》Vol．26，No．4，1997．
[18] 吴志远、邵惠鹤、吴新余：基于遗传算法的退火精确罚函数非线性约束化方法．《控制与决策》Vol．13，No．2，1998．
[19] 孙艳丰、王众托：遗传算法在优化问题中的应用研究进展．《控制与决策》Vol．11，No．4，1996．
[20] 王宏刚、曾建潮：基于Metropolis判别准则的遗传算法．《控制与决策》Vol．13，No．2，1998．
[21] 王雪峰、刘遂庆：基于自然数码遗传算法的给水管网优化程序．《华东给水排水》
[22] 王荣和、姚仁忠、潘建华：遗传算法在给水管网现状分析中的应用．《给水排水》 Vol．26，No．9，2000．
[23] 王文远、Davison Mwale：提高基因算法求管网经济管径计算效率的尝试．《给水排水》 Vol．26，No．2，2000．
[24] 金菊良、杨晓华 等：基因算法的应用及改进．《河海大学学报》 Vol．26，No．2，1998．
[25] 李强、刘遂庆：三角形网格法绘制给水管网等压线．《给水排水》 Vol．25，No．9，1999．
[26] 王凌：《智能优化算法及其应用》 清华大学出版社、施普林格出版社 2001．10．
[27] 清源计算机工作室：《MATLAB6.0基础及应用》 机械工业出版社 2001．5 11~250
[28] 张宜华：《精通MATLAB5》 清华大学出版社 99．6 34~310
[29] 许波、刘征：《MATLAB工程数学应用》 清华大学出版社 2000．4
[30] 王沫然：《MATLAB5．X与科学计算》 清华大学出版社 2000．5
[31] 王艳清、孙锋、朱群雄等译：《MATLAB5手册》 机械工业出版社 2000．5
[32] 蒋长锦：《科学计算和C程序集》 中国科学技术大学出版社 1998．9
[33] 刘志俭 等编著：《MATLAB应用程序接口用户指南》 科学出版社 2000．8
[34] 王浩：《面相对象程序设计C++》 安徽大学出版社 1999．6
[35] 谭浩强：《C程序设计》 清华大学出版社 1991．7
[36] 林俊杰：《Visual C++6.0程序设计经典》 科学出版社 1999．11
[37] 徐得潜：小城镇给水管网设计方法研究．《华东给水排水》 1998．12
[38] 王荣和：给水管网形态多工况优化设计及非稳定状态水力模拟研究．同济大学博士论文 1998
[39] 王国明、吕树清、杜锐：考虑管长因素的初分流量方法探讨．《合肥工业大学学报(自然科学版)》．Vol．25，No．3，2002．
[40] 王国明：环状网给水管网的初始流量分配．《化工给排水设计》 1998年第4期．