供水管网抗震拓扑优化算法研究

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1、中国科学:技术科学2012年第42卷第11期:1351~1360《中国科学》杂志社www.scichina.comtech.scichina.comSCIENCECHINAPRESS论文供水管网抗震拓扑优化算法研究①②③①②*刘威,徐良,李杰①同济大学土木工程防灾国家重点实验室,上海200092;②同济大学建筑工程系,上海200092;③上海核工程研究设计院,上海200233*E-mail:lijie@tongji.edu.cn收稿日期:2011-12-08;接受日期:2012-04-23科技部国家重点实验室基金资助(批准号

2、:SLDRCE09-B-12)和国家自然科学基金(批准号:50808144)资助项目摘要针对供水管网抗震拓扑优化问题,引入管线单元投资重要度的概念评价管网关键词中管线对管网抗震的贡献.在此基础上,将遗传算法、遗传-模拟退火算法、蚁群算法供水管网抗震拓扑优化和微粒群算法等现代组合优化算法应用于供水管网抗震拓扑优化中.通过算例对上述遗传算法算法的优劣进行了对比分析.结果表明:遗传-模拟退火算法表现最好,遗传算法和微遗传-模拟退火算法粒群算法次之,而蚁群算法的搜索性能较差.蚁群算法微粒群算法1引言供水管网一般以网络的形式分布在较大

3、的区域内,它的抗震性能由其拓扑结构和元件的抗震性能作为城市生命线工程的重要组成部分,城市供决定.一般而言,系统的拓扑结构比元件更为重要[2].水管网系统担负着城市工业生产、居民生活供水的任2001年,李杰[3]首先提出利用现代组合优化理论、结务.在近二十年来世界上发生的强烈地震中,供水系合网络抗震可靠度分析进行工程网络抗震优化设计统破坏严重.例如:在1995年的日本阪神大地震中,的思想.2002年,陈玲俐、李杰等人[4]基于抗震功能[1]城市主干管网遭受到了严重破坏.共计出现了约可靠度分析,利用遗传算法对供水管网的抗震拓扑1

4、610处的破坏,大约136万用户断水.更为糟糕的是,优化问题进行了求解.这一工作首次实现了从系统地震导致许多区域发生了大火.由于供水系统瘫痪,的角度来进行管网的抗震拓扑优化.沿着这一思路,消防人员却只能看着大火蔓延而无能为力.因此,城文献[5–7]分别利用模拟退火算法、遗传-模拟退火混市供水管网的设计不仅要保证其在日常运营中的安合算法和微粒群算法进行了供水系统的抗震拓扑优全性,也要保证其在地震后能够满足人民的基本生化设计研究.与此同时,基于抗震连通可靠度分析,活需求.因此,研究供水管网的抗震设计方法,对提文献[8,9]利用遗

5、传算法进行了供燃气管网的抗震拓高供水管网的抗震能力,保障现代城市的生产、生活扑优化设计,文献[10,11]则利用蚁群算法进行了供以及区域经济的安全和发展具有重要的意义.燃气管网的抗震拓扑优化设计,并提出了Benchmark英文版发表信息:LiuW,XuL,LiJ.Algorithmsforseismictopologyoptimizationofwaterdistributionnetwork.SciChinaTechSci,2012,55:30473056,doi:10.1007/s11431-012-4965-8刘威等

6、:供水管网抗震拓扑优化算法研究网络作为校核算法效率的范例.上述算法均可以在3供水管网管线单元重要度分析一定程度上获得较优管网拓扑结构.但这些算法的管网是以网络的形式分布在一个广大的区域内,优劣尚需要进一步对比研究.同时,在上述优化模型不同的管线对管网功能的贡献是不一样的.直觉上,中,尚缺乏投资优化方面的考量.与水源点相连的管线重要性比较大,而远离水源点本文首先介绍了考虑管网建设造价和运行费用的管线重要性相对就要差一些.通过管网中管线单的供水管网抗震拓扑优化模型.然后,提出了2类投元重要度分析,可以为管网系统的优化提供方向.资

7、重要度概念:管线投资重要度和管径投资重要度,对于供水管网来说,管线单元重要度可以通过给出了相应的分析方法,利用一个19个节点28条边以下2种方式来反映.的供水管网比较了2种投资重要度.基于管线投资重1)在一个管网系统中,当某条管线由原来铺设要度,利用不同的组合优化算法进行供水管网抗震变为不铺设,如果整个管网系统中节点的水压变化拓扑优化设计,并进行对比分析,对供水管网的抗震大,则该条管线在管网系统中的重要度大,反之,则优化设计方法提出了建议.重要度小.2)在一个管网系统中,当某条管线的管径值改2城市供水管网系统优化模型的建立变

8、,如果整个管网系统中节点的水压变化大,则该条管线在管网系统中的重要度大,反之,则重要度小.城市供水管网的投入包括管网建设费用和建成上述第一种方式可以称为管线重要度,第二种后的运行管理费用,以管网的拓扑结构以及管线管方式可以称为管径重要度,两种重要度可以采用以径为优化参数,文献[7]建议了如