给水管网优化设计目标的探讨

现有模型研究中的问题
参数的不确定性与方案的稳定性 而现有的一些模型通 不确定性是普遍存在的， ①
常把某些不确定性前提条件 （ 如需水量 ） 简化为一 个确定量， 一旦条件发生变化 （ 如实际需水量不等 于预测 值 ） ， 所 得 到 的 优 化 方 案 就 不 再 是 最 优 解。 如果仅仅是在某一特定前提下获得优化方案 ， 在实 不确定性问题不 际工程中往往难以被认可。 因此， 容忽视。在不确定性前提条件下， 如果找到一个适 应范围更广泛、 更稳定的 （ 对前提条件变化不是很 ） ， 更 敏感的 方案 比在某一特定前提下的最优方案， 容易被工程建设者接受。 因此对方案的稳定性 （ 有 “敏感性 ” ） 分析不仅是必要的， 时也称为 而且可能 比成本最小化更受重视。 ② 目标的多样性 在计算方法相对落后、 计算机运算速度相对较 “年费用折算值” 慢时， 以 为代表的总成本最小化通 Walski 指出： 对某一区域 常是唯一的目标。但是， 的供水， 如果不要求管段的冗余 （ 如环状网 ） ， 仅仅 满足节点水压要求， 则不同设计方案所对应的成本 相差不大。随着成本的降低， 冗余管段减少， 已有管 段管径减小， 管网的供水潜力一般也会降低。 这种 优化是以降低管网服务性能为代价， 换取成本最小 化。虽然节省了成本， 但是不一定满足消防和事故 校核要求， 甚至可能还要加大某些管段的管径才能 通过校核。单目标优化不仅没有充分满足实际问题 而且还带来一定的风险。因此， 现有很多模 的需要， 型已经把多种管网性能要求 （ 如可靠性 ） ， 作为优化 的目标或必须满足的约束条件之一。 但是， 对于具 如何量化等问题， 目前还没有 体采用哪些优化目标、 往往根据具体研究问题的侧重点不同而 统一模式， 有所不同。 ③ 管网全寿命中的老化与更新 从管网全寿命周期的角度看问题， 设计仅仅是 管网资产管理的一个开端， 管道更新是每年都需要 进行管网资产维护管理的工作之一， 可以把管网全 “ 寿命周期中的该过程看做是 老化 → 更新 → 老化 → ……” 这 样 一 个 多 阶 段 的、 不断进行的链式过
对过水能力的考虑显得不足。后者常用于在某些参 数随机变化的情况下， 方案的稳定性分析， 通常需要 并且要 已知随机量的概率密度函数和相应的参数 ， 做多次仿真实验才能得出有说服力的结论 。实际工 有些随机量的分布是未知的， 而且仿真实验的 程中， 计算量一般较大， 对复杂管网的仿真计算有一定难 度。最近十几年更多的是用易于量化的可靠性替代 指标进行衡量， 最简单的指标是最小节点过剩水压 ， 过剩的水压越大， 其可靠性越高。 ① 归纳函数
第 28 卷 第 20 期 2012 年 10 月
中国给水排水
CHINA WATER ＆ WASTEWATER
Vol． 28 No． 20 Oct． 2012
Hale Waihona Puke Baidu
给水管网优化设计目标的探讨
周
1 2 毅 ， 陈永祥
（ 1． 武汉大学 土木建筑工程学院，湖北 武汉 430072 ； 2． 武汉市政工程设计研究院 有限责任公司，湖北 武汉 430015 ） 满足一定约束条件、 使管网年费用折算值最小化， 一直是管网优化模型的基本目标 。 通过与实际工程的要求对比， 发现了现有模型中存在着前提条件和优化目标过于简化的问题 ， 主要 摘 要： 有： 忽视参数的不确定性， 片面追求特定条件下的最优解； 对设计目标的多样性考虑不足， 过分强调 成本最小化； 设计时几乎没有考虑到全寿命周期中的管网老化和更新问题 ； 管网改扩建时忽视现状 管网形成的约束。另外， 还探讨了如何重新理解优化课题， 主要分析了成本和收益的多种含义， 介 绍了可靠性的一些度量指标。指出给水企业追求的主要经济指标是净收益的最大化， 而不是成本 的最小化。 给水管网； 中图分类号： TU991 关键词： 优化设计； 目标函数； 多目标决策； 不确定性 文献标识码： B 文章编号： 1000 － 4602 （ 2012 ） 20 － 0043 － 05
管网系统不仅是给水系统中成本最高的子系 统， 而且其性能直接关系到供水服务质量 ， 因此给水 从理论研究到工程实践都是长 管网优化设计模型，
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中国给水排水 程
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模型前提条件与实际情况相差太大， 降低了模型的 适用性。随着计算方法的改进和运算速度的提高， 逐步减少简化程度， 恢复问题的本来面目， 是值得研 究的问题。 1
Discussion on Optimization Design Objectives of Water Distribution System
ZHOU Yi1 ， CHEN Yongxiang2
（ 1 ． School of Civil Engineering，Wuhan University，Wuhan 430072 ，China； 2 ． Wuhan Municipal Engineering Design and Research Institute Co． Ltd．，Wuhan 430015 ，China） Abstract： The minimization of discounted value of annual costs for a water distribution system has been the primary objective of water distribution system’ s optimization under some constrains． Through the comparison between the optimization models and engineering practice，some oversimplifications of model precondition and optimization objectives were found． The main problems were： onesided pursuit of the optimal solution under certain given conditions due to the neglect of parameter uncertainty； insufficient consideration of the diversified design objectives and overemphasis on costs minimization； design with little consideration of the ageing and renewal of water distribution system in the whole life cycle； ignore the constraints of current water distribution system in renovation and expansion． Moreover，the problem of how to understand the optimization in a new point of view was investigated． The multiple definitions of costs and benefits were analyzed． The diversified measurements of reliability were introduced． The main economic indicator that water supply utilities pursue is the maximization of net benefit rather than the minimization of cost． Key words： tive decision； water distribution system； optimization design； objective function； multiobjecuncertainty 期被关注的热点。 由于计算方法和运算速度的限 制， 以前的模型对管网中的实际情况作了大量简化 。 虽然降低了模型的复杂程度， 利于求解， 但是也导致
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周
毅， 等： 给水管网优化设计目标的探讨
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复杂的局面， 不仅要考虑到参数的不确定性问题和 而且要建立的是多目标优 与之对应方案的稳定性， 化模型。同时， 要意识到管网全寿命周期中的老化 与更新也会对优化设计产生重要影响。 另外， 现状 管网的状况通常也是不可忽视的约束条件 。 2
。不管是最初的优化设计， 还是后面的优化
都要考虑成本和管网性能提高方面的长 更新决策， 远影响， 而不仅限于被动地解决已有问题。 这是一 个多目标（ 至少有成本和收益两种基本对立目标 ） 、 多阶段的动态决策过程， 而且还伴随需水量、 爆管量 等不确定性因素的影响。 在现有的优化设计中， 管网老化的损失和维护 更新的费用通常被简单地按照资产总价值的某一固 定比 例， 折 算 为 折 旧 大 修 费， 计 入 年 费 用 折 算 值。 Jayaram 等［4］的研究发现： 以管网系统的全寿命周期 为考察期， 如果同时考虑管网优化设计、 管道故障和 ， 管道更新 比传统的优化设计得到的管网可靠性更 好。尽管如此， 现有的管网优化设计模型的建立者 更新过程结合考虑， 很少意识到 很少将设计与老化、 在长期的管网服务年限内， 维护更新的费用与决策 和最初的设计方案有密切的联系 。在管网的长期运 行中， 老化和更新的问题充满了不确定性 ， 而且成本 很大、 影响面很广。 此外， 现有的很多优化设计中， 管网老化和维护 没有得到准确 更新所需的成本和管网性能的改变， 和全面的分析。 例如： 管网老化后， 爆管频次的增 管道粗糙度的增加将对管网输水能力、 可靠性、 加、 水质等多方面性能产生影响。而采取不同的管道更 新策略， 也对这些性能的变化产生不同的影响 ， 同时 所需的成本也会不同。另外， 随着城市化， 单位面积 ， 。 的用水量增加 供水服务区域也在增加 管网维护 与更新不仅是为了阻止系统的进一步老化 ， 而且也 是为了调整供水能力。 一般随着用水量分布的变 化， 部分管径也要进行调整。 ④ 现状管网形成的约束 现有的很多管网优化模型是设计一个全新的管 网， 没有任何现状管网的约束。 但是实际工程中更 多的是管网的改建、 扩建和现有管网的维护更新， 这 时现状管网成为不可回避的约束条件， 这是管网设 计与管网改造、 更新最大的不同。除此之外， 管网更 新的目标中一般还包括管道故障次数最小化和改变 管网供水能力等问题。由于优化决策的前提、 约束、 目标特殊性， 使优化设计的某些方法不能直接用于 优化更新。现有研究针对优化设计的较多， 针对优 化更新的较少， 但是随着管网资产的增加和老化 ， 优 。 化更新课题将得到更多的关注 当前很多管网设计课题面临着比传统设计更加
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重新理解优化课题
随着模型研究的进一步深入， 以前简化的一些 前提条件和要求必须得到应有的重视， 对忽视的问 题要重新考虑， 对优化课题也要从新的角度重新理 解。 2. 1 成本和收益的多种含义 几乎所有的管网优化目标都可归纳为两个基本 对立的目标： 成本最小化和收益最大化。 这里对成 本和收益的理解应该是广义的， 不同于传统上的仅 ， 限于经济意义的概念 而且衡量的方法、 指标有多 种。最理想的是同时考虑多种成本和收益， 但是度 量的方法不统一， 会导致模型复杂化。另外， 非货币 化的指标（ 如可靠性） 在时间上的折现也是个难题。 广义的成本可以分为以下三种类型： ① 直接成 本（ 如直接的工程投资、 经济和物质上的损失 ） ； ② 间接成本（ 如管道破裂导致道路和房屋基础的加速 水量或水压 老化） ； ③社会成本 （ 如由于供水中断、 不足， 管道外面的污染渗入等产生的损失 ） 。 其中， 直接成本通常可以用货币化的指标度量， 而间接成 本和社会成本很难用类似的方法度量， 只能采用某 种替代指标。 “效益 ” ）， 广义的收益（ 有时也称为 除了通常所 ， 指经济上的收益之外 一般还包括系统服务水平的 提高。例如： 应对需水量增加的能力增强、 缩短中断 供水服务的时间、 缩小水压不足的程度和范围、 减少 爆管次数等， 其中最主要的是系统可靠性的提高 。 因此， 根据研究的需要， 一般选择主要的成本和收益 指标建立目标函数， 并将另外的一些指标转化成约 束条件， 期望得到的将是一组近似 Pareto 解。 2. 2 系统的可靠性 为了应对运行和维护管理中普遍存在的不确定 性， 必须充分考虑系统的可靠性。 与其寻找某一特 ， 定前提下成本最低的“最优解 ” 不如承认不 确 定 。 性， 牺牲一定的成本， 寻找适应性更好的“可靠解 ” 常见的不确定因素是用水量的变化和管道故障 。 传统的管网可靠性量化方法分别从图论和概率 论的角度提出。 前者侧重于故障时管网的连通性，