淺談市政管網(wǎng)優(yōu)化技術(shù)現(xiàn)狀與趨勢(shì)

■鄺 瑩 ■武漢市燃?xì)鉄崃こ逃邢薰?，湖?武漢 430000

市政管網(wǎng)優(yōu)化是一門(mén)綜合性的學(xué)科，不僅包括技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)體系，相關(guān)的計(jì)算機(jī)功能、最優(yōu)化數(shù)學(xué)理論。管網(wǎng)優(yōu)化的主要目標(biāo)是構(gòu)建數(shù)學(xué)模型，采用最優(yōu)化技術(shù)和理論，參照設(shè)計(jì)的最佳參數(shù)。首先要設(shè)計(jì)基礎(chǔ)的工程方案，在優(yōu)化工程施工建設(shè)和發(fā)展的基礎(chǔ)上，達(dá)到最大的管網(wǎng)建設(shè)的經(jīng)濟(jì)效益。市政管網(wǎng)優(yōu)化技術(shù)的發(fā)展主要包括:在市政管網(wǎng)優(yōu)化過(guò)程中，可以采用經(jīng)典的優(yōu)化理論，主要包括線性和非線性規(guī)劃法，動(dòng)態(tài)規(guī)劃法。在市政管網(wǎng)優(yōu)化過(guò)程中，還包括多種啟發(fā)性算法，可以進(jìn)行縱向推進(jìn)。其中經(jīng)典的算法包括人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、遺傳算法。在市政管網(wǎng)優(yōu)化中的橫向混合方法主要有動(dòng)態(tài)規(guī)劃法，線性規(guī)劃法，遺傳算法等。管網(wǎng)優(yōu)化主要采用分級(jí)優(yōu)化的技術(shù)，逐漸從傳統(tǒng)的算法演變到新型的算法。市政管網(wǎng)優(yōu)化技術(shù)在市政建設(shè)中非常重要。

1 市政管網(wǎng)設(shè)計(jì)的現(xiàn)狀

1.1 管網(wǎng)設(shè)計(jì)不合理

在城市化進(jìn)程加快的過(guò)程中，市政管網(wǎng)的覆蓋密集度也在增加，建設(shè)速度也在飛速加快。在此情況下，應(yīng)該更新排水系統(tǒng)和原來(lái)的管網(wǎng)系統(tǒng)，加強(qiáng)二者之間的配合連接。但是，新系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和配置存在很多問(wèn)題。首先，主要是基礎(chǔ)設(shè)施的規(guī)劃和設(shè)計(jì)明顯不合理，主要在重要城市建筑物的規(guī)劃，重要道路工程管線的配套。其次，設(shè)計(jì)師在工程管線的設(shè)計(jì)中不合理，沒(méi)有充分考慮到規(guī)劃的合理性。只有結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，才能科學(xué)設(shè)計(jì)綜合管線。在規(guī)劃管道的容量、管道坡度時(shí)，設(shè)計(jì)人員主要憑借經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)和調(diào)整。但是設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)和能力都不足。最后，在設(shè)計(jì)方法上，很多工程技術(shù)人員一般采用圖集、傳統(tǒng)計(jì)算的模式進(jìn)行計(jì)算，已經(jīng)形成了一定的工作思路，影響了工作效率。

1.2 環(huán)境因素和材質(zhì)質(zhì)量導(dǎo)致的漏失現(xiàn)象

當(dāng)前我國(guó)很多城市使用的市政管網(wǎng)都是在原來(lái)管網(wǎng)上的擴(kuò)充，這樣會(huì)影響到管網(wǎng)的穩(wěn)定性。導(dǎo)致管網(wǎng)的管材老化、破舊。在很多城市建設(shè)中，很多本該退休的管網(wǎng)還在使用，如果對(duì)管網(wǎng)缺乏管理，就會(huì)出現(xiàn)管線壓力過(guò)大，造成管網(wǎng)供水能力退化。

1.3 當(dāng)前配置存在問(wèn)題不能滿足事故的需要

1.3.1 工程資料數(shù)據(jù)存在安全隱患

在建設(shè)城市管網(wǎng)時(shí)，如果施工人員不事先了解地下管線的情況，在工程施工中，就會(huì)出現(xiàn)道路路面壓力過(guò)大，擠爆排水管道的現(xiàn)象。爆管后，很多管道系統(tǒng)部分功能已經(jīng)退化，不能及時(shí)了解到排水量的變化。外界反而會(huì)先了解企業(yè)爆管的事故，不僅浪費(fèi)了水資源，也影響了企業(yè)正常的營(yíng)業(yè)活動(dòng)。

1.3.2 管網(wǎng)污染問(wèn)題

在南方的水廠管網(wǎng)的污染非常嚴(yán)重，特別是在夏季排澇期間，水源極度惡化，水質(zhì)變差，已經(jīng)變質(zhì)到了一定的程度。如果在水源附近，水源都會(huì)被污染，那么就需要關(guān)閉供水的設(shè)施，及時(shí)挽救水質(zhì)污染的問(wèn)題。但是，關(guān)閉供水范圍，只能實(shí)現(xiàn)大面積的停水，管網(wǎng)子系統(tǒng)的功能受到嚴(yán)重影響。

1.3.3 重視泄洪問(wèn)題

泄洪問(wèn)題在我國(guó)是一個(gè)嚴(yán)重的問(wèn)題，因?yàn)殡S著天氣變化，夏天突然強(qiáng)降水，一時(shí)間排水系統(tǒng)來(lái)不及排出所有的地下水，導(dǎo)致一些城市街道大面積積水，危害人們的生命和財(cái)產(chǎn)安全。

2 市政管網(wǎng)優(yōu)化技術(shù)主要事項(xiàng)

2.1 優(yōu)化排水管線的布局

首先，要設(shè)計(jì)一個(gè)科學(xué)、合理的管網(wǎng)系統(tǒng)，在布置管網(wǎng)時(shí)應(yīng)按照城市規(guī)劃的要求，充分考慮到管網(wǎng)的整體系統(tǒng)和原有體系的擴(kuò)張。其次，在對(duì)管網(wǎng)施工時(shí)，要做好設(shè)計(jì)的工作，結(jié)合具體的工程情況。在鋪設(shè)管網(wǎng)時(shí)，要考慮到排水地區(qū)的地形和地貌，仔細(xì)檢查水源條件，調(diào)節(jié)池。還要注意周?chē)h(huán)境對(duì)管網(wǎng)施工的影響，比如周邊的河流，公路、鐵路和地鐵等交通設(shè)施對(duì)市政工程的影響。為了控制排水水壓和水量，應(yīng)該仔細(xì)檢查管道的施工過(guò)程，對(duì)管網(wǎng)施工中出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行及時(shí)維護(hù)和檢修。在維修的過(guò)程中，要盡量保持線路最短，節(jié)約管網(wǎng)的用料，也可以更加高效地完成工作。同時(shí)，需要注意，管網(wǎng)應(yīng)該呈現(xiàn)環(huán)狀或者枝狀分布。最后，在管網(wǎng)施工過(guò)程中，應(yīng)該考慮到城市的功能，如果城市功能升級(jí)，城市排水系統(tǒng)也要相應(yīng)作出變化。因?yàn)槲覈?guó)的高層和超高層的建筑和大型城市綜合建筑非常多，所以在進(jìn)行設(shè)計(jì)管網(wǎng)時(shí)，要考慮到一些高層建筑的影響。例如，在高層建筑施工時(shí)，應(yīng)該合理設(shè)置水系統(tǒng)的分區(qū)，不能簡(jiǎn)單地將水系統(tǒng)進(jìn)行劃分，建筑物高度如果太高，超過(guò)一定范圍就要給水系統(tǒng)多進(jìn)行幾個(gè)分區(qū)，這有利于調(diào)節(jié)供水系統(tǒng)的壓力。對(duì)于排水管道，以前使用的PVC 管道承受壓力較小，壓力過(guò)大容易造成管道的滲漏。因此，現(xiàn)在的管網(wǎng)施工中應(yīng)該使用承壓能力較強(qiáng)的塑料管、金屬管或者是鋼塑符合管。

2.2 改造現(xiàn)有管線，新建配套設(shè)施

首先要改造原來(lái)的舊管道。老舊的管道改造要在舊城改造的基礎(chǔ)上進(jìn)行，在排水管網(wǎng)的重點(diǎn)區(qū)域，實(shí)行故障排除計(jì)劃，找到明顯的漏洞和隱藏的漏洞，然后作出標(biāo)記。應(yīng)該做到嚴(yán)格處理明顯的漏洞，嚴(yán)格防守隱藏的漏洞。只有放棄原有的老化的、漏損嚴(yán)重的管道，才能采用新的、安全的管道。首先要使用合格的建筑材料，才能保證管網(wǎng)施工的質(zhì)量，只有對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，才能優(yōu)化工程的成本。使用合格的材料可以保證排水系統(tǒng)的質(zhì)量。其次，應(yīng)該按照管網(wǎng)工程設(shè)計(jì)和運(yùn)行的要求，管材的質(zhì)量應(yīng)該要求非常高。最后，管道環(huán)境會(huì)影響到管網(wǎng)的綜合處理工作。由于市政道路的建設(shè)，管網(wǎng)上層的土層變得很薄，或者是管道上方是車(chē)行道的，應(yīng)該著重計(jì)算管線的深度。如果管線在這個(gè)區(qū)域埋設(shè)有很大困難，就要遷移管道。

2.3 市政管網(wǎng)的算法

主要包括三種算法:遺傳算法、序列二次規(guī)矩法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化算法。遺傳算法是根據(jù)自然界中生物的遺傳自然規(guī)律，創(chuàng)造出的一種全局性的搜索算法。因?yàn)楣芫W(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程非常復(fù)雜，遺傳算法可以快速解決問(wèn)題，這種算法可以有效解決變量函數(shù)的問(wèn)題，更符合工程的實(shí)際情況。這種算法留有大量的內(nèi)碼空間和問(wèn)題空間，可以從本質(zhì)上解決平常算法解決不了的問(wèn)題。這種算法最大的優(yōu)勢(shì)就是具有多種可行的方案，不僅可以實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)的可靠性、經(jīng)濟(jì)性，還可以有效解決全局優(yōu)化的問(wèn)題。序列二次規(guī)劃法是一種非線性方程，二次規(guī)劃問(wèn)題組成的方程可以采用迭代計(jì)算的方法進(jìn)行求解。這種方法主要依靠KT 條件，變尺度、線性等有關(guān)手段結(jié)合起來(lái)，只有在極限的情況下才會(huì)使用迭代的序列。通過(guò)從不可行域向可行域的轉(zhuǎn)換，可以有效解決很多難題。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化算法是建立在生物神經(jīng)本質(zhì)上的，采用的原理是人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中人工神經(jīng)元，通過(guò)這些神經(jīng)元可以互相連接，形成嚴(yán)密的計(jì)算結(jié)構(gòu)。這個(gè)結(jié)構(gòu)可以在生物神經(jīng)系統(tǒng)中解決實(shí)際問(wèn)題。該算法的亮點(diǎn)是通過(guò)存在于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中神經(jīng)元的配合，解決實(shí)際問(wèn)題，穩(wěn)定神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的系統(tǒng)。

3 市政管網(wǎng)優(yōu)化技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)和前景

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，市政管網(wǎng)的構(gòu)造比較復(fù)雜，突破了傳統(tǒng)的管網(wǎng)適用性差、計(jì)算量的缺點(diǎn)。在未來(lái)的發(fā)展中，應(yīng)該是充分結(jié)合以上幾種算法。在對(duì)市政管網(wǎng)進(jìn)行優(yōu)化過(guò)程中，應(yīng)該保證管網(wǎng)的可行性和經(jīng)濟(jì)效益。管網(wǎng)形式主要有兩種:樹(shù)狀和環(huán)狀。在實(shí)際操作中，應(yīng)該大力使用可視化技術(shù)。促進(jìn)市政管網(wǎng)技術(shù)的優(yōu)化。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，市政管網(wǎng)優(yōu)化是一門(mén)綜合性的學(xué)科，不僅包括技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)體系，相關(guān)的計(jì)算機(jī)功能、最優(yōu)化數(shù)學(xué)理論?，F(xiàn)在的市政管網(wǎng)設(shè)計(jì)存在管網(wǎng)設(shè)計(jì)不合理，環(huán)境因素和材質(zhì)質(zhì)量導(dǎo)致的漏失現(xiàn)象，當(dāng)前配置存在問(wèn)題不能滿足事故的需要。市政管網(wǎng)優(yōu)化技術(shù)主要事項(xiàng)有:優(yōu)化排水管線的布局，改造現(xiàn)有管線，新建配套設(shè)施，優(yōu)化市政管網(wǎng)的算法。在未來(lái)的發(fā)展中，應(yīng)該是充分結(jié)合以上幾種算法。在對(duì)市政管網(wǎng)進(jìn)行優(yōu)化過(guò)程中，應(yīng)該保證管網(wǎng)的可行性和經(jīng)濟(jì)效益。

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