探讨给水排水工程的设计优化研究

【摘要】本课题首先对给水排水系统的优化进行一般性探讨，给出了给水排水系统的霍尔三维结构图。接着，深入研究建筑给水排水系统的优化设计，总结其优化的指导思想、评价指标、优化程序，在此基础上从系统可靠性角度探讨如何优化系统设计，并且针对建筑给水排水常用的各个子系统，分别进行方案优化设计分析，以供在设计中参考，选择最优方案。

【关键词】给水排水系统，优化设计，三维结构图，优化方法

1. 给水排水系统优化设计的特点

给排水工程的最优化设计，是运用系统分析原理和最优化技术设计出效率高、能耗低、费用少、可靠性适当的给排水系统，这其中包含两个方面的优化内容，一方面是满意的系统结构，另一方面是满意的系统参数。针对系统参数，目前国内已经开展了大量的优化方法研究，并且在前人研究的基础上已形成了一定的经验性数据，大大简化设计过程，减少重复性劳动。关于系统结构，往往是在理论与实践知识积累到一定程度后，由经验丰富的工程师们对系统的结构进行整体把握，分析系统结构，并给出适应新情况的新型系统。

从来不会有相同的两个项目，每个项目的问题都不会相同，没有现成的教科书可以教学，只能从经验中去总结一般规律，一般性方法，工程界流传一句话"越老越值钱"。这值钱的关键就在于经验丰富，针对新项目、新问题，不仅仅只是完成设计，而是要尽量做到目前技术水平下方案最合理，即最优化。相对常规设计，优化设计具有以下几大优点：①找到满意的参数与结构，使整体效能最佳，提高系统的效率，或降低投资和运行费用；②通过系统过程模拟，优化系统参数与结构，提高系统运行的可靠性和稳定性；③较好地实现系统的自动化运行及管理；④不断寻求更优良的系统，促进新系统的形成，为缺乏工程经验的人员作出优良工程设计提供有力的手段。

2. 给水排水系统设计的三维结构图

霍尔的三维结构图，其三维框架结构包括：时间维、知识维以及逻辑维。结合给水排水专业的特点，建立给水排水系统设计的三维框架结构，见图1。

时间维：表明系统工程工作的各个阶段。我国的基本建设程序主要包括以下几个阶段：项目建议书阶段、可行性研究阶段、设计文件阶段、建设准备阶段、建设实施阶段、竣工验收阶段和后评价阶段。

知识维：是指完成上述各阶段、各步骤的工作所需要的各种专业知识和技术知识。系统工程的理论基础，除了共同性的基础之外，每门系统工程又有各自的专业基础。这是因为对象不同，当然要掌握不同对象本身的规律。系统工程的基本理论，包括数学计算的运筹学、信息学、控制学等。给排水专业培养方案，因各校培养目标不同，侧重点有所不同，但总的培养目的是一致的，都是适应社会对人才知识结构需求的。国内高校专业课程设置具体可以分为以下几大类：①公共基础课，主要有高等数学、普通化学、大学物理、信息科学、计算机程序设计以及其他人文社会科学和自然科学类课程。②专业基础课，主要有画法几何与工程制图、工程力学、测量学、水分析化学、水力学、水处理微生物学、电工学、水文学与水文地质学、泵与泵站、水工艺设备基础、给排水工程仪表与控制、土建工程基础、水工程经济、给排水工程计算机应用、CAD 基础、专业外语、环境监测与评价。③专业课，主要有城市水工程概论、水资源利用与保护、水质工程学、给排水管道工程、建筑给水排水工程、水工艺新技术。④实践课，主要有三类，其一是与理论课对应的实验课；其二是认识实习、测量实习和毕业实习等实·习类；其三是给水管网课程设计、排水管网课程设计、给水处理厂课程设计、污水处理厂课程设计、建筑给水排水课程设计、毕业设计等设计类。除了接受专业培养外，给排水设计人员在工作岗位上，仍要注重专业素养的培养，时刻关注行业动态，接受行业最新资讯，发展成为具有合理知识结构的高级工程技术人才。

逻辑维：亦称思考过程，是指实施系统工程的每一个工作阶段所要经历的步骤。它也是运用系统工程方法进行思考、分析和处理问题时遵循的一般程序。给水排水系统工程，在使用系统思想方法来进行设计及解决系统问题时，从逻辑顺序上需经历 7 个步骤：明确问题，选择目标，系统综合，系统分析，方案优化，决策，规划行动。关于三维结构的逻辑维，将在下一节详细阐述。

给排水系统的每一项具体工作，在霍尔的三维空间中对应一个区域，这个区域在三个坐标轴上对应的正是该工作的地位。在三维空间中可看出，在每一个阶段都存在着各个逻辑步骤。

3. 给水排水系统优化方法概述

给水排水系统的优化，从广义上来讲，是一个系统工程问题，它可以概括为给水排水系统的系统化、模型化和最优化三个过程。从狭义上来讲，是指给出给排水系统模型后，进行优化模型求解，求取最优解的过程，所运用的是运筹学上的数学规划方法。现仅从狭义的优化角度对给水排水系统的最优化方法进行简要介绍。

3.1 最优化方法的概述

最优化方法就是把最优化问题表示成数学形式，并尽快地找出其最优解的数学方法。早期处理最优化问题的数学方法主要是古典的微分法和变分法。由于大量的问题是非线性和多变量的问题，用古典方法并不能寻求优化解，从而产生了如线性规划、非线性规划、动态规划等新的优化方法。特别自 60 年代以来，最优化方法进入了一个蓬勃发展的新时代。而到了 20 世纪 80 年代，又发展了模拟退火算法、遗传算法、禁忌算法、人工神经网络算法等，被统称为现代优化算法，主要解决优化问题中难解的问题。

各类优化方法有其特点及适用条件，针对每个系统情况的不同，所希望达到的目的不一致，所采用的方法也不同。在此仅简要介绍一下给排水系统中给水管网及排水管网的主要优化方法。

3.1.1 给水管网的优化方法

给水管网的优化目标是以设计规范要求以及流速和管径的不等式约束条件，实现管段流量和节点水压的费用函数最优解。对于已定管线的配水管网的优化方法，国内外学者做了大量研究，其优化方法分为两类：确定性优化法和随机优化法，前者包含一些较为传统的优化方法，主要有枚举法、线性规划法、非线性规划法等。后者是近几年才发展起来的，主要有遗传算法和模拟退火算法等。

3.1.2 排水管网的优化方法

目前排水管网的优化方法主要分为两类：直接优化法和间接优化法（又叫解析优化法）。直接优化方法是根据性能指标的变化，通过对各种方案和可调参数的选择、计算和比较来得到最优解或满意解，主要方法有电子表格法以及两相优化法。而间接优化法是建立在最优化数学模型的基础上，通过最优化理论计算求出最优解，其主要算法包括线性规划法、非线性规划法、罚函数离散优化法、混合整数规划法、遗传算法等。不论采取何种算法，其优化的共同目标是以设计规范要求及管径、流速、坡度、充满度之间的水力关系为约束条件，以达到费用最小。

4. 结语

本章主要介绍了给水排水工程设计优化的一般性原理知识。首先介绍了给水排水系统优化设计的特点，接着总结了给水排水系统的霍尔 Hall 三维结构图。此外，简单总结了给水排水系统最优化方法并给出给水系统、排水系统常用的最优化方法。