排水管网排布优化方法和终端设备与流程

本发明属于管网排布优化技术领域，尤其涉及一种排水管网排布优化方法和终端设备。

背景技术：

随着我国城市化进程的不断加快，作为城市基础设施的排水管网也显得尤为重要。在排水管的流量确定以后，排水管的管径与坡度具有多种满足条件的组合方式，对于不同管径值和坡度值的选取直接影响管材费用和施工费用。因此，排水管网排布优化设计方法合理与否直接影响排水管网的造价和后期维护费用。发明人在实现本发明的过程中，发现现有的排水管网排布优化方法，如线性规划法、非线性规划法和动态规划法，具有如下缺陷：(1)需要将所有的目标函数和约束条件严格线性化，无法完全排除不可行方案；(2)计算时间较长，且易陷入局部最优解；(3)参数设置复杂，计算量较大。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明实施例提供了一种排水管网排布优化方法和终端设备，以解决现有技术中排水管网排布优化过程中的计算量较大，计算时间较长的问题。

本发明实施例的第一方面提供了一种排水管网排布优化方法，包括：

根据预设最大设计充满度得到水面与排水管中心夹角的最大值，并设置水面与排水管中心夹角的最小值，以得到水面与排水管中心夹角的范围；

根据排水管的流量值、排水管的管径值和水面与排水管中心夹角的范围确定排水管的坡度范围；

根据排水管网的管径值、水面与排水管中心夹角的范围和排水管的坡度范围确定排水管的水流速度的范围；

在所述水流速度的范围满足预设水流速度约束条件时，所述排水管的坡度范围即为所述排水管网设计的坡度范围；

在所述水流速度的范围不满足所述预设水流速度约束条件时，调整所述水面与排水管中心夹角，直至确定出的排水管的水流速度满足所述预设水流速度约束条件，将调整后的排水管坡度的范围作为排水管网设计的坡度范围。

可选的，所述根据预设最大设计充满度得到水面与排水管中心夹角的最大值的过程为：

根据公式：

得到水面与排水管中心夹角的最大值；其中，h表示水面高度，d表示管径，θ表示水面和管中心夹角。

可选的，所述根据预设最大设计充满度得到水面与排水管中心夹角的最大值的过程，还包括，

根据所述充满度对水面与排水管中心夹角的导数公式：

得到充满度为水面与排水管中心夹角的单调增长函数，根据预设最大设计充满度得到水面与管中心夹角的最大值。

可选的，所述根据排水管的流量值、排水管的管径值和水面与排水管中心夹角的范围确定排水管的坡度范围的过程为：

根据公式：

得到排水管的坡度公式：

其中，q表示排水管的流量值，i表示排水管的坡度，n表示管壁粗糙系数。

可选的，所述根据排水管的流量值、排水管的管径值和水面与排水管中心夹角的范围确定排水管的坡度范围的过程，还包括，

排水管的坡度为水面与排水管中心夹角的单调下降函数，根据所述水面与排水管中心夹角的最大值和最小值得到所述排水管网坡度的最小值和最大值。

可选的，所述根据排水管网的管径值、水面与排水管中心夹角的范围和排水管的坡度范围确定排水管的水流速度范围的过程为：

将排水管的坡度公式(4)中的代替排水管的水流速度公式

中的得到排水管的水流速度与排水管的流量、排水管的管径、水面与排水管中心夹角之间的关系式为：

可选的，所述根据排水管网的管径值、水面与排水管中心夹角的范围和排水管的坡度范围确定排水管的水流速度范围的过程，还包括，

排水管网的水流速度为水面与排水管中心夹角的单调下降函数，根据所述水面与排水管中心夹角的最大值和最小值得到所述排水管的水流速度的最小值和最大值。

可选的，在获得所述排水管网设计的坡度范围之后，还包括，

根据所述坡度流量关系获得不同管径允许通过的最小流量和最大流量。

本发明实施例的第二方面提供了一种排水管网排布优化终端设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如上述任一项所排水管网排布优化方法的步骤。

本发明实施例的第三方面提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上述任一项所述排水管网排布优化方法的步骤。

本发明实施例与现有技术相比存在的有益效果是：本发明实施例，通过预设最大设计充满度、设置的水面与排水管中心夹角的最小值、排水管的流量值和排水管的管径值确定排水管的坡度范围，进而确定排水管的水流速度范围；再调整所述水面与排水管中心夹角，直至确定的排水管的水流速度满足所述预设水流速度约束条件，与所述夹角范围对应的坡度范围即为排水管网排布优化的坡度取值范围。通过对管道在排布优化设计过程中可取管径范围的探讨，从而缩小了排布优化过程中的搜索范围，以减小排水管网排布优化过程中的计算复杂度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的排水管网排布优化方法的实现流程示意图；

图2是本发明实施例提供的排水管网排布优化方法的另一个实现流程示意图；

图3是管径从0.3至2.0同时流量为0至5000升/秒流量范围内的最小坡度示意图；

图4是管径为0.30、0.35、0.40同时流量为0至100升/秒范围内的最小坡度示意图；

图5是本发明实施例提供的排水管网排布优化终端设备的示意图。

具体实施方式

以下结合附图，对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

为了说明本发明所述的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。

实施例一

图1示出了排水管网排布优化方法的一个实施例的流程示意图，详述如下：

步骤s101，根据预设最大设计充满度得到水面与排水管中心夹角的最大值，并设置水面与排水管中心夹角的最小值，以得到水面与排水管中心夹角的范围。

可选的，根据预设最大设计充满度得到水面与排水管中心夹角的最大值的过程为：

根据公式：

得到水面与排水管中心夹角的最大值；其中，h表示水面高度，d表示管径，θ表示水面和管中心夹角。

可选的，根据预设最大设计充满度得到水面与排水管中心夹角的最大值的过程，还包括，

根据所述充满度对水面与排水管中心夹角的导数公式：

得到充满度为水面与排水管中心夹角的单调增长函数，根据预设最大设计充满度得到水面与排水管中心夹角的最大值。

其中，为避免管道发生堵塞，不同管径值都会预设一个最大设计充满度，进而根据最大设计充满度确定水面与排水管中心夹角的最大值。通过设置一个很小值作为水面与管中心夹角最小值，使得排水管的坡度值和水流速度值很大，使得水流速度的最大值超过预设水流速度约束条件中的最大值。经过计算，在不同管径下，最大的水面与排水管中心的夹角范围为3.34弧度至4.19弧度。

步骤s102，根据排水管的流量值、排水管的管径值和水面与排水管中心夹角的范围确定排水管的坡度范围。

可选的，所述根据排水管的流量值、排水管的管径值和水面与排水管中心夹角的范围确定排水管的坡度范围的过程为：

根据公式：

得到排水管的坡度公式：

其中，q表示排水管的流量值，i表示排水管的坡度，n表示管壁粗糙系数。

可选的，所述根据排水管的流量值、排水管的管径值和水面与排水管中心夹角的范围确定排水管的坡度范围的过程，还包括，

排水管的坡度为水面与排水管中心夹角的单调下降函数，根据所述水面与排水管中心夹角的最大值和最小值得到所述排水管网坡度的最小值和最大值。

其中，公式(4)中的和(θ-sinθ)在θ允许的取值范围内是单调上升函数。因此，在允许的范围内流量一定的情况下，坡度i是水面与排水管中心夹角θ的单调下降函数。

步骤s103，根据排水管网的管径值、水面与排水管中心夹角的范围和排水管的坡度范围确定排水管的水流速度的范围。

可选的，根据排水管网的管径值、水面与排水管中心夹角的范围和排水管的坡度范围确定排水管的水流速度的范围的过程为：

将排水管的坡度公式(4)中的代替排水管的水流速度公式

中的得到排水管的水流速度与排水管的流量、排水管的管径、水面与排水管中心夹角之间的关系式为：

可选的，所述根据排水管网的管径值、水面与排水管中心夹角的范围和排水管的坡度范围确定排水管的水流速度范围的过程，还包括，

排水管网的水流速度为水面与排水管中心夹角的单调下降函数，根据所述水面与排水管中心夹角的最大值和最小值得到所述排水管的水流速度的最小值和最大值。

其中，公式(6)中的(θ-sinθ)在θ允许的取值范围内是单调上升函数。因此，在允许的范围内流量一定的情况下，水流速度是水面与排水管中心夹角θ的单调下降函数。

步骤s104，在所述水流速度的范围满足预设水流速度约束条件时，所述排水管的坡度范围即为所述排水管网设计的坡度范围。

其中，预设水流速度的约束条件为：0.6m/s≤v≤5m/s(非金属材质的管道)。

步骤s105，在所述水流速度的范围不满足预设水流速度约束条件时，调整所述水面与排水管中心夹角，直至确定出的排水管的水流速度满足所述预设水流速度约束条件，将调整后的排水管坡度的范围作为排水管网设计的坡度范围。

其中，水流速度是关于水面与排水管中心夹角的单调下降函数，即当水面与排水管中心夹角最小时，水流速度为最大值；当水面与排水管中心夹角最大时，水流速度为最小值。因此，当确定的水流速度的最大值超过预设水流速度最大值时，需要增大水面与排水管中心夹角的最小值，使得水流速度小于等于最大预设水流速度；当确定的水流速度的最小值小于预设水流速度的最小值时，需要减小水面与排水管中心夹角的最大值，使得水流速度大于等于最小预设水流速度。

上述排水管网排布优化方法，通过预设的最大设计充满度、设置的水面与排水管中心夹角的最小值、排水管的流量值和排水管的管径值确定排水管的坡度范围，进而确定排水管的水流速度的范围；再调整所述水面与排水管中心夹角，直至确定的排水管的水流速度满足所述预设水流速度约束条件，与所述夹角范围对应的坡度范围即为排水管网排布优化的坡度取值范围。上述排水管网排布优化方法通过对管道在排布优化设计过程中可取管径范围的探讨，缩小了排布优化过程中的搜索范围，极大地减少了排水管网排布优化过程中的计算量；并且该方法是在满足水流速度和不同管径的最大充满度的条件下计算得到的，不会陷入局部最优解，方案具有可行性。

实施例二

为了便于理解排水管网排布优化方法的实现方式，本发明还提供了排水管网排布优化方法的具体实现步骤。参见图2，示出了排水管网排布优化方法的另一个实施例的流程示意图，详述如下：

步骤s201，给定管径d值与流量q值。

步骤s202，取水面与排水管中心夹角的最大值θ1与最小值θ2。

其中，水面与排水管中心夹角的最大值通过最大设计充满度确定，水面与排水管中心夹角的最小值通过设置一个很小值确定。

步骤s203，计算相应的坡度值i，得到最大坡度i1和最小坡度i2。

步骤s204，计算相应的水流速度值v，得到最大速度v1和最小速度v2。

步骤s205，判断确定的水流速度是否满足流速范围。

其中，所述流速范围为0.6m/s≤v≤5m/s。容易理解的，最大水流速度与管材有关，这里所说的流速范围是指的非金属管道的流速范围。

当确定的最大水流速度和最小水流速度均在预设流速范围内时，则转向步骤s206，获得在给定管径与流量值的情况下的坡度范围。

当确定的最大束流速度或/和最小水流速度不在预设流速范围内时，则转向步骤s207，重新调整水面与排水管中心夹角θ值，再转向步骤s203，直至确定的水流速度满足流速范围。

参见图3，示出了管径从0.3至2.0同时流量为0至5000升/秒流量范围内的最小坡度示意图。其中，图中的每条曲线代表不同的管径，从左至右表示管径逐渐增大。从图中可以看出随着管径的增大，曲线斜率逐渐下降，表示在排水管的流量一定时，管径越大则最小坡度越小。另一方面，当管径一定时，在流量超过一定阈值后，随着流量的增大，最小坡度逐渐变大；同时，每种不同的管径在最大流速和最大充满度的情况下都会对应一个允许的最大流量，该最大流量值随着管径的增大而增大。表1给出了不同管径值允许通过的最大流量值。

表1不同管径允许通过的最大流量值

参见图4，示出了管径为0.30、0.35、0.40同时流量为0至100升/秒范围内的最小坡度示意图。从图中可以看出，流量-最小坡度曲线图是随着流量值的增加先单调递减再单调递增。在第一个拐点与第二个拐点之间管径为0.35时的最小坡度曲线与管径为0.40时的最小坡度曲线基本重合，因此对于这一流量区间时，坡度几乎相同，则选取较小管径，使得管材费用得以节约以免造成不必要的浪费。鉴于实际施工中的精度限制，当|i04-i035|≤2*10^-4时认为表2给出了不同管径值对应的最小取值界限流量。

表2不同管径值对应的最小取值界限流量

上述排水管网排布优化方法，通过给定的管径值、流量值和水面与排水管中心夹角的范围确定排水管的坡度范围，进而确定排水管的水流速度的范围，通过判断确定的水流速度是否满足流速范围并调整所述水面与排水管中心夹角值，直至确定的排水管的水流速度满足所述预设水流速度约束条件，得到排水管排布优化的取值范围。再根据得到的不同管径不同流量下的最小坡度曲线图，确定不同管径允许通过的最大流量和不同管径对应的最小取值界限流量。所述排水管网排布优化方法通过对管道在排布优化设计过程中可取管径范围的探讨，缩小了排布优化过程中的搜索范围，极大地减少了排水管网排布优化过程中的计算量。此外，该方法是在满足水流速度和不同管径的最大充满度的条件下计算得到的，不会陷入局部最优解，方案具有可行性。

实施例三

图5是本发明一实施例提供的排水管网排布优化终端设备的示意图。如图5所示，该实施例的排水管网排布优化终端设备5包括：处理器50、存储器51以及存储在所述存储器51中并可在所述处理器50上运行的计算机程序52，例如排水管网设计坡度的确定取值范围程序。所述处理器50执行所述计算机程序52时实现上述各个排水管网排布优化方法实施例中的步骤例如图1所示的步骤s101至s105。

所述排水管网排布优化终端设备5可以是桌上型计算机、笔记本、掌上电脑及云端服务器等计算设备。所述排水管网排布优化终端设备可包括，但不仅限于，处理器50、存储器51。本领域技术人员可以理解，图5仅仅是排水管网排布优化终端设备5的示例，并不构成对排水管网排布优化终端设备5的限定，可以包括比图示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件，例如所述排水管网排布优化终端设备还可以包括输入输出设备、网络接入设备、总线等。

所称处理器50可以是中央处理单元(centralprocessingunit，cpu)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(digitalsignalprocessor，dsp)、专用集成电路(applicationspecificintegratedcircuit，asic)、现成可编程门阵列(field-programmablegatearray，fpga)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。

所述存储器51可以是所述排水管网排布优化终端设备5的内部存储单元，例如排水管网排布优化终端设备5的硬盘或内存。所述存储器51也可以是所述排水管网排布优化终端设备5的外部存储设备，例如所述排水管网排布优化终端设备5上配备的插接式硬盘，智能存储卡(smartmediacard,smc)，安全数字(securedigital,sd)卡，闪存卡(flashcard)等。进一步地，所述存储器51还可以既包括所述排水管网排布优化终端设备5的内部存储单元也包括外部存储设备。所述存储器51用于存储所述计算机程序以及所述排水管网排布优化终端设备所需的其他程序和数据。所述存储器51还可以用于暂时地存储已经输出或者将要输出的数据。

在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述或记载的部分，可以参见其它实施例的相关描述。

本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

所述集成的模块/单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明实现上述实施例方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。。其中，所述计算机程序包括计算机程序代码，所述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。所述计算机可读介质可以包括：能够携带所述计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、u盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(rom，read-onlymemory)、随机存取存储器(ram，randomaccessmemory)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。需要说明的是，所述计算机可读介质包含的内容可以根据司法管辖区内立法和专利实践的要求进行适当的增减，例如在某些司法管辖区，根据立法和专利实践，计算机可读介质不包括电载波信号和电信信号。

以上所述实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本发明的保护范围之内。