面向对象技术在城市排水管网设计中的应用

发表时间:2021/4/6   来源:《科学与技术》2020年34期   作者:李逢超
[导读] 城市给排水系统是保证城市正常运转的关键所在

        李逢超
        天津中水新华工程规划设计有限公司  天津市  300202

        摘要:城市给排水系统是保证城市正常运转的关键所在,而给水管网又是组成给排水系统的核心,通过不同材质的管路和配套装置架构出完整的输配水体系。通常给水管网的成本投入占系统总成本的五分之三以上。所以如何进一步调整给水管网的架构方案,保证管网稳定运转对国内发展有着至关重要的影响,同时也是建成资源节约型社会的关键一环。利用面向对象的设计理念,把管网中的管路、节点、控制区域等信息按照“对象”模式封装成不同的“类”,由此可以全面的概述管网运行工况,同时也能对其中的程序控制进行调整和扩增。
        关键词:面向对象技术;排水管网

        原有排水管网体系中各项参数的计算体量较大,虽然通过设计手册可以获取到便捷的计算方式,但具备丰富工程经验的技术人员也无法掌握全部方案的计算过程,同时难以对各个方案进行横向对比,无法快速确定出最优方案。
        当前国内管网领域中虽然已经扩充了污水管道、流雨等多项计算方式,但普遍借用结构化设计模块,无法对程序功能进行有效调整并进一步扩充,而引入面向对象理念后,可以把管网参数计算过程中所用到的管路、区域、节点等信息封装成不同的“类”,以此按照需要的对象来概述管网运行情况。此外,调用COM技术能够快速有效的实现程序重用和功能扩展。比如说,在和AUTOCAD软件进行交互使用的过程中,能够高效识别图纸并进行相应的水利参数测算,同时还能够结合GIS系统,借助GIS表述功能分析生成不同的计算方案,快速确定各个方案中的精确度和有效性,便于为实际工程选出最佳的方案体系。
        1“对象”和“类”的概念
        面向对象的技术理念最早出现在程序设计领域中,二十世纪中叶,SIMULA语言的诞生架构出面向对象的雏形。原有的程序设计方式和架构体系渐渐无法满足自动化生产的需求,同时面向对象技术能够有效完成实体仿真,且技术人员可以更好的获取用户侧需求,即便用户同技术人员之间存在较大的观念差异和不同的背景情况,也能够做到深入交流。
        对于面向对象来说,“对象”是最为核心的部分,也是从实体中抽象而来,用于给定实体的活动过程和相关信息。每个对象均能够将自身属性和活动方式封装成独立模块,该对象具体的行为活动和信号获取均通过内部程序控制,即对象的“方法”。不仅如此,对象还能够利用内部属性实时反馈运行情况。
        “类”也是面向对象中的核心组成,主要用于给定具备相同性质和活动方法的对象,将这部分对象中共有性质和方案进行提取定义,也就是说将类实例化后就是对象。例如说,排水管网中进行水力测算时,可以将污水管道归为类,进而在完成具体项目测算时,污水网络中不同的管道就可以视为实例化对象。
        2面向对象技术在程序设计中的体现
        从软件领域来说,面向对象技术是作为进行问题解析和方案确定的全新方式,其英文简称为O2O。相较于原有的结构化设计模式来说,此技术将类和实例对象作为核心要求,进而建立起完整的面向对象设计体系,通过便捷的操作和高效的软件控制迅速成为开发领域的主流模式。由于给水管网体量较大且内部结构复杂,期望更好的进行方案设计、项目管控,需要对其进行优化,通过图像、数据来概述系统运行情况,也就是常说的给水管网模型。
        3优化设计方法概述
        给水管网的调整首先需要保证网络结构、连接方式和节点标准参数保持不变,以此为基础把系统内部管路的管径视为变量,进而获取管网系统的年成本投入数值,以此确定最佳成本方案。不可否认,管网系统改造方案属于非线性化结构,伴随网络体量的上升,方案改造难度和问题也都显著提高。对此,国内外相关研究人员采用各式枚举归纳技术、线性测算技术进行优化,虽然在某一部分有着显著优化,但也存在不同问题。
        4遗传算法简介
        遗传算法作为当前算法领域中的主流趋势,能够有效解决传统算法中的弊端,结合遗传算法和面向对象技术,能够构建起遗传算法类,如表4所示。通过整合给水网络中的不同元素和遗传算法,架构出管网类,并将其进行融合,由此能极大提升程序运行效率。


        5程序组成的各个模块简介
        期望达到预期的功能目标,给水网络的优化体系需要以下述模块为基础:数据交互模块、水力参数测算模块、遗传算法模块。其中水力测算和遗传算法作为最关键环节,其内部程序逻辑如图所示。
        5.1输入输出模块
        程序中的输入输出交互均是通过txt文本文件完成, 输入端口数量为2,分别是管网运行参数和遗传算法参数。其中管网运行参数包含网络整体的工况数据、节点运行数据和管路情况;遗传算法参数则涵盖有种群情况、交叉概率和突变几率等。通过程序计算可以输出管网体系年度运行成本投入的最优设计方案。
        5.2管网水力计算模块
        管网水力参数测算作为程序设计中的重点部分,通过节点水压来求解具体的管网水力数值。实际应用水力测算方程的过程中,通常借助高斯迭代获取最终解。各个迭代步骤中,均是利用拉夫森公式对方程先进行线性化处理,再进行求解。同时借助系数矩阵可以对分解向量进行存储,由此便可以显著提高测算效率。
        5.3遗传算法优化模块
        遗传算法的构建通常为整数编码和二进制编码,具体模式为轮盘赌确定、单点交叉以及均匀变异。
        1)目标函数
        目标函数的计算是通过管网系统的造价成本和运行投入进行折算,如式中所示。
        2)惩罚函数
        一旦某个节点的管径参数在水力测算完成后,其数值未达到标准水头范围时,就要对其增加惩罚系数,从而削弱该节点的适应度。
        引入惩罚系数的意义就在于把未达到标准范围的节点水压值进行折算处理,从而保证和管网造价处于相同量级,以此来通过惩罚系数确定最终的节点适应度。由此来说,惩罚系数会随同管网体量的增加而升高。当节点参数达到水头最低范围时,其惩罚系数为0。   
        6结论
        通过面向对象技术对管网进行优化,能够将给水管网系统中不同节点、管路和方案进行优化,同时还能全面有效的概述管网运行情况和各参数之间的关联度。以类为核心,通过程序构建,能够快速调用不同模块。遗传算法是目前较为先进的智能优化方式,在大规模管网方案优化中发挥着不可替代的效用。本文引入遗传算法并将其融入在程序中,真正将优化方案同管网系统参数进行整合,发挥出管网类的应有作用,达到预期的管网优化要求。将其实际应用在沿海地区的新建管网系统之中,结合具体数据可以发现,优化后的给水管网在经济效益和未来发展方面都有了显著提升。
        参考文献:
[1] 孙伟. 地理信息系统在城市排水管网中的应用分析[J]. 科技风, 2019(16).
[2] 高婉斐, 朱记伟, 杨帆,等. 城市排水大数据平台构建及在城市排水管网规划中的应用[J]. 给水排水, 2019.
[3] 梁霞. 非开挖修复技术在城市给排水管网建设中的应用[J]. 工程技术研究, 2020, v.5;No.60(04):112-113.
        
作者简介:李逢超(1990-01-18),男,汉族,籍贯:山西省阳泉市,当前职务:给排水设计,当前职称:助理工程师,学历:硕士,研究方向:市政给排水
       
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