本文是一篇工程硕士论文，本文建立了城市供水管网抗级联失效多目标优化模型。模型以城市供水管网抵抗级联失效可靠性最大和建设成本最小为优化目标，以水力平衡、节点压力和标准管径为约束条件，优化管网管径组合。研究结果表明，该模型能够很好的权衡经济性和可靠性这两个目标。
1 绪论
1.1 选题背景及意义
1.1.1 选题背景
供水管网是基础设施的重要组成部分，其主要任务是在各种运行条件下，始终为用户提供最低、可接受的供水需求[1]。许多国家每年花费数十亿美元来维修和改扩建供水基础设施，以确保其供水可靠性，满足不断增长的人口和经济的需求[2, 3]。作为重要的基础设施，供水系统在保障公共健康、促进经济繁荣和确保良好的生活质量方面发挥着关键作用。它必须具备一定的可靠性，以抵御自然灾害、恐怖袭击、系统老化及过度需求引起的干扰。可靠性研究已成为供水领域等关键基础设施研究的主题。供水系统遭受自然灾害或者人为破坏，会影响供水系统的运行性能，导致对用户的服务水平降低，管网的抗级联（抵抗级联失效）可靠性也会受影响，例如泄漏、爆管、水质下降以及供水中断等。由于管网可靠性降低，管道结构的完整性将受到破坏，并且对外界环境的抵抗能力逐渐减弱。一旦管段压力超出其承载力范围，就会导致管段破裂，造成局部或者大范围的管网级联失效。
供水网络是大规模、复杂、动态且非线性的系统，还涉及公共和私人实体的巨额投资，因此，设计人员必须高效合理的规划设计，才能实现其经济和社会目标[4]。供水系统通过管段将水源、节点、压阀等设施连接起来，形成一个完整的供水系统，提供居民日常生活的用水需求[5]。管网的经济效益和水力可靠性都受系统构配件的影响，关系着系统能否有效的保障居民的正常用水。同时，供水基础设施是一项持久且复杂的工程，前期阶段投入的资金很大，由于管网的使用时间较长，因此，相应的偿还周期也较长[6]。因此，供水管网的布设具有很大的优化空间，运用智能优化算法，对管网进行合理优化布设，不仅能够节省大量的资金，而且能够最大限度的提升系统的可靠性。但随着供水基础设施的不断老化，供水组件中任何一个故障都会影响整个网络的性能。虽然供水公司不断监测泵以及储水罐等主要构件，但其他组件（管段和阀门等）如遭受内外部故障时，很可能导致在局部范围内的管网，无法提供用户的正常用水，因此，供水工作面临前所未有的挑战。供水基础设施的老化和不断增长的用水需求，使得其管网规划设计和维护工作成为至关重要的问题，尽可能减小管网发生级联失效的可能性。
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1.2 国内外研究现状
城市供水管网作为城市关键基础设施之一，其作用是提供工厂和居民的正常用水[13]。供水管网的稳定性运行，是保障城市机能正常运转不可或缺的因素。为进一步保障供水安全，因此，与复杂网络系统有关的可靠性问题引起了广泛关注，虽然简单结构的复杂网络理论已经得到很好的发展，但当前在实践过程中遇到的复杂系统可靠性问题仍然要困难很多。首先，网络结构不再是简单的串联、并联或它们的混合形式。其次，网络系统容易遭受外界破坏，例如内部故障和外部攻击，供水管网的级联失效会引发大量的灾害性后果，比如造成大规模的溃网、引发服务中断、导致生产和生活停水的经济损失等。供水管网的级联失效研究也相当复杂，需要考虑很多不确定因素，如管网容忍度、管内粗糙度系数、节点压力、各网络组件的高程和位置等。为进一步保障城市供水管网的可靠性和稳定性，应该合理借鉴相关研究者对于复杂网络系统可靠性研究成果，结合复杂网络理论，对供水管网的级联失效演化过程进行了探讨，制定有效的控制预防措施，来提升供水管网的可靠性。
1.2.1 供水管网可靠性研究现状
供水管网是供水系统的一部分，用于向用户输送、分配和供水。但是，当前供水管网存在很多问题，由人口增长和工业化发展导致的供水不足，由于基础设施老化和自然、人为灾难导致的组件故障，造成供水频繁中断以及级联失效现象。鉴于存在供水管网的可靠性问题，应合理地构造供水管网的压力和质量，以应付节点需求的变化。并在发生各种突发事件时，对用户产生最小的影响。
考虑到由于管网故障，而导致供水管网某些构件不可用的情况，相关学者针对故障发生时，对管网或构配件进行状态评估。Ciaponi 等[14]定义了供水管网的工作条件，研究人员假定可以通过管道两端的阀门，将每个管道隔离，以此来进行供水管网的状态评估。但实际上并非如此，由于出于经济原因，阀门不一定位于每条管道的末端。
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2 基于流的供水管网级联失效基础理论
2.1 供水管网数值模拟的运用
供水管网的复杂特征，造就了管网的不确定性，特别是在管网的初步设计阶段，会遇到很多棘手的问题，例如，管网的规模大小，管网的规划是否合理，管网抗级联可靠性如何，管径的组合设计是否经济等等。另外，在供水管网的运营维护阶段，也会有管网能否提供居民的正常用水，管网漏损的应急反应程度，如何进行有效的维护，如何有效的进行优化设计等问题。
目前，常见的方式有两种，第一种是针对于实际的供水管网进行观察和总结分析，但耗时太长、浪费大量人力物力，而且在统计过程中容易疏忽一些关键的因素。由于传统的方式很难做好管网稳定运行的事前控制，设计人员采用数值分析的方式，在计算机上建立虚拟的供水管网，针对虚拟管网进行研究分析，结合管网的实际情况，进行大量的数值计算，判别供水管网的可行性，对管网的运行作出合理的预测。数值模拟技术可以提前预判，找出薄弱环节，并加以改进，起到了很好的事前控制作用。
2.1.1 数值模拟的必要性及优势
每一种数值模拟软件都有一套成熟的理论，切合实际的参数得出的结果也是准确、科学的。当前绝大部分供水管网在设计阶段，都是通过数值模拟技术来进行管网的可行性分析，保证设计的供水管网满足各类要求之后，再进行下一步的实施建设。供水管网的数值模拟带来的最大好处，就是将管网可能遇到的风险规避到设计阶段。当模拟运行中发现错误的时候，可以及时的进行改进，再进行反复验证，确保供水管网的设计方案科学合理。同样，也可以预测级联失效发生后，管网运行状态的变化情况，对管网的一些薄弱环节加强管理，例如，通过加设阀门的方式，减小级联失效的影响范围。
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2.2 供水管网水力计算理论
供水管网应该具备一定的可靠性，能够确保提供必备的供水服务。运用供水管网水力计算理论，可以充分的解决当前管网遇见的难题，例如：新旧管道并存、管段连接复杂、管段阻力系数相差较大以及供水管件年久失修等。不仅要求供水系统能够在正常工作情况下满足最低服务水压、为用户输送的水量，而且遭遇到自然或人为破坏时，依然能够提供一定的用水服务。判断城市供水管网是否具备较高的抗级联可靠性，需要检验其在特殊情况下，是否能够及时应对和恢复。如地震灾害、泵站、水塔机械故障、爆管事故及临时用水高峰等。因此，评判一个供水管网的抗级联可靠性，不能局限于考虑在正常工况下的供水能力，需要运用数值模拟技术，以评估管网遭受内外部故障时的状态。针对以上提到的特殊情况，综合评估供水管网的供水能力和服务水平，才能全面且深入的了解供水管网的可靠性。实际上，供水管网的水流状态是相当复杂的，一般在水力模拟分析中，都假定为均匀流状态，并基于质量和能量守恒准则，来进行水力计算。
2.2.1 供水管网拓扑结构表达
为了实现供水管网的仿真模拟计算，需要将实际的供水管网信息录入计算机，建立相应的模型。根据网络拓扑结构的性质，可以运用图论原理研究。供水管网可以虚拟成线性图，泵站、水塔或高位水池等可以看出“点”，而管段和阀门可以看出“边”。根据不同节点的连接方式，通常分为树状管网和环状管网，如图 2-1、2-2 所示：
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3 供水管网多目标优化设计模型 ........................ 26
3.1 多目标优化数学模型的构建 ............................ 26
3.1.1 可靠性优化目标 ................................ 27
3.1.2 经济性优化目标 .......................... 28
4 城市供水管网抗级联优化案例研究 ........................ 36
4.1 供水管网案例分析 ............................... 36
4.1.1 管网基本信息 ...................... 36
4.1.2 拓扑结构分析 ............................. 40
5 供水管网级联失效预防及控制策略 ......................... 52
5.1 保障不确定性需求条件下的可靠性 .......................... 52
5.1.1 保障管网的基本需求设计 .............................. 53
5.1.2 增强管网的冗余设计 ................................... 55
5 供水管网级联失效预防及控制策略
5.1 保障不确定性需求条件下的可靠性
供水管网的供求关系有很大的不确定性，每天用水需求表现为供过于求、供求均衡以及供不应求等情况，特别是在供水系统的需水量及其时间变化方面，从第四章结论中可以看出，所迭代出的帕累托前沿中，供过于求优于供求均衡优于供不应求，在用水高峰时段，管网的可靠性相对更低，此外，不确定性也源于管网自身特性，随着管网的老化而改变。根据 4.3.2 节结论可以看出，在管网老化的时候，也就是容忍度参数变低
