學(xué)校名稱

長(zhǎng)沙理工大學(xué)

學(xué)生姓名

學(xué)  號(hào)

專      業(yè)

性 別

入 學(xué) 年 份

徐群

201459060218

熱工過(guò)程自動(dòng)化

男

2014.9

章秀玲

201459060207

熱工過(guò)程自動(dòng)化

女

2014.9

謝拓

201459060214

熱工過(guò)程自動(dòng)化

男

2014.9

寧有志

201459060213

熱工過(guò)程自動(dòng)化

男

2014.9

指導(dǎo)教師

曾競(jìng)

職稱

講師

項(xiàng)目所屬

一級(jí)學(xué)科

能源與動(dòng)力工程

項(xiàng)目科類(理科/文科)

理科

學(xué)生曾經(jīng)參與科研的情況

寧有志：在第十屆物電杯電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽上，與項(xiàng)目組成員共同制做了一個(gè)射釘機(jī)器人，獲得校級(jí)二等獎(jiǎng)，2015-2016學(xué)年，參加了科技立項(xiàng)比賽，制作了一個(gè)小型自尋的導(dǎo)光輔助照明系統(tǒng)實(shí)物，并獲得校級(jí)二等獎(jiǎng)

徐群：熟悉arduino電子原型平臺(tái)，并與同學(xué)一起以arduino為基礎(chǔ)參加科技立項(xiàng)比賽，項(xiàng)目：巡檢機(jī)器人，并獲得校級(jí)二等獎(jiǎng)

謝拓：熟悉arduino電子原型平臺(tái)，并與同學(xué)一起以arduino為基礎(chǔ)參加科技立項(xiàng)比賽，項(xiàng)目：巡檢機(jī)器人，并獲得校級(jí)二等獎(jiǎng)

指導(dǎo)教師承擔(dān)科研課題情況

曾競(jìng)老師從事區(qū)域供冷供熱系統(tǒng)管網(wǎng)技術(shù)分析、設(shè)計(jì)、集成與研發(fā)；

在國(guó)際期刊上發(fā)表了1篇SCI二區(qū)學(xué)術(shù)論文；

主持一項(xiàng)湖南省教育廳科學(xué)研究項(xiàng)目，參與一項(xiàng)湖南省科技廳重大專項(xiàng)；

指導(dǎo)學(xué)生完成兩項(xiàng)大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

項(xiàng)目研究和實(shí)驗(yàn)的目的、內(nèi)容和要解決的主要問(wèn)題

一、背景和意義：

   地處我國(guó)中部的長(zhǎng)江流域及其周圍廣大地區(qū)，屬“夏熱冬冷” 地區(qū)，其顯著特點(diǎn)是夏季悶熱，冬季濕冷， 晝夜溫差小，年降水量大，日照偏小。最近十多年來(lái)，該地區(qū)新建的大型區(qū)域公共和住宅建筑群，已經(jīng)開(kāi)始采取區(qū)域供熱供冷系統(tǒng)，并且逐年上升。但是，我國(guó)的區(qū)域供熱供冷系統(tǒng)還處于起步階段，某些系統(tǒng)由于設(shè)計(jì)、用戶負(fù)荷密度低、運(yùn)行管理不當(dāng)?shù)仍?，能耗居高不下，甚至高于分體式空調(diào)，且投資和運(yùn)行成本高于分體式空調(diào)系統(tǒng)。因此系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化和運(yùn)行優(yōu)化以提高整個(gè)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和節(jié)能效率顯得尤為重要。

區(qū)域供冷供熱管網(wǎng)系統(tǒng)是區(qū)域供冷供熱系統(tǒng)的重要組成部分，區(qū)域供冷供熱系統(tǒng)由于供能量大，供能距離長(zhǎng)，其輸配管網(wǎng)具有規(guī)模大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、初投資大、運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用高、對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用影響大等特點(diǎn)，其規(guī)劃、設(shè)計(jì)合理與否，直接關(guān)系到區(qū)域供冷供熱系統(tǒng)的初投資和運(yùn)行費(fèi)用，是區(qū)域供冷供熱系統(tǒng)成敗的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。對(duì)區(qū)域供冷供熱管網(wǎng)進(jìn)行優(yōu)化分析和配置，可以最大限度地節(jié)約投資，降低運(yùn)行成本，提高系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，而且還能改善整個(gè)管網(wǎng)的水力條件，是實(shí)現(xiàn)供能安全可靠的重要環(huán)節(jié)，是管網(wǎng)系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)的必要條件。對(duì)管網(wǎng)進(jìn)行優(yōu)化研究，不僅可以為工程規(guī)劃設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)，而且可以為系統(tǒng)高效、節(jié)能、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行提供技術(shù)保證，具有重要的理論意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

    區(qū)域供熱供冷系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)主要包括：能源站方案設(shè)計(jì)，能源站位置，能源站與用能站之間的連接管網(wǎng)布局，區(qū)域管網(wǎng)的管徑，管網(wǎng)保溫層厚度，供回水溫差，能源站機(jī)組運(yùn)行策略等方面。其中管網(wǎng)布局和管徑優(yōu)化是區(qū)域供熱供冷系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的核心。

    本項(xiàng)目旨在開(kāi)發(fā)一套區(qū)域供熱供冷管網(wǎng)系統(tǒng)布局優(yōu)化和管徑優(yōu)化軟件，為暖通空調(diào)設(shè)計(jì)工程師在設(shè)計(jì)區(qū)域供熱供冷系統(tǒng)時(shí)能提供管網(wǎng)系統(tǒng)的最佳布局方案，并在該最佳布局的基礎(chǔ)上提供其最佳的管徑組合，使管網(wǎng)系統(tǒng)在投資和運(yùn)行方面的綜合費(fèi)用達(dá)到最小值，使得管網(wǎng)系統(tǒng)具有最佳經(jīng)濟(jì)性。

二、實(shí)驗(yàn)研究的內(nèi)容：

    區(qū)域供熱供冷管網(wǎng)系統(tǒng)優(yōu)化軟件包括布局優(yōu)化和管徑優(yōu)化兩個(gè)子系統(tǒng)。

布局優(yōu)化子系統(tǒng)是管網(wǎng)優(yōu)化的基礎(chǔ)，該子系統(tǒng)負(fù)責(zé)優(yōu)化出一些最佳的布局提供給管徑優(yōu)化子系統(tǒng)；管徑優(yōu)化子系統(tǒng)在優(yōu)化出的布局的基礎(chǔ)上進(jìn)一步每一個(gè)布局的管徑大小組合。

當(dāng)供能站和用戶點(diǎn)給定以后，站點(diǎn)與用戶之間存在許多種管道連接的方案，每個(gè)站點(diǎn)間的管徑大小也存在若干種選擇方案。管網(wǎng)優(yōu)化旨在尋找一種使管網(wǎng)初投資成本與年維護(hù)費(fèi)用最小的管網(wǎng)布局配置。此外，通過(guò)采用計(jì)算機(jī)技術(shù)，設(shè)計(jì)出合適的人機(jī)交互界面，使得各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)便于輸入，最終優(yōu)化結(jié)果直觀明了。

1、管網(wǎng)布局優(yōu)化子系統(tǒng)：

區(qū)域供熱供冷管網(wǎng)系統(tǒng)布局優(yōu)化和管徑優(yōu)化軟件系統(tǒng)的管網(wǎng)布局優(yōu)化子系統(tǒng)是基于文聰同學(xué)完成的2014年度的大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目（基于遺傳算法的區(qū)域供冷管網(wǎng)布局優(yōu)化軟件系統(tǒng)開(kāi)發(fā)）。在此基礎(chǔ)上，對(duì)軟件進(jìn)一步修正，以便更好集成到我們欲開(kāi)發(fā)的“區(qū)域供熱供冷管網(wǎng)系統(tǒng)布局優(yōu)化和管徑優(yōu)化軟件系統(tǒng)”中。

當(dāng)供能站和用戶點(diǎn)給定以后，站點(diǎn)與用戶之間存在許多種管道連接的方案（管網(wǎng)布局），區(qū)域供冷供熱管網(wǎng)布局優(yōu)化目的是找到一些最佳的布局，使得管網(wǎng)系統(tǒng)在管徑優(yōu)化后具有最佳經(jīng)濟(jì)性，即年折算費(fèi)用（包括年折算投資費(fèi)用和年運(yùn)行費(fèi)用）最少。

問(wèn)題描述：

已知一個(gè)區(qū)域供冷供熱管網(wǎng)系統(tǒng)功能站和用戶，管網(wǎng)系統(tǒng)可以抽象為一個(gè)圖論中的圖，如圖1：

圖1 管網(wǎng)中功能站和用戶點(diǎn)之間可能連接

圖1中共有16個(gè)節(jié)點(diǎn)，45條可能連接的邊；其中數(shù)字1代表功能站，數(shù)字2至16分別代表15個(gè)用能站點(diǎn)。

區(qū)域供冷供熱管網(wǎng)系統(tǒng)布局優(yōu)化就是在圖1中的45條邊中選擇15條邊，構(gòu)造成一個(gè)樹狀管網(wǎng)布局，如圖2：

圖2 一個(gè)樹狀管網(wǎng)布局

根據(jù)圖論理論可知，一個(gè)共有n個(gè)節(jié)點(diǎn)的圖，它存在個(gè)樹。如圖2共有16個(gè)節(jié)點(diǎn)，那么共有個(gè)樹，也就是圖1存在個(gè)樹狀布局，若要對(duì)每一個(gè)布局都去計(jì)算其每段管段的管徑大小，那么計(jì)算量是非常巨大的。

管網(wǎng)布局優(yōu)化子系統(tǒng)就是要從這么多的布局中挑選幾個(gè)或幾十個(gè)布局出來(lái)，給管網(wǎng)管徑優(yōu)化子系統(tǒng)去優(yōu)化計(jì)算其管徑大小。

布局優(yōu)化分三步走：

第一步：優(yōu)化出一個(gè)管道總長(zhǎng)度最短的樹狀布局；優(yōu)化結(jié)果如下圖3：

圖3 管段總長(zhǎng)度最小的布局

第二步：初投資最少的布局，該布局的水力特性滿足設(shè)計(jì)規(guī)范（管道流速小于等于3.5m/s，管段的比摩阻小于120Pa/m），優(yōu)化結(jié)果如下圖4：

圖4 初投資最少的布局

第三步：年折算費(fèi)用最少的布局，該布局的水力特性滿足設(shè)計(jì)規(guī)范（管道流速小于等于3.5m/s，管段的比摩阻小于120Pa/m），優(yōu)化結(jié)果如下圖5：

圖5 年折算費(fèi)用最少的布局

通過(guò)三步優(yōu)化，每一步優(yōu)化都能夠優(yōu)化出其一定條件下的最優(yōu)布局以及一些近似最優(yōu)的布局，在這一些布局中挑選出30個(gè)布局，傳遞給管徑優(yōu)化子系統(tǒng)。

2、管徑優(yōu)化子系統(tǒng)：

   區(qū)域供熱供冷管網(wǎng)系統(tǒng)布局優(yōu)化和管徑優(yōu)化軟件系統(tǒng)的管網(wǎng)管徑優(yōu)化子系統(tǒng)是基于吳一凡同學(xué)完成的2015年度的大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目（關(guān)于區(qū)域供熱供冷管網(wǎng)管徑進(jìn)一步簡(jiǎn)化軟件設(shè)計(jì)）。在此基礎(chǔ)上，對(duì)軟件進(jìn)一步修正，以便更好集成到我們欲開(kāi)發(fā)的“區(qū)域供熱供冷管網(wǎng)系統(tǒng)布局優(yōu)化和管徑優(yōu)化軟件系統(tǒng)”中。

    通過(guò)管網(wǎng)布局優(yōu)化子系統(tǒng)，可以得到在一定條件下的最優(yōu)布局，然后分別針對(duì)得到的布局再進(jìn)行管徑優(yōu)化。通過(guò)遺傳算法，找到每一個(gè)布局的最優(yōu)管徑組合，使得其年折算投資費(fèi)用和年運(yùn)行費(fèi)用之和最小，最后對(duì)每一個(gè)布局得到的年折算費(fèi)用進(jìn)行比較，選擇最小的年折算費(fèi)用，即可得到管網(wǎng)的最優(yōu)布局和其最優(yōu)管徑組合。

   具體算法如下：

a)初始化：設(shè)置進(jìn)化代數(shù)計(jì)數(shù)器t=0，設(shè)置最大進(jìn)化代數(shù)T，隨機(jī)生成M個(gè)個(gè)體作為初始群體P(0)。

b)個(gè)體評(píng)價(jià)：計(jì)算群體P(t)中各個(gè)個(gè)體的適應(yīng)度。

c)選擇運(yùn)算:將選擇算子作用于群體。選擇的目的是把優(yōu)化的個(gè)體直接遺傳到下一代或通過(guò)配對(duì)交叉產(chǎn)生新的個(gè)體再遺傳到下一代。選擇操作是建立在群體中個(gè)體的適應(yīng)度評(píng)估基礎(chǔ)上的。

d)交叉運(yùn)算：將交叉算子作用于群體。遺傳算法中起核心作用的就是交叉算子。

e)變異運(yùn)算：將變異算子作用于群體。即是對(duì)群體中的個(gè)體串的某些基因座上的基因值作變動(dòng)。

群體P(t)經(jīng)過(guò)選擇、交叉、變異運(yùn)算之后得到下一代群體P(t+1)。

f)終止條件判斷:若t=T,則以進(jìn)化過(guò)程中所得到的具有最大適應(yīng)度個(gè)體作為最優(yōu)解輸出，終止計(jì)算。

其管徑優(yōu)化算法流程圖如下圖6：

圖6 管徑優(yōu)化算法流程圖

3、軟件集成：

 我們將采用Visual Basic語(yǔ)言進(jìn)行人機(jī)交互界面的設(shè)計(jì)，采用MATLAB語(yǔ)言設(shè)計(jì)優(yōu)化算法的程序，通過(guò)SQLserver數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)VB與MATLAB的通訊。區(qū)域供熱供冷系統(tǒng)輸配管網(wǎng)的技術(shù)參數(shù)及優(yōu)化方案將保存在SQLserver數(shù)據(jù)庫(kù)中，結(jié)果由Visual Basic進(jìn)行調(diào)用并采用圖形化的方式顯示。   如圖7所示

圖 7 vb和MATLAB交互示意圖

軟件系統(tǒng)框架如下圖8：

圖8 軟件系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)

軟件集成分為三個(gè)方面的內(nèi)容進(jìn)行設(shè)計(jì)，包括用戶界面集成，數(shù)據(jù)集成和代碼集成三部分。

a）用戶界面集成

集成后的界面主要功能分為管網(wǎng)布局計(jì)算，管徑優(yōu)化計(jì)算，參數(shù)輸入和計(jì)算結(jié)果查看，用戶可以對(duì)管網(wǎng)和管徑的計(jì)算參數(shù)進(jìn)行修改，管網(wǎng)布局計(jì)算結(jié)果和管徑優(yōu)化的計(jì)算結(jié)果可以保存，查看和打印。管網(wǎng)連接點(diǎn)數(shù)據(jù)的輸入采用圖形化的方式進(jìn)行選點(diǎn)，以減少輸入數(shù)據(jù)產(chǎn)生的誤差和增強(qiáng)軟件的交互能力和直觀性，界面中的“幫助”按鈕用以提示用戶輸入?yún)?shù)的格式。具體結(jié)構(gòu)如下圖9所示：

圖9 集成界面示意圖

b）數(shù)據(jù)集成

這里通過(guò)SQLserver數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)VB與MATLAB的數(shù)據(jù)通訊，使MATLAB和VB實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。

（1）用戶通過(guò)VB將管網(wǎng)圖參數(shù)輸入保存在SQLserver數(shù)據(jù)庫(kù)中的表一中，水力計(jì)算參數(shù)保存在表二中，工程造價(jià)參數(shù)保存在表三中，遺傳算法參數(shù)保存在表四中。

（2）MATLAB進(jìn)行管網(wǎng)布局優(yōu)化計(jì)算時(shí)調(diào)用SQLserver數(shù)據(jù)庫(kù)中的表一，表二和表三中的數(shù)據(jù)，將計(jì)算進(jìn)度保存在表C中并不斷更新，將計(jì)算結(jié)果保存在表A中。進(jìn)行管徑優(yōu)化計(jì)算時(shí)調(diào)用表二，表三，表四和表A中的數(shù)據(jù)，將計(jì)算進(jìn)度保存在表C中并不斷更新，將計(jì)算結(jié)果保存在表B中。

（3）VB顯示計(jì)算結(jié)果時(shí)調(diào)用表C和，顯示計(jì)算進(jìn)度時(shí)調(diào)用表A和表B，通過(guò)圖形和文字的方式共同顯示。

c）代碼集成

   代碼集成的核心部分是兩個(gè)算子的集成，將算子中的各個(gè)小模塊進(jìn)行排序和組合，可以提高軟件的計(jì)算效率。集成后的代碼應(yīng)該包括以下模塊：

（1）數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊。在參數(shù)輸入或修改后，算子對(duì)輸入的管網(wǎng)圖參數(shù)和水力計(jì)算參數(shù)等參數(shù)進(jìn)行預(yù)處理，將其轉(zhuǎn)換成易于管網(wǎng)布局計(jì)算和管道管徑計(jì)算的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)保存到SQLserver數(shù)據(jù)庫(kù)中，這一部分由VB完成。

（2）管網(wǎng)布局計(jì)算模塊。這一部分的代碼應(yīng)該包括數(shù)據(jù)的讀取，管網(wǎng)布局的遺傳算法，水力特性限制，數(shù)據(jù)的保存等，以得出最優(yōu)的幾種管道布局方法，這一部分由MATLAB完成

（3）管徑優(yōu)化計(jì)算模塊。這一部分的代碼應(yīng)包括數(shù)據(jù)的讀取，管徑選擇的遺傳算法，數(shù)據(jù)的保存等，以得出每種管道分布所對(duì)應(yīng)的最優(yōu)管徑選擇，這一部分由MATLAB完成。

（4）界面顯示模塊：當(dāng)軟件進(jìn)行管道布局和管徑優(yōu)化計(jì)算時(shí)，顯示計(jì)算進(jìn)度條以便于用戶等待，當(dāng)用戶使用本軟件時(shí)，采用用戶登錄系統(tǒng)，這一部分是關(guān)于提升用戶體驗(yàn)的代碼，由VB完成。

（5）代碼的優(yōu)化：本軟件的設(shè)計(jì)是文聰同學(xué)完成的2014年度的大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目（基于遺傳算法的區(qū)域供冷管網(wǎng)布局優(yōu)化軟件系統(tǒng)開(kāi)發(fā)）和基于吳一凡同學(xué)完成的2015年度的大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目（關(guān)于區(qū)域供熱供冷管網(wǎng)管徑進(jìn)一步簡(jiǎn)化軟件設(shè)計(jì)）的進(jìn)一步集成，在進(jìn)行代碼的集成時(shí)我們會(huì)簡(jiǎn)化，優(yōu)化和添加一部分代碼，以提高軟件的計(jì)算速度。

國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展動(dòng)態(tài)

區(qū)域供冷供熱在節(jié)能和環(huán)保方面具有優(yōu)勢(shì)，可以給系統(tǒng)設(shè)計(jì)、運(yùn)行和維護(hù)及空調(diào)用冷水生產(chǎn)及銷售量的集中控制而帶來(lái)規(guī)模效益，在國(guó)外尤其是歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)得到了較廣泛的應(yīng)用，己成為發(fā)達(dá)國(guó)家、發(fā)達(dá)地區(qū)的重要標(biāo)志之一。

在管網(wǎng)布局優(yōu)化方面，1985年，蔡啟林利用破圈法對(duì)熱網(wǎng)平面布置優(yōu)化進(jìn)行了研究，在含多圈連通管網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖中去掉權(quán)值大的鏈支，生成了最小樹，這種最小樹方法適用于枝狀熱力管網(wǎng)的優(yōu)化布置。1988年，馬繼勇對(duì)熱網(wǎng)平面布置優(yōu)化方法進(jìn)行了研究，提出了兩種理想的枝狀熱網(wǎng)平面布置的優(yōu)化方法，一種是全部樹的方法，另一種是權(quán)生成樹方法。1998年，石兆玉以改進(jìn)了的遺傳算法為基礎(chǔ)，結(jié)合多中位原理對(duì)多變量、多約束條件的多熱源供熱系統(tǒng)的優(yōu)化選址和優(yōu)化運(yùn)行進(jìn)行了研究，求得了多熱源選址的全局最優(yōu)解。2003年，李世武和蘇莫明應(yīng)用圖論學(xué)中求解最小樹的算法思想，通過(guò)預(yù)先確定流量與經(jīng)濟(jì)管徑的函數(shù)，采用熱經(jīng)濟(jì)孤立化優(yōu)化方法，提出了熱水管網(wǎng)系統(tǒng)布局與結(jié)構(gòu)優(yōu)化的設(shè)計(jì)方法，解決了管網(wǎng)系統(tǒng)技術(shù)性、節(jié)能性和經(jīng)濟(jì)性之間的綜合和系統(tǒng)布局結(jié)構(gòu)優(yōu)化與參數(shù)優(yōu)化之間的耦合問(wèn)題，使所設(shè)計(jì)的管網(wǎng)運(yùn)行能耗與初投資綜合最小。2004年，李祥立等以某小區(qū)為例，對(duì)枝狀熱網(wǎng)布置進(jìn)行了優(yōu)化研究，通過(guò)計(jì)算分析若干熱網(wǎng)布置形式的經(jīng)濟(jì)性，得出最優(yōu)管網(wǎng)布置方案，并研究了改變熱源位置對(duì)管網(wǎng)布置的影響，得出了熱網(wǎng)布置應(yīng)遵循的原則。2009年，Dobersek和Goricanec以投資運(yùn)行費(fèi)用為目標(biāo)函數(shù)，用非線性的單純形法對(duì)供熱管網(wǎng)進(jìn)行了最優(yōu)樹的路徑及管徑的優(yōu)化，并以一個(gè)管網(wǎng)優(yōu)化為例驗(yàn)證該方法的有效性。2011年，姚莎運(yùn)用圖論理論對(duì)管網(wǎng)布置進(jìn)行了研究，基于最小權(quán)值的思想，以投資最小為目標(biāo)，運(yùn)用圖論理論中最小生成樹算法中的弗勞德算法,采用 MATLAB 語(yǔ)言編寫通用程序, 實(shí)現(xiàn)了熱網(wǎng)布線的全局優(yōu)化，很好的解決了設(shè)計(jì)中管網(wǎng)布線的問(wèn)題。為工程設(shè)計(jì)提供了指導(dǎo)性的思路，減少管網(wǎng)布置過(guò)程中材料不必要的浪費(fèi)。

管徑的優(yōu)化是管網(wǎng)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的核心。在常規(guī)的管網(wǎng)設(shè)計(jì)中，各管段的管徑是根據(jù)管網(wǎng)各管段的計(jì)算流量和推薦比摩阻來(lái)選定。整個(gè)管網(wǎng)管徑的選擇通常以管網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)來(lái)確定的，其經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)包含投資費(fèi)用和運(yùn)行費(fèi)用，而投資費(fèi)用和運(yùn)行費(fèi)用是兩個(gè)相互制約的指標(biāo)。管網(wǎng)的管徑愈小，則輸送阻力愈大，動(dòng)力消耗的運(yùn)行費(fèi)用就愈大；反之，管徑愈大，輸送阻力愈小，動(dòng)力消耗的運(yùn)行費(fèi)用愈小，但管網(wǎng)投資就愈大。管網(wǎng)管徑優(yōu)化設(shè)計(jì)就應(yīng)綜合考慮投資和運(yùn)行費(fèi)用這兩方面的影響。因此，在管網(wǎng)布局一定的情況下，應(yīng)設(shè)計(jì)出每段最優(yōu)管徑，即最經(jīng)濟(jì)管徑，使管網(wǎng)投資和運(yùn)行費(fèi)用之總和達(dá)到最小。國(guó)內(nèi)外對(duì)管徑的優(yōu)化研究興起于上世紀(jì)80年代初，主要的研究算法如模擬退火算法、遺傳算法、蟻群算法、粒子群算法等。

1999年，Cunha等使用模擬退火算法解決環(huán)狀給水管網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，管徑采用離散形式，水力模型求解采用牛頓法，通過(guò)兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)算例的檢驗(yàn)，證明了模擬退火算法在管網(wǎng)優(yōu)化中的可行性。在供冷/熱管網(wǎng)優(yōu)化中，2003年，黃善波以管徑和保溫層厚度為優(yōu)化變量，建立了熱力管線優(yōu)化設(shè)計(jì)的非線性規(guī)劃數(shù)學(xué)模型，應(yīng)用模擬退火算法對(duì)該模型進(jìn)行了求解。計(jì)算結(jié)果表明該算法簡(jiǎn)單，計(jì)算速度較快，對(duì)初始點(diǎn)依賴性不強(qiáng)，計(jì)算結(jié)果合理。2011年，豆中州根據(jù)基本回路分析法對(duì)供熱管網(wǎng)水力模型進(jìn)行求解，得出了各個(gè)管段的流量和壓降，然后建立了供熱管網(wǎng)的年折算費(fèi)用為優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)模型，優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)的決策變量為管網(wǎng)各管段離散的標(biāo)準(zhǔn)公稱直徑，并考慮了和實(shí)際工程相對(duì)應(yīng)的水力約束條件，最后采用模擬退火算法進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，得到了優(yōu)化的管網(wǎng)各管段管徑。1987年，Goldberg等最早把遺傳算法引入管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)領(lǐng)域，闡述了遺傳算法用于管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的一般數(shù)學(xué)模型和求解過(guò)程。此后，研究者在管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)中廣泛地采用遺傳算法。在熱力管網(wǎng)優(yōu)化中， 2010年，Li Xiang-li以管網(wǎng)年折算費(fèi)用最小為目標(biāo)函數(shù)，管徑編碼采用整數(shù)編碼規(guī)則，采用遺傳算法對(duì)大連星海灣商業(yè)區(qū)域的海水源熱泵DHC系統(tǒng)的管網(wǎng)管徑進(jìn)行優(yōu)化，并與傳統(tǒng)的推薦比摩阻法設(shè)計(jì)方法進(jìn)行比較，年折算費(fèi)用節(jié)省了8.54%。

綜合以上文獻(xiàn)資料，管網(wǎng)布局優(yōu)化和管徑優(yōu)化在管網(wǎng)系統(tǒng)優(yōu)化成為了研究熱點(diǎn)，理論成果不少，但是市場(chǎng)還沒(méi)有出現(xiàn)成熟的一套軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)布局優(yōu)化和管徑優(yōu)化。為暖通空調(diào)設(shè)計(jì)者提供一個(gè)較為成熟的軟件，減輕設(shè)計(jì)者的設(shè)計(jì)計(jì)算工作量，針對(duì)一個(gè)區(qū)域供冷供熱項(xiàng)目能夠提供一個(gè)最佳布局和其最優(yōu)管徑組合使得管網(wǎng)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性最佳，這是本項(xiàng)目的目的。

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本項(xiàng)目學(xué)生有關(guān)的研究積累和已取得的成績(jī)

徐群：已通過(guò)英語(yǔ)四六級(jí)，獲得2014-2015一等獎(jiǎng)學(xué)金，2015-2016三等獎(jiǎng)學(xué)金 以及計(jì)算機(jī)二級(jí)證書，已學(xué)過(guò)C語(yǔ)言，Matlab

寧有志：已通過(guò)英語(yǔ)四級(jí)，獲得2014-2015二等獎(jiǎng)學(xué)金，第十屆物電杯電子設(shè)計(jì)  競(jìng)賽二等獎(jiǎng)，計(jì)算機(jī)二級(jí)證書，已學(xué)過(guò)C語(yǔ)言，Matlab

章秀玲：已通過(guò)英語(yǔ)四級(jí)，獲得2014-2015學(xué)年及2015-2016學(xué)年二等獎(jiǎng)學(xué)金以             及計(jì)算機(jī)二三級(jí)證書，已學(xué)過(guò)C語(yǔ)言，Matlab

謝拓：已通過(guò)英語(yǔ)四級(jí)，獲得2014-2015二等獎(jiǎng)學(xué)金，2015-2016學(xué)年三等獎(jiǎng)學(xué)金以及計(jì)算機(jī)二級(jí)證書，已學(xué)過(guò)C語(yǔ)言，Matlab

項(xiàng)目的創(chuàng)新點(diǎn)和特色

1、軟件界面設(shè)計(jì)采用vb進(jìn)行編制，具體算法通過(guò)調(diào)用MATLAB子程序來(lái)實(shí)現(xiàn)。

2、軟件分為兩個(gè)子系統(tǒng)，分別完成管網(wǎng)布局和管徑優(yōu)化。集成后的軟件可以提供給設(shè)計(jì)院和科研單位，從而減少設(shè)計(jì)工程師的計(jì)算工作量，為區(qū)域供冷供熱管網(wǎng)系統(tǒng)優(yōu)化提供一個(gè)可靠的參考。

項(xiàng)目的技術(shù)路線及預(yù)期成果

主要通過(guò)構(gòu)造抽象或簡(jiǎn)化的管網(wǎng)設(shè)計(jì)模型，借助于最優(yōu)解理論和計(jì)算機(jī)技術(shù)，研究如何在管網(wǎng)工程規(guī)劃設(shè)計(jì)中合理地選擇有關(guān)技術(shù)參數(shù)，從各種方案中找出既能滿足工程設(shè)計(jì)要求，又能降低工程投資的最優(yōu)或次優(yōu)設(shè)計(jì)方案，作為工程建設(shè)和運(yùn)行管理的技術(shù)依據(jù)，同時(shí)通過(guò)此最優(yōu)設(shè)計(jì)直接獲取工程造價(jià)的相關(guān)信息。

一、技術(shù)路線

1、利用Matlab軟件完成算法編制； 

2、 利用VB軟件編制軟件界面，完成管網(wǎng)參數(shù)輸入，Matlab子程序調(diào)用，優(yōu)化結(jié)果顯示。

二、預(yù)期成果

1、完成軟件：區(qū)域供冷供熱管網(wǎng)布局和管徑優(yōu)化集成軟件。通過(guò)Visual Basic設(shè)計(jì)的軟件人機(jī)交互界面，具體算法通過(guò)調(diào)用MATLAB子程序來(lái)實(shí)現(xiàn)。

2、軟件制作完畢后，完成軟件著作權(quán)申請(qǐng)。

3、提高本項(xiàng)目成員獨(dú)立從事科研能力，以及理論研究與實(shí)際動(dòng)手能力。加強(qiáng)團(tuán)隊(duì)合作意識(shí)，創(chuàng)新意識(shí)，提升文獻(xiàn)的查閱撰寫能力。

年度目標(biāo)和工作內(nèi)容（分年度寫）

2017-2018年度：

1. 明確分工，聯(lián)系指導(dǎo)老師，查閱資料，進(jìn)行相關(guān)科研資料籌備與整理；

2. 隨后進(jìn)入資料準(zhǔn)備階段，完成軟件構(gòu)思；

3. 理解算法，完成Matlab算法；

4. 利用VB編制界面；

5. 完成VB調(diào)用Matlab子程序調(diào)用。

2018-2019年度：

1. 進(jìn)行軟件調(diào)試，修復(fù)bug；

2. 編制軟件使用說(shuō)明書；

3. 申報(bào)軟件著作權(quán)；

4.  最終完成結(jié)題報(bào)告。

指導(dǎo)教師意見(jiàn)

申請(qǐng)者及項(xiàng)目組成員通過(guò)大學(xué)2年學(xué)習(xí)，掌握了遺傳算法的工作原理和基本軟件編程思想，和具備了數(shù)據(jù)分析和軟件編制的基本能力。課題屬于前沿探索性研究，創(chuàng)新性明顯，申請(qǐng)者具有良好的理論基礎(chǔ)和解決本學(xué)科問(wèn)題的能力，能夠完成本項(xiàng)目研究任務(wù)。建議立項(xiàng)，予以支持。

簽字：   曾競(jìng)                日期：2017.4.12