壓力管道輸水灌溉優(yōu)化設(shè)計(jì)研究進(jìn)展

師志剛1，2，劉群昌1，2，白美健1，2，章少輝1，2

（1.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院，北京100048；2.國(guó)家節(jié)水灌溉北京工程技術(shù)研究中心，北京100048）

摘要：我國(guó)被列為世界上最缺水的13個(gè)國(guó)家之一，節(jié)約用水是一項(xiàng)戰(zhàn)略國(guó)策。農(nóng)業(yè)是用水大戶，因此發(fā)展節(jié)水灌溉是我國(guó)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的必然選擇。目前，壓力管道輸水灌溉以其節(jié)水、減少占地、省工、適用于當(dāng)前的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)責(zé)任制等優(yōu)點(diǎn)在節(jié)水灌溉中廣泛應(yīng)用。根據(jù)壓力管道輸水灌溉技術(shù)在國(guó)內(nèi)外的發(fā)展?fàn)顩r，總結(jié)分析了壓力管道輸水灌溉設(shè)計(jì)過(guò)程中有關(guān)優(yōu)化目標(biāo)、傳統(tǒng)及智能優(yōu)化算法、優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件等方面的研究概況，探討了壓力管道輸水灌溉優(yōu)化設(shè)計(jì)中存在一些的問(wèn)題，并對(duì)其今后的研究前景進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：壓力管道灌溉；優(yōu)化目標(biāo)；算法；軟件

我國(guó)是世界上最缺水的13個(gè)國(guó)家之一，以僅占全球5%～7%的淡水資源供養(yǎng)了約占世界20%的人口。據(jù)估計(jì)，到2030年，在降水不減少的情況下，我國(guó)人口將達(dá)16億，人均水資源占有量將由當(dāng)前的2 200 m3下降到1 760 m3，瀕臨國(guó)際公認(rèn)的1 700 m3嚴(yán)重缺水警戒線，水資源短缺將成為影響我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)健康發(fā)展和生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的主要問(wèn)題之一［1］。農(nóng)業(yè)灌溉是用水大戶，而目前我國(guó)大部分地區(qū)灌溉水平仍然較為低下，灌溉用水在輸配水及田間灌溉過(guò)程中損失嚴(yán)重。因此，進(jìn)一步改進(jìn)灌溉輸配水工程措施，減少灌溉用水損失，提高灌溉水利用系數(shù)已成為緩解我國(guó)農(nóng)業(yè)用水緊張的必然趨勢(shì)。近年來(lái)，壓力管道輸水灌溉技術(shù)在我國(guó)大量推廣應(yīng)用。和傳統(tǒng)的渠道灌溉相比，壓力管道輸水灌溉有利于提高土地利用率，有利于實(shí)現(xiàn)水肥一體化和灌溉自動(dòng)化，便于機(jī)耕，易于控制，使用方便。所以壓力管道灌溉是我國(guó)節(jié)水農(nóng)業(yè)的主要發(fā)展方向之一，在我國(guó)農(nóng)業(yè)灌溉中所占的比例也越來(lái)越高［2］。

1 壓力管道輸水灌溉在國(guó)內(nèi)外的發(fā)展概況

管道輸水灌溉技術(shù)在國(guó)外起步較早，20世紀(jì)20年代歐美便采用了壓力管道輸水灌溉技術(shù)。發(fā)展至今，美國(guó)的管道輸水灌溉已占灌溉總面積的近一半，英國(guó)、瑞典等歐洲國(guó)家90%以上的灌溉地塊實(shí)現(xiàn)了管道輸水［3］。

當(dāng)前，以色列的管道輸水灌溉技術(shù)在世界上較為領(lǐng)先，其97%以上的灌溉面積實(shí)現(xiàn)了管道輸水［4］，而且除個(gè)別偏遠(yuǎn)山區(qū)外，全部實(shí)現(xiàn)了管道灌溉管理。在亞洲，日本的管道灌溉技術(shù)發(fā)展較早，自20世紀(jì)60年代日本便開(kāi)始在旱地灌溉中采用輸水管道代替斗渠；70年代末又采用大口徑管道取代干渠；80年代一半以上的新建灌溉系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了輸水管道化［5］。

現(xiàn)在日本的農(nóng)業(yè)灌溉開(kāi)始從部分管道輸水逐步向多級(jí)組合的完整管道灌溉系統(tǒng)發(fā)展，同時(shí)其灌溉管網(wǎng)自動(dòng)化程度較高［3］。

其他國(guó)家在舊灌區(qū)改造過(guò)程中，也很重視管道輸水技術(shù)的發(fā)展，如澳大利亞在馬克灌區(qū)進(jìn)行管道輸水灌溉改造后，節(jié)約了33%的灌溉用水；加拿大在伯塔灌區(qū)進(jìn)行管道輸水灌溉改造后，灌溉水利用率提高幅度明顯，由改造前的35%～60%提高至改造后的75%［6］。

管道輸水灌溉技術(shù)在我國(guó)的發(fā)展始于20世紀(jì)50年代。隨后我國(guó)在70年代末引進(jìn)低壓軟管輸水灌溉技術(shù)，先后在黑龍江和山東等地試驗(yàn)應(yīng)用。在80年代我國(guó)北方地區(qū)干旱嚴(yán)重，水資源供需矛盾日益突出，平原井灌區(qū)、渠灌區(qū)和提水灌區(qū)開(kāi)始推廣應(yīng)用壓力管道輸水灌溉技術(shù)［7］。

自1986年以后，管道輸水灌溉在我國(guó)發(fā)展較快，到2003年底，管道輸水灌溉面積已覆蓋25個(gè)省、自治區(qū)、直轄市。壓力管道輸水灌溉技術(shù)不僅在平原地區(qū)得到了廣泛應(yīng)用，在一些地形復(fù)雜的山丘區(qū)也逐步得到了發(fā)展，山丘區(qū)管道的輸水壓力相對(duì)較大，多采用對(duì)地形適應(yīng)性較強(qiáng)的噴灌、微灌等技術(shù)［8］。

截止2014年底，全國(guó)灌溉面積70.652×106hm2，其中耕地灌溉面積64.540×106hm2，占耕地面積的53.8%，林地灌溉面積2.229×106hm2，牧草灌溉面積1.092×106hm2。其中節(jié)水灌溉面積29.019×106hm2，占全國(guó)灌溉面積的41.07%。高效節(jié)水灌溉面積16.114×106hm2，占灌溉面積的22.81%，其中噴灌3.162×106hm2，微灌4.682×106hm2，低壓管灌8.271×106hm2［9］。

但由于經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平的制約，當(dāng)前我國(guó)壓力管道灌溉所占比例依然不夠高，相對(duì)于以色列在97%以上的農(nóng)田實(shí)現(xiàn)了管道輸水的狀況，我國(guó)壓力管道輸水灌溉技術(shù)的推廣發(fā)展依然任重而道遠(yuǎn)。

2 壓力管道輸水灌溉優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)的確定方法

由于壓力管道輸水灌溉系統(tǒng)有其自身的一些特點(diǎn)，容易受到水源位置、灌溉規(guī)模、田塊地形、作物種類等因素的影響，因此，管道系統(tǒng)的優(yōu)化研究成為其設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

灌溉管道系統(tǒng)優(yōu)化的前提是要選擇合適的優(yōu)化目標(biāo)，針對(duì)選定的目標(biāo)建立適用的數(shù)學(xué)模型。

2.1 單目標(biāo)優(yōu)化

當(dāng)前有許多研究人員圍繞投資費(fèi)用最小、管徑最優(yōu)、管路最短等不同目標(biāo)來(lái)進(jìn)行壓力管道灌溉系統(tǒng)的優(yōu)化。其中節(jié)省投資費(fèi)用往往是優(yōu)先考慮的因素。

2.1.1 投資費(fèi)用最小

工程造價(jià)通常是建設(shè)方和設(shè)計(jì)人員最為關(guān)注的問(wèn)題，因此，以投資費(fèi)用最小為目標(biāo)進(jìn)行壓力管道灌溉系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)也最為常見(jiàn)。如董文楚［10］根據(jù)灌溉面積、灌水流量、地塊形狀等在灌溉田塊合理布置給水栓后，以投資費(fèi)用最小為目標(biāo)，在各給水栓間管徑確定的情況下調(diào)整管長(zhǎng)，確定了樹(shù)狀管道系統(tǒng)的最優(yōu)布置。

劉子沛［11］建立了投資費(fèi)用最小為優(yōu)化目標(biāo)的數(shù)學(xué)模型，在管道布設(shè)時(shí)假定兩給水栓間的管徑相同，以標(biāo)準(zhǔn)管徑作為決策變量，從而確定管道直徑。魏永曜等［12］以投資費(fèi)用最小為目標(biāo)，根據(jù)用水單位邊界來(lái)布設(shè)給水栓后，確定管道長(zhǎng)度時(shí)引入圖論中的最小生成樹(shù)，使管道總長(zhǎng)度最短。

白丹［13］建立了微灌管道系統(tǒng)線性規(guī)劃模型，根據(jù)0.618法分配管道壓力水頭差，從而使整個(gè)管道系統(tǒng)加壓泵站及輸水管道投資費(fèi)用最小。周榮敏等［14］以投資費(fèi)用最小為目標(biāo)，采用單親遺傳算法來(lái)確定給定樹(shù)狀管道系統(tǒng)的最佳布設(shè)方案。Perelman L等［15］以投資費(fèi)用最小為目標(biāo)，應(yīng)用統(tǒng)計(jì)學(xué)原理，將離散型變量的組合優(yōu)化問(wèn)題轉(zhuǎn)化成隨機(jī)問(wèn)題，從而確定管道系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的水泵揚(yáng)程、管徑大小等參數(shù)。

馬孝義等［16］以投資費(fèi)用最小為目標(biāo)，采用整數(shù)編碼的遺傳算法，在管道系統(tǒng)一組布設(shè)方案基礎(chǔ)上建模來(lái)?yè)袢〕鲎顑?yōu)管徑方案。

2.1.2 管徑最優(yōu)

對(duì)于壓力管道灌溉系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，流量一定時(shí)，管徑大則流速小，水頭損失少，所需供水壓力相應(yīng)較小，提水的話，所耗電能也相應(yīng)減少，運(yùn)行時(shí)能耗費(fèi)用就會(huì)較低；然而大管徑的管材價(jià)格卻往往較高。反之，能耗費(fèi)用會(huì)增加，管材價(jià)格則可降低。因此最優(yōu)管徑的選取是壓力管道灌溉系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的一個(gè)關(guān)鍵目標(biāo)。

在管徑優(yōu)化研究方面，張慶華等［17］以壓力管道灌溉系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)管徑求解為目標(biāo)，根據(jù)灌溉系統(tǒng)投資費(fèi)用和管徑關(guān)系建立了模型，無(wú)允許管徑限制的非約束條件下轉(zhuǎn)化為多元函數(shù)極值進(jìn)行求解，有允許管徑限制的約束條件下轉(zhuǎn)化為非線性規(guī)劃問(wèn)題來(lái)求解。李玉軍［18］以管徑優(yōu)化為目標(biāo)，總結(jié)多年農(nóng)田及果樹(shù)壓力管道灌溉系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，改進(jìn)并簡(jiǎn)化了噴灌、滴灌、果樹(shù)灌溉的塑料壓力管路經(jīng)濟(jì)管徑的計(jì)算公式。

2.1.3 管路最短

管路長(zhǎng)短決定了壓力管道灌溉工程的投資和田間灌水的質(zhì)量，因此也是管道灌溉系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)中需統(tǒng)籌考慮的重要問(wèn)題。傳統(tǒng)的方法是把管道系統(tǒng)優(yōu)化布置轉(zhuǎn)化為管路最短問(wèn)題來(lái)處理，而最短路徑問(wèn)題是線性規(guī)劃問(wèn)題，求解方法較多，圖論中的Dijkatra算法是其中一種簡(jiǎn)單而有效的方法［19］。

Lorente S等［20］和Schaetzen W B F De等［21］以路徑最短為目標(biāo)對(duì)管道系統(tǒng)的優(yōu)化問(wèn)題進(jìn)行了研究。管道系統(tǒng)最短路徑優(yōu)化的常用思路往往是從水源向取水口，再向各管段逐次尋找優(yōu)化結(jié)果，從而確定最終的優(yōu)化方案，然而在此優(yōu)化過(guò)程中對(duì)管段流量的變化卻往往考慮得不多。

此外，管道系統(tǒng)泵站揚(yáng)程最小、能源消耗最少等也是優(yōu)化的目標(biāo)。如Gosselin Louis等［22］認(rèn)為管道系統(tǒng)費(fèi)用最少并非所有情況下都是最佳優(yōu)化目標(biāo)，他們分別以泵站揚(yáng)程最小和所需功率最小為優(yōu)化目標(biāo)，構(gòu)建了管道系統(tǒng)優(yōu)化模型，并通過(guò)對(duì)兩個(gè)模型的分析比較以及算例驗(yàn)證，認(rèn)為以泵站所需功率最小為目標(biāo)比以泵站揚(yáng)程最小為目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化效果更好，不過(guò)該優(yōu)化方案對(duì)環(huán)狀管道系統(tǒng)不適用。

2.2 多目標(biāo)優(yōu)化

由于制約管道灌溉系統(tǒng)優(yōu)化的約束條件較多，因此綜合考慮投資費(fèi)用、管徑最優(yōu)、管路最短、能耗最少等多個(gè)目標(biāo)，進(jìn)行多目標(biāo)尋優(yōu)求解是管道系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化的一個(gè)重點(diǎn)。

Alandí P Planells等［23］以工程投資和能源消耗最少為目標(biāo)，開(kāi)發(fā)了一種基于灌溉管道系統(tǒng)布局和支管管徑優(yōu)化的程序。王仁超等［24］針對(duì)渠灌區(qū)管道灌溉系統(tǒng)，提出了基于不完全偏好信息的多目標(biāo)優(yōu)化，優(yōu)化目標(biāo)可根據(jù)需要進(jìn)行決策，并以經(jīng)濟(jì)適用性、系統(tǒng)可靠性和未來(lái)適應(yīng)性作為評(píng)價(jià)體系，用實(shí)例證明了其可行性。Ostfeld Avi［25］以管道灌溉系統(tǒng)造價(jià)最低和管網(wǎng)運(yùn)行可靠性為目標(biāo)對(duì)管道系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化研究。

隨著灌溉管道系統(tǒng)設(shè)計(jì)日趨標(biāo)準(zhǔn)化，運(yùn)行管理自動(dòng)化程度要求也不斷提高，多目標(biāo)優(yōu)化研究也越來(lái)越重要。

3 壓力管道輸水灌溉優(yōu)化設(shè)計(jì)算法研究進(jìn)展

3.1 傳統(tǒng)優(yōu)化算法

壓力管道灌溉系統(tǒng)選定優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)后，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)往往針對(duì)管路布置，采用線性規(guī)劃、非線性規(guī)劃、動(dòng)態(tài)規(guī)劃等算法進(jìn)行管道系統(tǒng)優(yōu)化，來(lái)尋找最優(yōu)方案。如Kaur Damanjeet［26］、Gupta I等［27－28］采用線性規(guī)劃方法，建立了樹(shù)狀管道灌溉系統(tǒng)線性規(guī)劃模型［26－28］。

Morgan D R等［29］采用兩階段法，根據(jù)所建立的兩個(gè)線性規(guī)劃模型，分別進(jìn)行管道布設(shè)與最優(yōu)管徑的確定。Perelman L等［15］采用交叉熵法對(duì)管道系統(tǒng)各管段管徑，泵站揚(yáng)程等設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，從而使系統(tǒng)的投資和運(yùn)行管理費(fèi)用最少。Buras［30］、聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織［31］、林性粹等［32］研究人員或機(jī)構(gòu)分別采用動(dòng)態(tài)規(guī)劃算法、單價(jià)矢量和法、正交設(shè)計(jì)法等對(duì)管道系統(tǒng)布設(shè)進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)。

傳統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)算法往往計(jì)算量較大，針對(duì)簡(jiǎn)單的壓力管道灌溉系統(tǒng)進(jìn)行單個(gè)或兩個(gè)目標(biāo)的優(yōu)化計(jì)算較為常見(jiàn)，但對(duì)復(fù)雜的管道系統(tǒng)進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化計(jì)算則難以實(shí)施或精度不夠。

3.2 智能優(yōu)化算法

壓力管道灌溉系統(tǒng)優(yōu)化是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，而傳統(tǒng)優(yōu)化方法在計(jì)算工作量上是比較耗時(shí)耗力的，因此，提高優(yōu)化算法的效率顯得十分重要，智能優(yōu)化算法正是在此背景下應(yīng)運(yùn)而生并推廣應(yīng)用的。近年來(lái)遺傳算法、模擬退火算法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等智能算法越來(lái)越多地被研究人員應(yīng)用于壓力管道灌溉系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)中，在解決所涉及的非線性和多目標(biāo)復(fù)雜函數(shù)求解問(wèn)題的同時(shí)，也極大提高了算法效率。

3.2.1 基于遺傳算法的壓力管道輸水灌溉優(yōu)化設(shè)計(jì)研究進(jìn)展

遺傳算法（Genetic Algorithm）最早由美國(guó)的Holland J教授提出，主要是模仿生物在進(jìn)化過(guò)程中的規(guī)律而產(chǎn)生的一種隨機(jī)搜索算法。其主要優(yōu)點(diǎn)有：能對(duì)結(jié)構(gòu)對(duì)象進(jìn)行直接操作，避開(kāi)了傳統(tǒng)算法中求導(dǎo)與函數(shù)連續(xù)性限定的計(jì)算問(wèn)題；內(nèi)部隱并行性與全局尋優(yōu)能力較強(qiáng)，優(yōu)化結(jié)果好；尋優(yōu)概率化能自動(dòng)獲取并指導(dǎo)全局搜索空間，在不需要確定的約束條件下能自適應(yīng)地調(diào)整搜索方向［33］。

Walters G A等［34］最早將遺傳算法引入壓力管道系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)。Simpson A R等［35］在采用遺傳算法進(jìn)行管道灌溉系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，將其與其他算法的優(yōu)化效果進(jìn)行了分析比較，最終發(fā)現(xiàn)遺傳算法的搜索效率是比較高的。Dy Graeme C等［36］采用改進(jìn)的遺傳算法求解了管道系統(tǒng)優(yōu)化問(wèn)題。Smith David K等［37］根據(jù)管道系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)連接管段特性的不同，利用遺傳算法得到了系統(tǒng)優(yōu)化布設(shè)的最小生成樹(shù)。周榮敏等［14］采用單親遺傳算法對(duì)管道系統(tǒng)中常見(jiàn)的樹(shù)狀管網(wǎng)布設(shè)形式進(jìn)行了優(yōu)化。朱家松等［38］將管道系統(tǒng)GIS與遺傳算法進(jìn)行結(jié)合，編制了管道系統(tǒng)GIS優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)程序。Zyl Jakobus E Van等［39］在管道系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)中采用了基于上山法的遺傳算法來(lái)加速收斂。

白丹［40］在管道系統(tǒng)的環(huán)狀管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)中采用了遺傳－線性規(guī)劃算法，結(jié)合了遺傳算法與線性規(guī)劃方法的優(yōu)點(diǎn)。萬(wàn)年華等［41］在噴灌系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)中采用了綜合考慮管道系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性與運(yùn)行可靠性的遺傳算法優(yōu)化模型。在管道系統(tǒng)的樹(shù)狀管網(wǎng)優(yōu)化布設(shè)中，馬孝義等［16］采用了基于整數(shù)編碼遺傳算法兩級(jí)優(yōu)化方法，李海濱等［42］則建立了基于整數(shù)遺傳算法的管道系統(tǒng)布設(shè)與管徑同步優(yōu)化模型。

因?yàn)檫z傳算法能夠從群體出發(fā)進(jìn)行搜索且具備潛在并行性；在計(jì)算精度要求時(shí)，計(jì)算時(shí)間少，魯棒性高；具有可擴(kuò)展性，容易與其他算法結(jié)合等諸多優(yōu)勢(shì)，因此在壓力管道灌溉系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)方面的研究發(fā)展較快，是當(dāng)下眾多管道系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究人員較常采用的智能優(yōu)化算法。

3.2.2 基于模擬退火算法的壓力管道輸水灌溉優(yōu)化設(shè)計(jì)研究進(jìn)展

模擬退火算法（Simulated Annealing）于1953年由Metropolis N等提出，Kirkpatrick S等最早在組合優(yōu)化領(lǐng)域中使用。它主要是受物理中固體物質(zhì)退火過(guò)程的啟發(fā)，因?yàn)樵撨^(guò)程和一般組合優(yōu)化問(wèn)題有一定的相似性。模擬退火算法核心的數(shù)學(xué)思想是采用數(shù)值分析中Monte－Carlo迭代求解方法來(lái)隨機(jī)尋優(yōu)而得到最優(yōu)解。在尋優(yōu)過(guò)程中，它通過(guò)在全局中給定一個(gè)時(shí)變的概率來(lái)防止計(jì)算結(jié)果是局部極小的情況，給定概率具有全局優(yōu)化性與最終趨于零的突跳性，且搜索過(guò)程是一種全局的串行結(jié)構(gòu)，運(yùn)行效率較高［43］。Cunha（1999）等較早地在管道系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究中采用了模擬退火逼近算法［44］。王新坤等［45－46］則先是將模擬退火算法與多重群體遺傳算法相結(jié)合，建立了管道系統(tǒng)的樹(shù)狀管網(wǎng)優(yōu)化模型，以用于大型樹(shù)狀管網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)；后來(lái)又設(shè)計(jì)出一種新的退火遺傳算法，除繼承退火模擬的局部尋優(yōu)能力外，還兼?zhèn)溥z傳算法的全局尋優(yōu)能力，大大地提高了求解結(jié)果的效率與精度。洪濤等［47］基于模擬退火遺傳算法，提出以造價(jià)最小為目標(biāo)函數(shù)，節(jié)點(diǎn)壓力為約束條件，標(biāo)準(zhǔn)管徑為決策變量的自壓微灌干管布設(shè)優(yōu)化模型。

目前模擬退火算法在圖象處理、路徑優(yōu)化、集成電路設(shè)計(jì)、工業(yè)優(yōu)化調(diào)度等方面應(yīng)用較多，在壓力管道灌溉系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)上應(yīng)用相對(duì)較少。由于該算法與以往的算法相比，具有描述簡(jiǎn)單，使用靈活，運(yùn)行效率高，較少受初始條件限制，適合并行計(jì)算等優(yōu)點(diǎn)，因此未來(lái)其在壓力管道灌溉系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用有較為廣闊的前景。

3.2.3 基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化算法的壓力管道輸水灌溉優(yōu)化設(shè)計(jì)研究進(jìn)展

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Artificial Neural Networks）是受生物學(xué)啟發(fā)，對(duì)生物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)從結(jié)構(gòu)、實(shí)現(xiàn)機(jī)理和功能上進(jìn)行模擬與近似的一種智能算法。其主要思想是搭建傳統(tǒng)優(yōu)化過(guò)程中目標(biāo)函數(shù)及約束條件與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中非線性動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)的映射關(guān)系，根據(jù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的穩(wěn)定平衡態(tài)來(lái)確定優(yōu)化問(wèn)題的最優(yōu)解。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法在計(jì)算過(guò)程中采用非線性系統(tǒng)中動(dòng)態(tài)演化原理和并行分布式計(jì)算方法，可對(duì)優(yōu)化問(wèn)題進(jìn)行快速求解［48］。周榮敏等［49］基于Hopfield神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型優(yōu)化算法，建立了一種自壓式樹(shù)狀管道系統(tǒng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化模型。陳磊等［50］利用BP神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)建立了宏觀狀態(tài)管道系統(tǒng)優(yōu)化模型，并采用自適應(yīng)遺傳算法來(lái)對(duì)BP神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化。

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化算法分類準(zhǔn)確度高，魯棒性與容錯(cuò)能力強(qiáng)，能充分逼近復(fù)雜非線性關(guān)系最優(yōu)解，并行分布處理能力強(qiáng)，因而近年來(lái)在壓力管道灌溉系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)方面的研究逐漸增多，但其在該領(lǐng)域的研究應(yīng)用還有待進(jìn)一步加強(qiáng)，同時(shí)還需要完善其優(yōu)化設(shè)計(jì)后實(shí)際工程的效益評(píng)價(jià)及模型驗(yàn)證工作。

此外，一些經(jīng)典算法與其他相關(guān)數(shù)學(xué)理論進(jìn)行結(jié)合而形成的優(yōu)化算法，如隨機(jī)規(guī)劃、灰色規(guī)劃、模糊規(guī)劃等算法在壓力管道灌溉優(yōu)化設(shè)計(jì)研究中的應(yīng)用也有待探討［19］。

總之，各種啟發(fā)式算法在壓力管道灌溉系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)中得到了較為廣泛的應(yīng)用，從目前應(yīng)用效果來(lái)看，遺傳算法相對(duì)成熟，其他算法尚需繼續(xù)深入研究，尤其是把一種算法和其他優(yōu)化算法相結(jié)進(jìn)行管道系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)將是今后的一個(gè)重要研究方向。

4 壓力管道輸水灌溉優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)用軟件的發(fā)展

隨著計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)的突飛猛進(jìn)，關(guān)于壓力管道系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的軟件日益增多，其中以Auto CAD為操作平臺(tái)進(jìn)行開(kāi)發(fā)的相關(guān)軟件是當(dāng)下的主流，如用于市政管道系統(tǒng)設(shè)計(jì)的HY－SZGX V4.0、給水系統(tǒng)優(yōu)化軟件（WADSOP）、天正和理正的給排水設(shè)計(jì)軟件、WaterCAD等。

然而鑒于壓力管道灌溉系統(tǒng)自身的一些特點(diǎn)，這些軟件在灌溉管道系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)中應(yīng)用較少。自20世紀(jì)90年代以來(lái)，關(guān)于壓力管道灌溉系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的軟件研發(fā)逐漸增多，以高級(jí)語(yǔ)言與AutoCAD為開(kāi)發(fā)平臺(tái)的較為常見(jiàn)。從最開(kāi)始用于灌溉管道水力學(xué)的計(jì)算模塊出發(fā)，逐步在其中添加了繪圖模塊、管材模塊、工程造價(jià)模塊、管網(wǎng)布置模塊、管徑優(yōu)化模塊和人工干預(yù)模塊等，使得軟件越來(lái)越人性化、智能化和可視化。

陳寧生等［51］較早地研發(fā)了以管道系統(tǒng)水力計(jì)算為主的低壓管道輸水輔助設(shè)計(jì)軟件。彭永臻等［52］則研發(fā)了具有人機(jī)對(duì)話功能，可對(duì)管道設(shè)計(jì)進(jìn)行宏觀控制與局部干預(yù)的灌溉管道系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件。

王學(xué)珍等［53］研發(fā)了能自動(dòng)實(shí)現(xiàn)管道系統(tǒng)優(yōu)化布設(shè)的計(jì)算機(jī)繪圖程序，其中管道系統(tǒng)優(yōu)化布設(shè)采用了Prim算法、Kruska算法等，繪圖程序則采用了BASIC語(yǔ)言。Andrade C等［54］基于Windows平臺(tái)研發(fā)了灌溉系統(tǒng)仿真模型SPRINKMOD，可用來(lái)模擬管道系統(tǒng)壓力與水量的分配。

嚴(yán)雷等［55］開(kāi)發(fā)了能進(jìn)行人工干預(yù)的CAD噴灌系統(tǒng)管道布設(shè)優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件，該軟件以年費(fèi)用最小為優(yōu)化目標(biāo)來(lái)求解最優(yōu)管徑，并在其中加入了圖形處理模塊、數(shù)據(jù)庫(kù)模塊與計(jì)算模塊等功能。Morley M S等［56］在GIS的基礎(chǔ)上研發(fā)了一款管道系統(tǒng)優(yōu)化決策管控軟件（GAnet），該軟件主要采用遺傳算法對(duì)管道系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，還兼?zhèn)湟蕴岣哕浖m用性為目的的二次開(kāi)發(fā)功能。

許建中等［57］研發(fā)了“水力圖解”軟件，通過(guò)基于能量疊加的諾謨圖法、計(jì)算水力損失曲線的準(zhǔn)有限元法與計(jì)算機(jī)視窗技術(shù)，將管道系統(tǒng)水力設(shè)計(jì)的數(shù)解法、圖解法等優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行了集成。歐建峰等［58］基于Auto－CAD、Visual Basic、Excel等軟件，開(kāi)發(fā)了微灌工程規(guī)劃設(shè)計(jì)專家系統(tǒng)，該系統(tǒng)可進(jìn)行管道系統(tǒng)布設(shè)、水力計(jì)算與水泵等設(shè)備選型，并根據(jù)其計(jì)算結(jié)果自動(dòng)生成管道系統(tǒng)布設(shè)圖、管道系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖與工程造價(jià)表。

張麗珍［59］開(kāi)發(fā)了一款固定式二級(jí)規(guī)則灌溉管道系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件，其主要功能是進(jìn)行規(guī)則地塊的噴灌系統(tǒng)設(shè)計(jì)，不僅能優(yōu)化布置出工程管網(wǎng)噴頭和管道布設(shè)形式，還能統(tǒng)計(jì)出它們的數(shù)量，方便工程造價(jià)的計(jì)算。鄭純輝等［60］建立了GIS與可視化技術(shù)相結(jié)合的微灌管道系統(tǒng)智能化設(shè)計(jì)軟件，兼具空間分析功能與可視化表達(dá)方式。周明耀等［61］集成CAD、GIS、數(shù)據(jù)庫(kù)等軟件開(kāi)發(fā)工具，研發(fā)了低壓管道輸水灌溉系統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件，能夠提供圖形、文本、表格等多種形式的成果輸出。

邱象玉等［62］進(jìn)行了灌溉管道系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的CAD二次開(kāi)發(fā)，研究了滴灌管網(wǎng)布置的CAD模型，構(gòu)建了相應(yīng)的PIPE算法，將滴灌系統(tǒng)前期規(guī)劃、管網(wǎng)布置以及水力計(jì)算等各部分合理連接，提高了滴灌系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)效率。宰松梅等［63］依據(jù)現(xiàn)行的滴灌工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，采用模塊化技術(shù)，以Visual Basic作為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，研發(fā)了滴灌工程規(guī)劃輔助設(shè)計(jì)軟件，可進(jìn)行灌水器等參數(shù)選擇及設(shè)計(jì)圖表成果的自動(dòng)輸出。

張桂春［64］根據(jù)微灌工程規(guī)劃設(shè)計(jì)規(guī)范，結(jié)合CAD繪圖特點(diǎn)，運(yùn)用其內(nèi)嵌VBA語(yǔ)言，研發(fā)了集不規(guī)則地形的圖形繪制、水力計(jì)算、材料表生成等功能模塊為一體的微灌工程優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件。

楊國(guó)英等［65］根據(jù)現(xiàn)行微灌工程技術(shù)規(guī)范，結(jié)合計(jì)算機(jī)編程語(yǔ)言C＃和CAD的二次開(kāi)發(fā)、NET API技術(shù)以及SQLite數(shù)據(jù)庫(kù)等，開(kāi)發(fā)了滴灌工程計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件，兼具自動(dòng)計(jì)算管道高程與自動(dòng)生成滴灌工程設(shè)計(jì)報(bào)告的優(yōu)點(diǎn)。