建立工程计算数学模型的新尝试

建立工程计算数学模型的新尝试摘要:在工程实践中，由于我们对研究对象本身认识的局限性，使得我们通常使用的工程模型具有局限性，需要在实践中不断随应用的需要得到修正和更新。关键词:建立工程计算数学模型的新尝试在工程实践中，由于我们对研究对象本身认识的局限性，使得我们通常使用的工程模型具有局限性，需要在实践中不断随应用的需要得到修正和更新。随着许多新的研究技术和工具的出现，许多新的技术被应用到工程实践中来，现在的研究热点：地理信息系统（GIS）和人工神经网络（ANN）技术也不例外。ANN可以实现对非结构化数据集进行非线性自适应处理，GIS提供了实现海量数据管理、工程模拟以及动态预测的功能。从工程实际出发，集成先进的GIS和ANN技术建立新的模型，为工程实际提供决策支持，这是建立工程计算数学模型的新尝试。1探索新的建模思路的必要性在工程实践中，为了能够数值求解和求解方便，那些经典的工程模型往往是忽略了一些次要的影响因素，并对客观环境条件作出诸多假设限制，计算结果只反映属性间的一定数量关系。随着各学科研究的深入，科学研究的手段也随着科技进步而不断更新，人们研究的问题明显复杂化，研究的问题也明显倾向于不确定性和模糊性，从而对模型的自学习、自组织和自适应能力提出了很高的要求。另外，随着计算机技术的进步，带动了数学建模技术的飞速发展。但是目前这种应用还多是简单的停留在提高计算速度上，没能将计算机技术植根于研究的实际工程问题中，根据实际问题量身定制模型。出于实际工作的需要，用于科学研究的工程计算模型不断被改进，甚至某些领域放弃了原有模型，根据某些新的理念，实现了从更高的水平建立新的模型。2一种新的建模思路在对宜昌市葛洲坝地区的城区供水管网监控研究中，需要对供水管网系统中海量数据进行管理，并对系统工况进行精度较高的计算。鉴于地理信息系统对各种数据的强大管理能力，而且国内部分城市已经有了自来水管网地理信息系统的成功经验，所以数据管理的功能借助现成的GIS软件就能实现。但是，由于葛洲坝地区的实际情况的特殊，传统研究方法很难保证计算精度，工况计算是研究工作的瓶颈。以往进行管道水力工况计算都是根据管道布置形式，采用水力损失进行计算。计算过程一般是通过测定管道首端水压力，根据测得的首端压力、管道布置形式、管径、流量、管道长度以及各种局部水头损失一步一步向某点推进，并最终求得该点理论上的压力值，然后与装在该点的压力表的实测值进行比较，从而判断管网的工作状况是否良好。基本的计算公式是：h0+H0=hi+Hi+∑hs（1）式中：h0为水厂进水口的自由水头(m)；H0为水厂进水口的高程(m)；hi为待检查节点处的工作水头(m)；Hi为待检查节点处的高程(m)；hs为包括从水厂进水口到待检点的沿程和局部水头损失(m).在工程实践中，上述公式中的∑hs包含了一些目前尚不能解析的影响因数，所以通常的计算方法是采用经验公式，并参考以往的统计数据对管网参数进行选取，显而易见，在计算过程中加入了太多的人为因素。在葛洲坝地区供水管网监控系统的研究工作中，需要建立管道堵塞和泄漏等异常状况的报警系统，实现对宜昌市葛洲坝地区供水管网的工作状况实现动态跟踪，并在此基础上实现供水区内的优化供水。宜昌市葛洲坝地区是原葛洲坝工地演化而来，供水管网布局复杂，而且存在一些不明工况，因此管网系统，具有以下特殊性：⑴宜昌市葛洲坝地区是在原来的葛洲坝工区的基础上发展而来，现有的供水管网由施工时的临时管网扩建而成，加上前些年管网资料存档工作的疏忽，导致现有供水网络存在较多的不明管道；⑵原有管道系统随着用水区域扩大而逐步延展，但是扩建工程没有较好地统一规划，导致现在管网结构异常复杂，用传统方法很难进行管网结构解析；⑶由于当时施工影响，不少原有管段存在程度不同的堵塞和泄漏，但是没有具体勘明；⑷原有管网材质是基于临时使用选用的，不少的管道已经严重锈蚀；⑸还有一些当年的临时塑料管至今没有废除，加重了供水管网的复杂性。由于以上原因，用传统的管道计算模型很难奏效。如果将其作为不确定性结构问题来处理，利用人工智能（AI）技术对事物和环境具有的自学习、自适应、自组织能力的特点，计算过程加入计算智能，不再探求作用要素和结果之间的显性函数关系，通过计算智能技术直接对自来水管网地理信息系统中众多的数据进行处理，求解决策支持信息。这就是集成GIS和ANN两大前沿技术构筑更加符合当前实际工况的计算模型。双利用地理闻信息系统吨软件浩管理海量信息咸数据，利用编违程实蹄现笔AN奴N愤分析决策，再哑用开发天软件许将两者集成为田一体，形成一佣个具备地理信峰息管理和决策惰支持的模型。增这种新的模型绑能够根据实际早情况的变化实拣时更新，实现伪模型与现实的烛同步性，从而好保障计算结果兰的有效性，为誓决策提供强有睬力的支撑。厌整个系统薄利用流行为的艺GIS非软件晃MapInf胸o锡建立逗葛洲坝索地区管网信息岂管理平台，管殖理管网信息数痛据，导用闪Matli共b暴和带Visual茧案C贷＋＋编程实现看工况计岭算缠AN姨N径模型，利用二筝次开发浓软件钻MapBas追i夺c沟将后者嵌入前悔者，整合成一乳个完整的系统哈，最终建立起师一个功能齐备椅的宜昌市甚葛洲坝陶地区自来水管原网地理信息管故理系统，然后命投入运行，利子用系统具有的呜自学习、自适景应和自组织特插性，实现对管拔网系统的动态执管理。3两个模型沃根据上述长思路，对葛洲浸坝地区的管网复管理系统实际壳提出了两种解毕决方案：一种悲是利用传统管签网计算模型得前出显性函数，傻再在函数表述腰中附加修正量攻（以人工神经滴网络实现），驱以实际采样数送据作为神经网榴络的训练数据混，最终得到跟亮管网实际接近旨的计算模型眉；唇摆注炮：匹1抄、图中缠的脸T暮0既为系统稳定运达行周期，根据龄管网实际情况勇事先给定；技2扶、图中标辣注床★出的模块需要从叠外部获取信息易，需要人为干饱预。止图粥1豪盲基洁于亚AN树N愉和壤GI劝S盛的计算模低型捆(遥甲方躲案壶)塌另一种是缘完全抛开原来跨的模型思想，词直接通过采样调数据训练神经刻网络，得到待厚预测节点的水指力学参数与管灿网其他影响因怀素的数量关系槐，整个计算过堵程位于神经网雕络企的复“贝黑据箱缠”瓜中。下面分别倾用图示阐述两宇种方案的建模尊流程（以某一潮特定的待检节水点为探讨对象捷）。稼针对上述瓶两种模型方案烛，进一步解释泽如下：甲方案探中利用了原来罢的计算模型，律是对管网水力隶学计算系统的殿升级，优点在势于计算过程反倦映了各作用因听素与待检节点头水力参数之间涌的具体函数关瓦系，然后再进晋行修正，符合基人们一贯的计与算思路，方案杰乙完全摒弃既垦有计算模型的柏影响，从最初膨的涉及因素分幼析开始，建立份没有显性映射念关系的计算智钓能系统，提高拼工作效率，并战从真正意义上暴建立起了新的呀计算模型。上愉面两个方案都监是根据宜昌市伏葛洲坝地区的飞供水管网提出酱并实施的，是约真正意义上劫的毁“激量体裁喷衣稻”天，只适用于研所究的具体问题颜，当研究呈对象变化时，线计算模型也会歇不同，但是模怨型在本质上是研一致的，这种标在大型地理信灌息系统中内嵌誉计算智能计算逮模型的建模新古思路具有广阔凑的应用前景。4工程应用粉葛洲坝地阳区管网存在较篮大的堵塞和泄相漏隐患，并难泼以判定故障节班点和及时排除炊故障，这不仅登降低了城区供目水的质量，并今且大大减小了胞供水公司的经巧济效益。同时警，现在的供水鬼方案是根据以密往经验得出的未，成本较高，休蓄水池没有得截到充分有效的甜利用。捧注裤：膝1浊、图中事的饼T衡o璃为系统稳定运慕行周期，根据束管网实际情况杂事先给定；察2产、图中标症注渔★子的模块需要从哑外部获取信息急，需要人为干醒预。显图寸2抄崭基吃于斥AN勤N侵和趴GI室S红的计算模桌型础(长乙方且案歉)毛利用管网地帮理信息系统和啦新建立的计算拔模型对管网日瓶常运行水力数厌据（各预设节顽点的流量、压你力等）进行处内理，主要达到冻两个方面的目期的艇：肿(1凭)匪建立管网故障龙（堵塞和泄漏羡）报警和定位块机制，提供维友修方案的智能燕决策支持治；陡(2充)工优化城区供水蛛调度方案，降彩低供水成本。霸4.1高趟管网动态管理宏，故障报警定三位勉隆在故障报警，额节点定位的处梅理时两个模型睬分别采用了两能种不同的方法寒：鲁甲方案通姥过比较控制点效群（布置在管盒网的末级）的漂水力学公式计砖算流量热（屋Q况0托）与实测流量查（盖Q益测亩）的差异，考划虑到系统误差跳的影响，当节用点侧Q引测规小蒙于烂Q休0评一定范围，认损为系统出现故贸障，然后根据液管诉网响GI甲S事拓扑结构逐级毒递推，逐级比霉较实测值与计通算值差异，从睛而判断堵塞或担泄漏故障，探水求故障节点，圣将该故障处的立实际管路的水器力学和地理信权息显示于人机堤交互界面，并垂进一步给出维久修的实施方案记（主要阀门关阁闭方案）建议鱼。贸乙方案利蚕用人工神经网啦络解决非结构罢性问题的特点浸，通过对管网缘所有的各预设捡节点的水力学闷参数的实测值停和前一正常运腐行状态下的实赔测值（该数据均库在人为控制糕下实时更新）扯进行对比，当历二者出现局部顾不协调并达到齐系统误差极限伤以上，认为该王局部出现故障象，然后利榜用筛AN静N愧分析并定位故塌障节点，判断筝故障原因。系槽统自动根据故蜂障判断结果分钉析维修方案并述进行优化，然砌后将故障节点坛和故障原因分宽析结果显示于厉人机界面，同链时建议维修方启案。斥4.2础役管网优化调克度侨虾管网匙有运8误个蓄水池，为琴降低管网运行剖成本，我们利城用最优化理论邻的方法，建立部优化模型，利雄用低谷电和高博峰电的价差，元通过优化调度喉方案的实施，治达到降低成本筹的目的。建立笼如下优化计算瞧模型：见式中所：仇T涨i叉为懒第霉i漫时段电力单李价窄(步元反/m3矩)逮；行Q万i家为嚷第猎i顽时段供水阳量值(m3砖)层；纯m丰，咳n黄为工业、生活残用水单文价闯(锤元贵/m3迎)廉；嗽λ尾为工业用水所趴占比率劳；庆α吊为本用水时段图内，本时段供族水比率蝶；宋β帜为本用水时段樱内，前一时段构供水比率承；作Q盐0i质为悼第达i么时段实际需水馒量局(m3卖)压；串V伐j包为际第薪j倘个蓄水池容洒量泊(城m3).滨由于需水细量是季节和是技否工作日（如尘图赔3禁所示）等因素嫁的函数，模型栏将分别按季节荷并区分工作日号、节假日进行每供水方案的优消化计算。建模干过程中，用管侵网供水的水量商代替城区蓄水炼量，惩按施1站h织的时间间隔统棚计数据，然后成利用人工神经谜网络对统计数补据进行模拟，牌得材出甚“恶时间～需水合量寺”复函数，然后得蹦出该运行情况斗下的各时间段疑的需水量携（盗Q量0i迹，迅i零表示时间段）家，构成优化模率型中的约束。测图使3200喜1召年暑期需水曲全线（神经网络吵模拟结果翼）给怖经模型优鹿化计算后得到炒各时间段蓄水膊池注水量的优肾化调度方案。蠢考虑到现实生返产生活的变化聋，陷“芹时间～蓄水苍量暴”滥函数需要在人途为干预下不断渗更新，以与实窝际的蓄水情况确相符合。5应用前景案这种新的忌模型思路，使诸得很多通过先行进的仪器设备固获得的海量试趟验数据有了用票武之地，也为以人们利用模型捆计算现实中的祸模糊问题以及蚀不确定问题提速供了雏形。例留如，在基础工退程建设中，我终们可以利用这趣种思路建立新拴的非线性应力臣计算模型，利浆用信息系统管理理采集的原始叙数据，用计算域智能计算模型相计算应力，得狮到比现有模型等更切合实际的扯计算结果，从慰而在大坝、隧败道以及地下洞婶室的施工中更啦好地为决策服味务。同时，由饱于上述模型思挡路能够适应模块式识别、预测医、决策、优化势以及网络安全史及管理等等现娱代研究课题的驾需要，所以能速在自然学科、娘工业和经济学患领域得到广泛室应用。衰参胜鹰考担渡文惑馅献：酷[1]向跌徐鼎甲，张玉挂山。混联水电草站群实时联合等优化调蛛度廉[J欺]飞。水力发电学竹报隔，料200搞1专，祥（聋3有）晌：罪6摇8原。基[2]腿夹贺建勋