(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210751018.X (22)申请日 2022.06.28 (71)申请人 太原理工大 学 地址 030024 山西省太原市迎泽西大街79 号 (72)发明人 李红艳　张瑜　崔建国　张峰　 李尚明　史文韬　 (74)专利代理 机构 太原申立德知识产权代理事 务所(特殊普通 合伙) 14115 专利代理师 郭海燕 (51)Int.Cl. G06F 30/17(2020.01) G06F 30/27(2020.01) G06N 3/00(2006.01) G06N 3/04(2006.01)G06N 3/08(2006.01) G06Q 50/06(2012.01) G06F 111/06(2020.01) G06F 119/14(2020.01) G06F 119/02(2020.01) G06F 113/14(2020.01) (54)发明名称 一种优化输水工程停泵水锤防护参数的方 法 (57)摘要 本发明属于城市供水系统安全与节能技术 领域， 公开了一种优化输水工程停泵水锤防护参 数的方法。 方法包括： 利用Hammer水锤软件对若 干组不同空气阀、 单向调压塔组合方案进行停泵 水锤防护计算； 构建BP神经网络停泵水锤防护预 测模型； 以可靠性和经济性为目标， 基于NSGA ‑Ⅱ 算法对空气阀和单向调压塔参数进行优化， 实现 停泵水锤防护计算与智能优化算法的有效联接， 获得Pareto最优解集； 利用熵权 ‑TOPSIS法进行 方案决策。 本发 明方法克服了传统梯度法和基于 特征线法建模计算量大、 耗费时间长、 拟合程度 低、 找到最优设计难或未考虑工程投资的弊端， 兼顾了可靠性与经济性， 在复合式空气阀组和单 向调压塔联合防护停泵水锤参数优化方面具有 显著优势。 权利要求书3页 说明书11页 附图6页 CN 115081141 A 2022.09.20 CN 115081141 A 1.一种优化输水工程停泵水锤防护参数的方法， 其特 征在于， 包括以下步骤： 步骤1， 利用Hammer水锤软件对若干组不同空气阀入流直径、 出流直径、 单向调压塔的 安装位置、 补水管径、 塔体直径、 初始水位的组合方案进行停泵水锤防护计算， 若单向调压 塔与空气阀安装位置 重合时安装单向调压塔； 步骤2， 将步骤1所得到的数据样本按需求划分为训练集、 验证集和测试集， 利用BP神经 网络构建停泵水锤防护预测模型， 以可以表示水锤正压、 负压防护效果的指标作为预测指 标； 步骤3， 基于上述BP神经网络停泵水锤防护预测模型， 在MATLAB中调用NSGA ‑Ⅱ算法， 以 空气阀入流直径、 出流直径、 单向调压塔的安装位置、 补水管径、 塔体直径、 初始水位作为决 策变量， 结合输水管道设计能力， 以提高停泵水锤防护可靠性和经济性为目标进 行优化， 得 到Pareto 最优解集； 步骤4， 利用熵权 ‑TOPSIS法对Pareto最优解集进行多 目标决策， 以获得各个方案的得 分， 确定得分最高的为 最终方案 。 2.根据权利要求1所述的优化输水工程停泵水锤防护参数的方法， 其特征在于， 所述步 骤1具体包括以下子步骤： 步骤101， 利用Ham mer水锤软件建立输水 管道拓扑 结构； 步骤102， 根据输水 管道工程状况、 管路负压状况及规范要求确定空气阀位置； 步骤103， 确定空气阀入流直径、 出流直径、 单向调压塔补水管径、 塔体直径、 初始水位 的范围及单向调压塔的备选位置， 若单向调压塔与 空气阀位置重合时安装单向调压塔， 在 限制范围内取若干组不同方案组合进行 水力计算。 3.根据权利要求1所述的优化输水工程停泵水锤防护参数的方法， 其特征在于， 所述步 骤2具体包括以下子步骤： 步骤201， 将利用Hammer水锤软件计算得到的数据样本按需求划分为训练集、 验证集和 测试集； 步骤202， 将影响停泵水锤防护效果的6个因素确定为BP神经网络的输入层神经元， 分 别为： 空气阀入流直径、 出流直径、 单向调压塔的安装位置、 补水管径、 塔体直径和初始水 位； 步骤203， 取可以表示有压输水管道正压、 负压防护效果的指标A、 B作 为输出层神经元， 其数学表达式如下： A＝max{Hmax(i)‑n4}……………………………(1) B＝min{Hmin(i)‑n3}……………………………(2) 其中， Hmax(i)、 Hmin(i)分别表示输水管道中各节点最大、 最小水锤压力， 单位为mH2O； n3、 n4为分别为管道设计能力的下限、 上限， 单位 为mH2O； 步骤204， 根据式(3)确定隐含层神经 元个数范围， 式中， J为隐含层神经元个数， I为输入层节点数， K为输出层节点数， α 为1～10之间 的整 数； 根据式(3)， 利用MATLAB神经网络工具箱分别取隐含层神经元节点数J为4～13进行模 型训练， 记录均方根 误差RMSE， 取使得RMSE最小时的J值 为最终隐含层神经 元个数。权　利　要　求　书 1/3 页 2 CN 115081141 A 24.根据权利要求1所述的优化输水工程停泵水锤防护参数的方法， 其特征在于， 所述步 骤3具体包括以下子步骤： 步骤301， 将NSGA ‑Ⅱ算法的决策变量定义为不同空气阀入流直径D1、 出流直径D2、 单向 调压塔的安装位置P、 补水 管径D3、 塔体直径D4和初始水位H组合的停泵水锤防护方案； 步骤302， 同时考虑可靠性和经济性， 建立多目标函数， 其中， 可靠性目标函数为： 经济性目标函数为： 式中， D4为单向调压塔 塔体直径， 单位m； H为单向调压塔初始水位， 单位m； 步骤303， 建立约束条件； 约束条件的数 学表达式为： 式中， n1、 n2分别为材料可以耐受最低负压值、 最大正压值， 单位mH2O； Dpipe为主管道直 径， 单位mm； D2max、 D2min分别为空气阀出流直径的最大、 最小值， 单位mm； Pmax为单向调压塔的 备选位置个数； D3max、 D3min分别为单向调压塔补水管径的最大、 最小值， 单位mm； D4max、 D4min分 别为单向调 压塔塔体直径的最大、 最小值， 单位m； Hmax、 Hmin为单向调 压塔初始水位的最大、 最小值， 单位m； 步骤304， 确定种群规模， 即确定同一代际内所有停泵水锤防护方案集 合的基数； 步骤305， 基于NSGA ‑Ⅱ算法对空气阀和单行调压塔参数进行优化， 获得Pareto最优解 集。 5.根据权利要求1所述的优化输水工程停泵水锤防护参数的方法， 其特征在于， 所述步 骤4具体包括以下子步骤： 步骤401， 根据求得的Pareto最优解集， 构建n个评价对象、 m个评价指标的初始矩阵X， m ＝3， 故X为 一个n×3的矩阵： 式中： i＝1， 2， …， n， j＝1， 2， 3； xi1表示各节点最大压力与设计能力上限的最大差值， 单 位mH2O； xi2表示各节点最小压力与设计能力下限最小差值的相反数， 单位mH2O； xi3表示单向 调压塔的有效容积， 单位m3， 用来衡量投资成本； 步骤402， 由于三个指标均为极小型指标， 故需进行指标正向化处理， 即将各指标转化 为极大型指标， 得到矩阵：权　利　要　求　书 2/3 页 3 CN 115081141 A 3