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學校名稱

長沙理工大學

學生姓名

學  號

專      業

性 別

入 學 年 份

徐群

201459060218

熱工過程自動化

男

2014.9

章秀玲

201459060207

熱工過程自動化

女

2014.9

謝拓

201459060214

熱工過程自動化

男

2014.9

寧有志

201459060213

熱工過程自動化

男

2014.9

指導教師

曾競

職稱

講師

項目所屬

一級學科

能源與動力工程

項目科類(理科/文科)

理科

學生曾經參與科研的情況

寧有志：在第十屆物電杯電子設計競賽上，與項目組成員共同制做了一個射釘機器人，獲得校級二等獎，2015-2016學年，參加了科技立項比賽，制作了一個小型自尋的導光輔助照明系統實物，并獲得校級二等獎

徐群：熟悉arduino電子原型平臺，并與同學一起以arduino為基礎參加科技立項比賽，項目：巡檢機器人，并獲得校級二等獎

謝拓：熟悉arduino電子原型平臺，并與同學一起以arduino為基礎參加科技立項比賽，項目：巡檢機器人，并獲得校級二等獎

指導教師承擔科研課題情況

曾競老師從事區域供冷供熱系統管網技術分析、設計、集成與研發；

在國際期刊上發表了1篇SCI二區學術論文；

主持一項湖南省教育廳科學研究項目，參與一項湖南省科技廳重大專項；

指導學生完成兩項大學生創新實驗項目。

項目研究和實驗的目的、內容和要解決的主要問題

一、背景和意義：

   地處我國中部的長江流域及其周圍廣大地區，屬“夏熱冬冷” 地區，其顯著特點是夏季悶熱，冬季濕冷， 晝夜溫差小，年降水量大，日照偏小。最近十多年來，該地區新建的大型區域公共和住宅建筑群，已經開始采取區域供熱供冷系統，并且逐年上升。但是，我國的區域供熱供冷系統還處于起步階段，某些系統由于設計、用戶負荷密度低、運行管理不當等原因，能耗居高不下，甚至高于分體式空調，且投資和運行成本高于分體式空調系統。因此系統設計優化和運行優化以提高整個系統的經濟性和節能效率顯得尤為重要。

區域供冷供熱管網系統是區域供冷供熱系統的重要組成部分，區域供冷供熱系統由于供能量大，供能距離長，其輸配管網具有規模大、結構復雜、初投資大、運行維護費用高、對系統運行費用影響大等特點，其規劃、設計合理與否，直接關系到區域供冷供熱系統的初投資和運行費用，是區域供冷供熱系統成敗的關鍵環節之一。對區域供冷供熱管網進行優化分析和配置，可以最大限度地節約投資，降低運行成本，提高系統運行的經濟性，而且還能改善整個管網的水力條件，是實現供能安全可靠的重要環節，是管網系統規劃設計的必要條件。對管網進行優化研究，不僅可以為工程規劃設計提供理論依據，而且可以為系統高效、節能、經濟運行提供技術保證，具有重要的理論意義和實際應用價值。

    區域供熱供冷系統優化設計主要包括：能源站方案設計，能源站位置，能源站與用能站之間的連接管網布局，區域管網的管徑，管網保溫層厚度，供回水溫差，能源站機組運行策略等方面。其中管網布局和管徑優化是區域供熱供冷系統優化設計的核心。

    本項目旨在開發一套區域供熱供冷管網系統布局優化和管徑優化軟件，為暖通空調設計工程師在設計區域供熱供冷系統時能提供管網系統的最佳布局方案，并在該最佳布局的基礎上提供其最佳的管徑組合，使管網系統在投資和運行方面的綜合費用達到最小值，使得管網系統具有最佳經濟性。

二、實驗研究的內容：

    區域供熱供冷管網系統優化軟件包括布局優化和管徑優化兩個子系統。

布局優化子系統是管網優化的基礎，該子系統負責優化出一些最佳的布局提供給管徑優化子系統；管徑優化子系統在優化出的布局的基礎上進一步每一個布局的管徑大小組合。

當供能站和用戶點給定以后，站點與用戶之間存在許多種管道連接的方案，每個站點間的管徑大小也存在若干種選擇方案。管網優化旨在尋找一種使管網初投資成本與年維護費用最小的管網布局配置。此外，通過采用計算機技術，設計出合適的人機交互界面，使得各項技術參數便于輸入，最終優化結果直觀明了。

1、管網布局優化子系統：

區域供熱供冷管網系統布局優化和管徑優化軟件系統的管網布局優化子系統是基于文聰同學完成的2014年度的大學生創新實驗項目（基于遺傳算法的區域供冷管網布局優化軟件系統開發）。在此基礎上，對軟件進一步修正，以便更好集成到我們欲開發的“區域供熱供冷管網系統布局優化和管徑優化軟件系統”中。

當供能站和用戶點給定以后，站點與用戶之間存在許多種管道連接的方案（管網布局），區域供冷供熱管網布局優化目的是找到一些最佳的布局，使得管網系統在管徑優化后具有最佳經濟性，即年折算費用（包括年折算投資費用和年運行費用）最少。

問題描述：

已知一個區域供冷供熱管網系統功能站和用戶，管網系統可以抽象為一個圖論中的圖，如圖1：

圖1 管網中功能站和用戶點之間可能連接

圖1中共有16個節點，45條可能連接的邊；其中數字1代表功能站，數字2至16分別代表15個用能站點。

區域供冷供熱管網系統布局優化就是在圖1中的45條邊中選擇15條邊，構造成一個樹狀管網布局，如圖2：

圖2 一個樹狀管網布局

根據圖論理論可知，一個共有n個節點的圖，它存在個樹。如圖2共有16個節點，那么共有個樹，也就是圖1存在個樹狀布局，若要對每一個布局都去計算其每段管段的管徑大小，那么計算量是非常巨大的。

管網布局優化子系統就是要從這么多的布局中挑選幾個或幾十個布局出來，給管網管徑優化子系統去優化計算其管徑大小。

布局優化分三步走：

第一步：優化出一個管道總長度最短的樹狀布局；優化結果如下圖3：

圖3 管段總長度最小的布局

第二步：初投資最少的布局，該布局的水力特性滿足設計規范（管道流速小于等于3.5m/s，管段的比摩阻小于120Pa/m），優化結果如下圖4：

圖4 初投資最少的布局

第三步：年折算費用最少的布局，該布局的水力特性滿足設計規范（管道流速小于等于3.5m/s，管段的比摩阻小于120Pa/m），優化結果如下圖5：

圖5 年折算費用最少的布局

通過三步優化，每一步優化都能夠優化出其一定條件下的最優布局以及一些近似最優的布局，在這一些布局中挑選出30個布局，傳遞給管徑優化子系統。

2、管徑優化子系統：

   區域供熱供冷管網系統布局優化和管徑優化軟件系統的管網管徑優化子系統是基于吳一凡同學完成的2015年度的大學生創新實驗項目（關于區域供熱供冷管網管徑進一步簡化軟件設計）。在此基礎上，對軟件進一步修正，以便更好集成到我們欲開發的“區域供熱供冷管網系統布局優化和管徑優化軟件系統”中。

    通過管網布局優化子系統，可以得到在一定條件下的最優布局，然后分別針對得到的布局再進行管徑優化。通過遺傳算法，找到每一個布局的最優管徑組合，使得其年折算投資費用和年運行費用之和最小，最后對每一個布局得到的年折算費用進行比較，選擇最小的年折算費用，即可得到管網的最優布局和其最優管徑組合。

   具體算法如下：

a)初始化：設置進化代數計數器t=0，設置最大進化代數T，隨機生成M個個體作為初始群體P(0)。

b)個體評價：計算群體P(t)中各個個體的適應度。

c)選擇運算:將選擇算子作用于群體。選擇的目的是把優化的個體直接遺傳到下一代或通過配對交叉產生新的個體再遺傳到下一代。選擇操作是建立在群體中個體的適應度評估基礎上的。

d)交叉運算：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)變異運算：將變異算子作用于群體。即是對群體中的個體串的某些基因座上的基因值作變動。

群體P(t)經過選擇、交叉、變異運算之后得到下一代群體P(t+1)。

f)終止條件判斷:若t=T,則以進化過程中所得到的具有最大適應度個體作為最優解輸出，終止計算。

其管徑優化算法流程圖如下圖6：

圖6 管徑優化算法流程圖

3、軟件集成：

 我們將采用Visual Basic語言進行人機交互界面的設計，采用MATLAB語言設計優化算法的程序，通過SQLserver數據庫實現VB與MATLAB的通訊。區域供熱供冷系統輸配管網的技術參數及優化方案將保存在SQLserver數據庫中，結果由Visual Basic進行調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

軟件系統框架如下圖8：

圖8 軟件系統框架設計

軟件集成分為三個方面的內容進行設計，包括用戶界面集成，數據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布局計算，管徑優化計算，參數輸入和計算結果查看，用戶可以對管網和管徑的計算參數進行修改，管網布局計算結果和管徑優化的計算結果可以保存，查看和打印。管網連接點數據的輸入采用圖形化的方式進行選點，以減少輸入數據產生的誤差和增強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參數的格式。具體結構如下圖9所示：

圖9 集成界面示意圖

b）數據集成

這里通過SQLserver數據庫實現VB與MATLAB的數據通訊，使MATLAB和VB實現數據共享。

（1）用戶通過VB將管網圖參數輸入保存在SQLserver數據庫中的表一中，水力計算參數保存在表二中，工程造價參數保存在表三中，遺傳算法參數保存在表四中。

（2）MATLAB進行管網布局優化計算時調用SQLserver數據庫中的表一，表二和表三中的數據，將計算進度保存在表C中并不斷更新，將計算結果保存在表A中。進行管徑優化計算時調用表二，表三，表四和表A中的數據，將計算進度保存在表C中并不斷更新，將計算結果保存在表B中。

（3）VB顯示計算結果時調用表C和，顯示計算進度時調用表A和表B，通過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算子的集成，將算子中的各個小模塊進行排序和組合，可以提高軟件的計算效率。集成后的代碼應該包括以下模塊：

（1）數據預處理模塊。在參數輸入或修改后，算子對輸入的管網圖參數和水力計算參數等參數進行預處理，將其轉換成易于管網布局計算和管道管徑計算的數據，并將數據保存到SQLserver數據庫中，這一部分由VB完成。

（2）管網布局計算模塊。這一部分的代碼應該包括數據的讀取，管網布局的遺傳算法，水力特性限制，數據的保存等，以得出最優的幾種管道布局方法，這一部分由MATLAB完成

（3）管徑優化計算模塊。這一部分的代碼應包括數據的讀取，管徑選擇的遺傳算法，數據的保存等，以得出每種管道分布所對應的最優管徑選擇，這一部分由MATLAB完成。

（4）界面顯示模塊：當軟件進行管道布局和管徑優化計算時，顯示計算進度條以便于用戶等待，當用戶使用本軟件時，采用用戶登錄系統，這一部分是關于提升用戶體驗的代碼，由VB完成。

（5）代碼的優化：本軟件的設計是文聰同學完成的2014年度的大學生創新實驗項目（基于遺傳算法的區域供冷管網布局優化軟件系統開發）和基于吳一凡同學完成的2015年度的大學生創新實驗項目（關于區域供熱供冷管網管徑進一步簡化軟件設計）的進一步集成，在進行代碼的集成時我們會簡化，優化和添加一部分代碼，以提高軟件的計算速度。

國內外研究現狀和發展動態

區域供冷供熱在節能和環保方面具有優勢，可以給系統設計、運行和維護及空調用冷水生產及銷售量的集中控制而帶來規模效益，在國外尤其是歐美等發達國家已經得到了較廣泛的應用，己成為發達國家、發達地區的重要標志之一。

在管網布局優化方面，1985年，蔡啟林利用破圈法對熱網平面布置優化進行了研究，在含多圈連通管網結構圖中去掉權值大的鏈支，生成了最小樹，這種最小樹方法適用于枝狀熱力管網的優化布置。1988年，馬繼勇對熱網平面布置優化方法進行了研究，提出了兩種理想的枝狀熱網平面布置的優化方法，一種是全部樹的方法，另一種是權生成樹方法。1998年，石兆玉以改進了的遺傳算法為基礎，結合多中位原理對多變量、多約束條件的多熱源供熱系統的優化選址和優化運行進行了研究，求得了多熱源選址的全局最優解。2003年，李世武和蘇莫明應用圖論學中求解最小樹的算法思想，通過預先確定流量與經濟管徑的函數，采用熱經濟孤立化優化方法，提出了熱水管網系統布局與結構優化的設計方法，解決了管網系統技術性、節能性和經濟性之間的綜合和系統布局結構優化與參數優化之間的耦合問題，使所設計的管網運行能耗與初投資綜合最小。2004年，李祥立等以某小區為例，對枝狀熱網布置進行了優化研究，通過計算分析若干熱網布置形式的經濟性，得出最優管網布置方案，并研究了改變熱源位置對管網布置的影響，得出了熱網布置應遵循的原則。2009年，Dobersek和Goricanec以投資運行費用為目標函數，用非線性的單純形法對供熱管網進行了最優樹的路徑及管徑的優化，并以一個管網優化為例驗證該方法的有效性。2011年，姚莎運用圖論理論對管網布置進行了研究，基于最小權值的思想，以投資最小為目標，運用圖論理論中最小生成樹算法中的弗勞德算法,采用 MATLAB 語言編寫通用程序, 實現了熱網布線的全局優化，很好的解決了設計中管網布線的問題。為工程設計提供了指導性的思路，減少管網布置過程中材料不必要的浪費。

管徑的優化是管網系統優化設計的核心。在常規的管網設計中，各管段的管徑是根據管網各管段的計算流量和推薦比摩阻來選定。整個管網管徑的選擇通常以管網的經濟性評價來確定的，其經濟性評價包含投資費用和運行費用，而投資費用和運行費用是兩個相互制約的指標。管網的管徑愈小，則輸送阻力愈大，動力消耗的運行費用就愈大；反之，管徑愈大，輸送阻力愈小，動力消耗的運行費用愈小，但管網投資就愈大。管網管徑優化設計就應綜合考慮投資和運行費用這兩方面的影響。因此，在管網布局一定的情況下，應設計出每段最優管徑，即最經濟管徑，使管網投資和運行費用之總和達到最小。國內外對管徑的優化研究興起于上世紀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狀給水管網的優化設計，管徑采用離散形式，水力模型求解采用牛頓法，通過兩個標準算例的檢驗，證明了模擬退火算法在管網優化中的可行性。在供冷/熱管網優化中，2003年，黃善波以管徑和保溫層厚度為優化變量，建立了熱力管線優化設計的非線性規劃數學模型，應用模擬退火算法對該模型進行了求解。計算結果表明該算法簡單，計算速度較快，對初始點依賴性不強，計算結果合理。2011年，豆中州根據基本回路分析法對供熱管網水力模型進行求解，得出了各個管段的流量和壓降，然后建立了供熱管網的年折算費用為優化目標函數的優化設計模型，優化目標函數的決策變量為管網各管段離散的標準公稱直徑，并考慮了和實際工程相對應的水力約束條件，最后采用模擬退火算法進行優化計算，得到了優化的管網各管段管徑。1987年，Goldberg等最早把遺傳算法引入管網優化設計領域，闡述了遺傳算法用于管網優化設計的一般數學模型和求解過程。此后，研究者在管網優化設計中廣泛地采用遺傳算法。在熱力管網優化中， 2010年，Li Xiang-li以管網年折算費用最小為目標函數，管徑編碼采用整數編碼規則，采用遺傳算法對大連星海灣商業區域的海水源熱泵DHC系統的管網管徑進行優化，并與傳統的推薦比摩阻法設計方法進行比較，年折算費用節省了8.54%。

綜合以上文獻資料，管網布局優化和管徑優化在管網系統優化成為了研究熱點，理論成果不少，但是市場還沒有出現成熟的一套軟件來實現管網布局優化和管徑優化。為暖通空調設計者提供一個較為成熟的軟件，減輕設計者的設計計算工作量，針對一個區域供冷供熱項目能夠提供一個最佳布局和其最優管徑組合使得管網系統經濟性最佳，這是本項目的目的。

參考文獻：

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本項目學生有關的研究積累和已取得的成績

徐群：已通過英語四六級，獲得2014-2015一等獎學金，2015-2016三等獎學金 以及計算機二級證書，已學過C語言，Matlab

寧有志：已通過英語四級，獲得2014-2015二等獎學金，第十屆物電杯電子設計  競賽二等獎，計算機二級證書，已學過C語言，Matlab

章秀玲：已通過英語四級，獲得2014-2015學年及2015-2016學年二等獎學金以             及計算機二三級證書，已學過C語言，Matlab

謝拓：已通過英語四級，獲得2014-2015二等獎學金，2015-2016學年三等獎學金以及計算機二級證書，已學過C語言，Matlab

項目的創新點和特色

1、軟件界面設計采用vb進行編制，具體算法通過調用MATLAB子程序來實現。

2、軟件分為兩個子系統，分別完成管網布局和管徑優化。集成后的軟件可以提供給設計院和科研單位，從而減少設計工程師的計算工作量，為區域供冷供熱管網系統優化提供一個可靠的參考。

項目的技術路線及預期成果

主要通過構造抽象或簡化的管網設計模型，借助于最優解理論和計算機技術，研究如何在管網工程規劃設計中合理地選擇有關技術參數，從各種方案中找出既能滿足工程設計要求，又能降低工程投資的最優或次優設計方案，作為工程建設和運行管理的技術依據，同時通過此最優設計直接獲取工程造價的相關信息。

一、技術路線

1、利用Matlab軟件完成算法編制； 

2、 利用VB軟件編制軟件界面，完成管網參數輸入，Matlab子程序調用，優化結果顯示。

二、預期成果

1、完成軟件：區域供冷供熱管網布局和管徑優化集成軟件。通過Visual Basic設計的軟件人機交互界面，具體算法通過調用MATLAB子程序來實現。

2、軟件制作完畢后，完成軟件著作權申請。

3、提高本項目成員獨立從事科研能力，以及理論研究與實際動手能力。加強團隊合作意識，創新意識，提升文獻的查閱撰寫能力。

年度目標和工作內容（分年度寫）

2017-2018年度：

1. 明確分工，聯系指導老師，查閱資料，進行相關科研資料籌備與整理；

2. 隨后進入資料準備階段，完成軟件構思；

3. 理解算法，完成Matlab算法；

4. 利用VB編制界面；

5. 完成VB調用Matlab子程序調用。

2018-2019年度：

1. 進行軟件調試，修復bug；

2. 編制軟件使用說明書；

3. 申報軟件著作權；

4.  最終完成結題報告。

指導教師意見

申請者及項目組成員通過大學2年學習，掌握了遺傳算法的工作原理和基本軟件編程思想，和具備了數據分析和軟件編制的基本能力。課題屬于前沿探索性研究，創新性明顯，申請者具有良好的理論基礎和解決本學科問題的能力，能夠完成本項目研究任務。建議立項，予以支持。

簽字：   曾競                日期：2017.4.12