学校名称

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学生姓名

学  号

专      业

性 别

入 学 年 份

徐群

201459060218

热工过程自动化

男

2014.9

章秀玲

201459060207

热工过程自动化

女

2014.9

谢拓

201459060214

热工过程自动化

男

2014.9

宁有志

201459060213

热工过程自动化

男

2014.9

指导教师

曾竞

职称

讲师

项目所属

一级学科

能源与动力工程

项目科类(理科/文科)

理科

学生曾经参与科研的情况

宁有志：在第十届物电杯电子设计竞赛上，与项目组成员共同制做了一个射钉机器人，获得校级二等奖，2015-2016学年，参加了科技立项比赛，制作了一个小型自寻的导光辅助照明系统实物，并获得校级二等奖

徐群：熟悉arduino电子原型平台，并与同学一起以arduino为基础参加科技立项比赛，项目：巡检机器人，并获得校级二等奖

谢拓：熟悉arduino电子原型平台，并与同学一起以arduino为基础参加科技立项比赛，项目：巡检机器人，并获得校级二等奖

指导教师承担科研课题情况

曾竞老师从事区域供冷供热系统管网技术分析、设计、集成与研发；

在国际期刊上发表了1篇SCI二区学术论文；

主持一项湖南省教育厅科学研究项目，参与一项湖南省科技厅重大专项；

指导学生完成两项大学生创新实验项目。

项目研究和实验的目的、内容和要解决的主要问题

一、背景和意义：

   地处我国中部的长江流域及其周围广大地区，属“夏热冬冷” 地区，其显著特点是夏季闷热，冬季湿冷， 昼夜温差小，年降水量大，日照偏小。最近十多年来，该地区新建的大型区域公共和住宅建筑群，已经开始采取区域供热供冷系统，并且逐年上升。但是，我国的区域供热供冷系统还处于起步阶段，某些系统由于设计、用户负荷密度低、运行管理不当等原因，能耗居高不下，甚至高于分体式空调，且投资和运行成本高于分体式空调系统。因此系统设计优化和运行优化以提高整个系统的经济性和节能效率显得尤为重要。

区域供冷供热管网系统是区域供冷供热系统的重要组成部分，区域供冷供热系统由于供能量大，供能距离长，其输配管网具有规模大、结构复杂、初投资大、运行维护费用高、对系统运行费用影响大等特点，其规划、设计合理与否，直接关系到区域供冷供热系统的初投资和运行费用，是区域供冷供热系统成败的关键环节之一。对区域供冷供热管网进行优化分析和配置，可以最大限度地节约投资，降低运行成本，提高系统运行的经济性，而且还能改善整个管网的水力条件，是实现供能安全可靠的重要环节，是管网系统规划设计的必要条件。对管网进行优化研究，不仅可以为工程规划设计提供理论依据，而且可以为系统高效、节能、经济运行提供技术保证，具有重要的理论意义和实际应用价值。

    区域供热供冷系统优化设计主要包括：能源站方案设计，能源站位置，能源站与用能站之间的连接管网布局，区域管网的管径，管网保温层厚度，供回水温差，能源站机组运行策略等方面。其中管网布局和管径优化是区域供热供冷系统优化设计的核心。

    本项目旨在开发一套区域供热供冷管网系统布局优化和管径优化软件，为暖通空调设计工程师在设计区域供热供冷系统时能提供管网系统的最佳布局方案，并在该最佳布局的基础上提供其最佳的管径组合，使管网系统在投资和运行方面的综合费用达到最小值，使得管网系统具有最佳经济性。

二、实验研究的内容：

    区域供热供冷管网系统优化软件包括布局优化和管径优化两个子系统。

布局优化子系统是管网优化的基础，该子系统负责优化出一些最佳的布局提供给管径优化子系统；管径优化子系统在优化出的布局的基础上进一步每一个布局的管径大小组合。

当供能站和用户点给定以后，站点与用户之间存在许多种管道连接的方案，每个站点间的管径大小也存在若干种选择方案。管网优化旨在寻找一种使管网初投资成本与年维护费用最小的管网布局配置。此外，通过采用计算机技术，设计出合适的人机交互界面，使得各项技术参数便于输入，最终优化结果直观明了。

1、管网布局优化子系统：

区域供热供冷管网系统布局优化和管径优化软件系统的管网布局优化子系统是基于文聪同学完成的2014年度的大学生创新实验项目（基于遗传算法的区域供冷管网布局优化软件系统开发）。在此基础上，对软件进一步修正，以便更好集成到我们欲开发的“区域供热供冷管网系统布局优化和管径优化软件系统”中。

当供能站和用户点给定以后，站点与用户之间存在许多种管道连接的方案（管网布局），区域供冷供热管网布局优化目的是找到一些最佳的布局，使得管网系统在管径优化后具有最佳经济性，即年折算费用（包括年折算投资费用和年运行费用）最少。

问题描述：

已知一个区域供冷供热管网系统功能站和用户，管网系统可以抽象为一个图论中的图，如图1：

图1 管网中功能站和用户点之间可能连接

图1中共有16个节点，45条可能连接的边；其中数字1代表功能站，数字2至16分别代表15个用能站点。

区域供冷供热管网系统布局优化就是在图1中的45条边中选择15条边，构造成一个树状管网布局，如图2：

图2 一个树状管网布局

根据图论理论可知，一个共有n个节点的图，它存在个树。如图2共有16个节点，那么共有个树，也就是图1存在个树状布局，若要对每一个布局都去计算其每段管段的管径大小，那么计算量是非常巨大的。

管网布局优化子系统就是要从这么多的布局中挑选几个或几十个布局出来，给管网管径优化子系统去优化计算其管径大小。

布局优化分三步走：

第一步：优化出一个管道总长度最短的树状布局；优化结果如下图3：

图3 管段总长度最小的布局

第二步：初投资最少的布局，该布局的水力特性满足设计规范（管道流速小于等于3.5m/s，管段的比摩阻小于120Pa/m），优化结果如下图4：

图4 初投资最少的布局

第三步：年折算费用最少的布局，该布局的水力特性满足设计规范（管道流速小于等于3.5m/s，管段的比摩阻小于120Pa/m），优化结果如下图5：

图5 年折算费用最少的布局

通过三步优化，每一步优化都能够优化出其一定条件下的最优布局以及一些近似最优的布局，在这一些布局中挑选出30个布局，传递给管径优化子系统。

2、管径优化子系统：

   区域供热供冷管网系统布局优化和管径优化软件系统的管网管径优化子系统是基于吴一凡同学完成的2015年度的大学生创新实验项目（关于区域供热供冷管网管径进一步简化软件设计）。在此基础上，对软件进一步修正，以便更好集成到我们欲开发的“区域供热供冷管网系统布局优化和管径优化软件系统”中。

    通过管网布局优化子系统，可以得到在一定条件下的最优布局，然后分别针对得到的布局再进行管径优化。通过遗传算法，找到每一个布局的最优管径组合，使得其年折算投资费用和年运行费用之和最小，最后对每一个布局得到的年折算费用进行比较，选择最小的年折算费用，即可得到管网的最优布局和其最优管径组合。

   具体算法如下：

a)初始化：设置进化代数计数器t=0，设置最大进化代数T，随机生成M个个体作为初始群体P(0)。

b)个体评价：计算群体P(t)中各个个体的适应度。

c)选择运算:将选择算子作用于群体。选择的目的是把优化的个体直接遗传到下一代或通过配对交叉产生新的个体再遗传到下一代。选择操作是建立在群体中个体的适应度评估基础上的。

d)交叉运算：将交叉算子作用于群体。遗传算法中起核心作用的就是交叉算子。

e)变异运算：将变异算子作用于群体。即是对群体中的个体串的某些基因座上的基因值作变动。

群体P(t)经过选择、交叉、变异运算之后得到下一代群体P(t+1)。

f)终止条件判断:若t=T,则以进化过程中所得到的具有最大适应度个体作为最优解输出，终止计算。

其管径优化算法流程图如下图6：

图6 管径优化算法流程图

3、软件集成：

 我们将采用Visual Basic语言进行人机交互界面的设计，采用MATLAB语言设计优化算法的程序，通过SQLserver数据库实现VB与MATLAB的通讯。区域供热供冷系统输配管网的技术参数及优化方案将保存在SQLserver数据库中，结果由Visual Basic进行调用并采用图形化的方式显示。   如图7所示

图 7 vb和MATLAB交互示意图

软件系统框架如下图8：

图8 软件系统框架设计

软件集成分为三个方面的内容进行设计，包括用户界面集成，数据集成和代码集成三部分。

a）用户界面集成

集成后的界面主要功能分为管网布局计算，管径优化计算，参数输入和计算结果查看，用户可以对管网和管径的计算参数进行修改，管网布局计算结果和管径优化的计算结果可以保存，查看和打印。管网连接点数据的输入采用图形化的方式进行选点，以减少输入数据产生的误差和增强软件的交互能力和直观性，界面中的“帮助”按钮用以提示用户输入参数的格式。具体结构如下图9所示：

图9 集成界面示意图

b）数据集成

这里通过SQLserver数据库实现VB与MATLAB的数据通讯，使MATLAB和VB实现数据共享。

（1）用户通过VB将管网图参数输入保存在SQLserver数据库中的表一中，水力计算参数保存在表二中，工程造价参数保存在表三中，遗传算法参数保存在表四中。

（2）MATLAB进行管网布局优化计算时调用SQLserver数据库中的表一，表二和表三中的数据，将计算进度保存在表C中并不断更新，将计算结果保存在表A中。进行管径优化计算时调用表二，表三，表四和表A中的数据，将计算进度保存在表C中并不断更新，将计算结果保存在表B中。

（3）VB显示计算结果时调用表C和，显示计算进度时调用表A和表B，通过图形和文字的方式共同显示。

c）代码集成

   代码集成的核心部分是两个算子的集成，将算子中的各个小模块进行排序和组合，可以提高软件的计算效率。集成后的代码应该包括以下模块：

（1）数据预处理模块。在参数输入或修改后，算子对输入的管网图参数和水力计算参数等参数进行预处理，将其转换成易于管网布局计算和管道管径计算的数据，并将数据保存到SQLserver数据库中，这一部分由VB完成。

（2）管网布局计算模块。这一部分的代码应该包括数据的读取，管网布局的遗传算法，水力特性限制，数据的保存等，以得出最优的几种管道布局方法，这一部分由MATLAB完成

（3）管径优化计算模块。这一部分的代码应包括数据的读取，管径选择的遗传算法，数据的保存等，以得出每种管道分布所对应的最优管径选择，这一部分由MATLAB完成。

（4）界面显示模块：当软件进行管道布局和管径优化计算时，显示计算进度条以便于用户等待，当用户使用本软件时，采用用户登录系统，这一部分是关于提升用户体验的代码，由VB完成。

（5）代码的优化：本软件的设计是文聪同学完成的2014年度的大学生创新实验项目（基于遗传算法的区域供冷管网布局优化软件系统开发）和基于吴一凡同学完成的2015年度的大学生创新实验项目（关于区域供热供冷管网管径进一步简化软件设计）的进一步集成，在进行代码的集成时我们会简化，优化和添加一部分代码，以提高软件的计算速度。

国内外研究现状和发展动态

区域供冷供热在节能和环保方面具有优势，可以给系统设计、运行和维护及空调用冷水生产及销售量的集中控制而带来规模效益，在国外尤其是欧美等发达国家已经得到了较广泛的应用，己成为发达国家、发达地区的重要标志之一。

在管网布局优化方面，1985年，蔡启林利用破圈法对热网平面布置优化进行了研究，在含多圈连通管网结构图中去掉权值大的链支，生成了最小树，这种最小树方法适用于枝状热力管网的优化布置。1988年，马继勇对热网平面布置优化方法进行了研究，提出了两种理想的枝状热网平面布置的优化方法，一种是全部树的方法，另一种是权生成树方法。1998年，石兆玉以改进了的遗传算法为基础，结合多中位原理对多变量、多约束条件的多热源供热系统的优化选址和优化运行进行了研究，求得了多热源选址的全局最优解。2003年，李世武和苏莫明应用图论学中求解最小树的算法思想，通过预先确定流量与经济管径的函数，采用热经济孤立化优化方法，提出了热水管网系统布局与结构优化的设计方法，解决了管网系统技术性、节能性和经济性之间的综合和系统布局结构优化与参数优化之间的耦合问题，使所设计的管网运行能耗与初投资综合最小。2004年，李祥立等以某小区为例，对枝状热网布置进行了优化研究，通过计算分析若干热网布置形式的经济性，得出最优管网布置方案，并研究了改变热源位置对管网布置的影响，得出了热网布置应遵循的原则。2009年，Dobersek和Goricanec以投资运行费用为目标函数，用非线性的单纯形法对供热管网进行了最优树的路径及管径的优化，并以一个管网优化为例验证该方法的有效性。2011年，姚莎运用图论理论对管网布置进行了研究，基于最小权值的思想，以投资最小为目标，运用图论理论中最小生成树算法中的弗劳德算法,采用 MATLAB 语言编写通用程序, 实现了热网布线的全局优化，很好的解决了设计中管网布线的问题。为工程设计提供了指导性的思路，减少管网布置过程中材料不必要的浪费。

管径的优化是管网系统优化设计的核心。在常规的管网设计中，各管段的管径是根据管网各管段的计算流量和推荐比摩阻来选定。整个管网管径的选择通常以管网的经济性评价来确定的，其经济性评价包含投资费用和运行费用，而投资费用和运行费用是两个相互制约的指标。管网的管径愈小，则输送阻力愈大，动力消耗的运行费用就愈大；反之，管径愈大，输送阻力愈小，动力消耗的运行费用愈小，但管网投资就愈大。管网管径优化设计就应综合考虑投资和运行费用这两方面的影响。因此，在管网布局一定的情况下，应设计出每段最优管径，即最经济管径，使管网投资和运行费用之总和达到最小。国内外对管径的优化研究兴起于上世纪80年代初，主要的研究算法如模拟退火算法、遗传算法、蚁群算法、粒子群算法等。

1999年，Cunha等使用模拟退火算法解决环状给水管网的优化设计，管径采用离散形式，水力模型求解采用牛顿法，通过两个标准算例的检验，证明了模拟退火算法在管网优化中的可行性。在供冷/热管网优化中，2003年，黄善波以管径和保温层厚度为优化变量，建立了热力管线优化设计的非线性规划数学模型，应用模拟退火算法对该模型进行了求解。计算结果表明该算法简单，计算速度较快，对初始点依赖性不强，计算结果合理。2011年，豆中州根据基本回路分析法对供热管网水力模型进行求解，得出了各个管段的流量和压降，然后建立了供热管网的年折算费用为优化目标函数的优化设计模型，优化目标函数的决策变量为管网各管段离散的标准公称直径，并考虑了和实际工程相对应的水力约束条件，最后采用模拟退火算法进行优化计算，得到了优化的管网各管段管径。1987年，Goldberg等最早把遗传算法引入管网优化设计领域，阐述了遗传算法用于管网优化设计的一般数学模型和求解过程。此后，研究者在管网优化设计中广泛地采用遗传算法。在热力管网优化中， 2010年，Li Xiang-li以管网年折算费用最小为目标函数，管径编码采用整数编码规则，采用遗传算法对大连星海湾商业区域的海水源热泵DHC系统的管网管径进行优化，并与传统的推荐比摩阻法设计方法进行比较，年折算费用节省了8.54%。

综合以上文献资料，管网布局优化和管径优化在管网系统优化成为了研究热点，理论成果不少，但是市场还没有出现成熟的一套软件来实现管网布局优化和管径优化。为暖通空调设计者提供一个较为成熟的软件，减轻设计者的设计计算工作量，针对一个区域供冷供热项目能够提供一个最佳布局和其最优管径组合使得管网系统经济性最佳，这是本项目的目的。

参考文献：

[1] 蔡启林，王兆霖，陈兆祥，等．供热网平面布 置的优选[J]．区域供热，1985(04)：28-44.

[2] 马继勇．区域供热管网系统的优化设计及可靠性分析（硕士学位论文）[D]．哈尔滨：哈尔滨建筑工程学院，1988：5-13.

[3] 石兆玉，李惠军．遗传算法在供热系统多热源优化选址中的应用 [J]．区域供热，1998(02)：11-14.

[4] 李世武，苏莫明. 热水管网布置的优化设计方法[J]. 煤气与热力，2003,23(5):271-275.

[5] 刘孟军，李祥立，邹平华．枝状热网优化布置的研究[J]．煤气与热力，2004,24(12)：685-689.

[6] D.Dobersek， D.Goricanec. Optimisation of tree path pipe network with nonlinear optimisation method[J]. Applied Thermal Engineering. 2009,(29):1584-1591.

[7] 姚莎.基于经济计算的供暖管网优化设计研究（硕士学位论文）[D].西安：西安理工大学，2011：4-11.

[8] Apple L.S. Chan , Vic I. Hanby , T.T. Chow. Optimization of distribution piping network in district cooling system using genetic algorithm with local search[J]. Energy Conversion and Management. 2007，(48):2622–2629. 

[9] Jarmo Soderman. Optimisation of structure and operation of district cooling networks in urban regions[J]. Applied Thermal Engineering,2007,(27):2665-2676.

[10] 冯小平, 邓 波, 龙惟定. 基于单亲遗传算法的区域供冷系统管网的布置优化[J]. 西安建筑科技大学学报,2008,40(1):142-146.

[11] 蔡龙俊，胡立蛟. 区域供冷热系统的优化设计[J]. 暖通空调,2008,38(1):88-90.

[12] 黄善波,, 杨德伟, 雷文贤. 模拟退火算法在热力管线优化设计中的应用[J]. 煤气与热力, 2003,23(5): 293-295.

[13] 豆中州. 集中供热管网优化设计研究(硕士学位论文)[D]. 北京：华北电力大学，2011：13-19.

[14] 李祥立, 邹平华. 基于模拟退火算法的供热管网优化设计[J]. 暖通空调, 2005, 35(4):77-81.

[15] 吴飞. 集中供热管网的设计方法分析与改进(硕士学位论文)[D]. 哈尔滨：哈尔滨工业大学，2006：15-21.

[16] Li Xiang-li, Duanmu Lin, Shu Hai-wen. Optimal design of district heating and cooling pipe network of seawater-source heat pump[J]. Energy and Buildings, 2010, 42:100-104.

[17] 潘永昌. 改进蚁群算法和改进混合遗传算法在给水管网优化中的应用(硕士学位论文)[D]. 合肥：合肥工业大学，2007：13-20.

[18] 孙明月,许文斌,邹彬,等. 基于整数编码粒子群算法的树状供水管网优化[J], 水资源与水工程学报, 2012, 23(6):168-171.

[19] 秦绪忠，江亿. 基于遗传算法的环形供热网可及性分析[J]. 清华大学学报(自然科学版)，1999,39(6):90-94.

[20] 秦绪忠，江亿. 多热源并网供热的水力优化调度研究[J]. 暖通空调，2001,31(1):11-16.

[21] 薛宏文，张帆. 供热运行中参数调节的优化[J]. 暖通空调, 2001,31(2):86-88.

[22] 王晓霞，邹平华，周志刚. 复杂空间热网的拓扑结构及水力过程仿真[J]. 系统仿真学报，2005，17(8):563-570.

[23] 周守军等.城市集中供热系统一次网运行优化及算法[J].北京工业大学学报,2012,38(4): 628-635.

[24] 周守军.基于管网动态模型的城市集中供热系统参数预测及运行优化研究(博士学位论文)[D].济南：山东大学，2012:119-147.

[25] 刘金平,杜艳国,陈志勤. 区域供冷系统中冷冻水输送管线的优化设计[J].华南理工大学学报(自然科学版), 2004,32(10):28-31.

[26] 闫军威，刘飞龙，朱冬生. 广州大学城区域供冷系统质调节的节能分析[J].建筑科学, 2007,23(12):28-34.

[27] 张海涛，赵建成. 基于外融冰冰蓄冷的区域供冷优化运行研究[J]. 山西建筑, 2011,37(15):108-109.

本项目学生有关的研究积累和已取得的成绩

徐群：已通过英语四六级，获得2014-2015一等奖学金，2015-2016三等奖学金 以及计算机二级证书，已学过C语言，Matlab

宁有志：已通过英语四级，获得2014-2015二等奖学金，第十届物电杯电子设计  竞赛二等奖，计算机二级证书，已学过C语言，Matlab

章秀玲：已通过英语四级，获得2014-2015学年及2015-2016学年二等奖学金以             及计算机二三级证书，已学过C语言，Matlab

谢拓：已通过英语四级，获得2014-2015二等奖学金，2015-2016学年三等奖学金以及计算机二级证书，已学过C语言，Matlab

项目的创新点和特色

1、软件界面设计采用vb进行编制，具体算法通过调用MATLAB子程序来实现。

2、软件分为两个子系统，分别完成管网布局和管径优化。集成后的软件可以提供给设计院和科研单位，从而减少设计工程师的计算工作量，为区域供冷供热管网系统优化提供一个可靠的参考。

项目的技术路线及预期成果

主要通过构造抽象或简化的管网设计模型，借助于最优解理论和计算机技术，研究如何在管网工程规划设计中合理地选择有关技术参数，从各种方案中找出既能满足工程设计要求，又能降低工程投资的最优或次优设计方案，作为工程建设和运行管理的技术依据，同时通过此最优设计直接获取工程造价的相关信息。

一、技术路线

1、利用Matlab软件完成算法编制； 

2、 利用VB软件编制软件界面，完成管网参数输入，Matlab子程序调用，优化结果显示。

二、预期成果

1、完成软件：区域供冷供热管网布局和管径优化集成软件。通过Visual Basic设计的软件人机交互界面，具体算法通过调用MATLAB子程序来实现。

2、软件制作完毕后，完成软件著作权申请。

3、提高本项目成员独立从事科研能力，以及理论研究与实际动手能力。加强团队合作意识，创新意识，提升文献的查阅撰写能力。

年度目标和工作内容（分年度写）

2017-2018年度：

1. 明确分工，联系指导老师，查阅资料，进行相关科研资料筹备与整理；

2. 随后进入资料准备阶段，完成软件构思；

3. 理解算法，完成Matlab算法；

4. 利用VB编制界面；

5. 完成VB调用Matlab子程序调用。

2018-2019年度：

1. 进行软件调试，修复bug；

2. 编制软件使用说明书；

3. 申报软件著作权；

4.  最终完成结题报告。

指导教师意见

申请者及项目组成员通过大学2年学习，掌握了遗传算法的工作原理和基本软件编程思想，和具备了数据分析和软件编制的基本能力。课题属于前沿探索性研究，创新性明显，申请者具有良好的理论基础和解决本学科问题的能力，能够完成本项目研究任务。建议立项，予以支持。

签字：   曾竞                日期：2017.4.12