(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 202210985575.8 (22)申请日 2022.08.17 (71)申请人 山东大学 地址 250199 山东省济南市历城区山大南 路27号 (72)发明人 张晓东　陈琛　 (74)专利代理 机构 济南金迪知识产权代理有限 公司 37219 专利代理师 杨树云 (51)Int.Cl. G06F 30/18(2020.01) G06F 30/20(2020.01) G06Q 10/04(2012.01) G06Q 10/06(2012.01) G06Q 50/06(2012.01)G06F 111/04(2020.01) G06F 113/14(2020.01) (54)发明名称 一种水-能-碳耦合作用下基于双层规划与 图论算法的水 管网规划方法及系统 (57)摘要 本发明涉及一种水 ‑能‑碳耦合作用下基于 双层规划与图论算法的水管网规划方法及系统， 包括： 步骤1： 测量与预测数据： 制作区域简化图； 预测用户日需水量， 以及三角模糊隶属度函数； 估计每一段候选管道电力消耗； 测量每一段候选 道路铺设管道时需要的管道长度； 步骤2： 建立模 型， 模型包括最小化年总费用的上层目标函数和 最小化管网日电力消耗下层目标函数； 步骤3： 基 于双层规划与图论算法， 求取步骤2建立的模型 的最优值， 获取最优的水管网规划方案。 本方法 能够有效量化水管网系统中的能源消耗， 平衡经 济节约与环 境保护之间矛盾， 同时保持经济需求 的主要地位， 为不同需求的决策者在水厂建设、 管道布局、 管道负载方面提供科学合理的决策方 案。 权利要求书4页 说明书12页 附图3页 CN 115455619 A 2022.12.09 CN 115455619 A 1.一种水 ‑能‑碳耦合作用下基于双层规划与图论算法的水管网规划方法， 其特征在 于， 包括步骤如下： 步骤1： 测量与预测数据， 具体包括： 制作区域简化图； 根据用户历年的用水量预测用户日需水量， 以三角模糊隶属度函数表示； 根据控制点地面高出泵站吸水井水面的高度、 控制点所需最小服务水头、 从控制点到 泵站的总水头损失， 估计 每一段候选管道电力消耗； 测量每一段候选道路铺设管道时需要的管道长度； 步骤2： 建立模型， 模型包括最小化年总费用的上层目标函数和最小化管网日电力消耗 下层目标函数； 步骤3： 基于双层规划与图论算法， 求取步骤2建立的模型的最优值， 获取最优的水管网 规划方案 。 2.根据权利要求1所述的一种水 ‑能‑碳耦合作用下基于双层规划与图论算法的水管网 规划方法， 其特 征在于， 步骤1中， 制作区域简化图， 具体是指： 将候选水厂位置、 用户位置和交通枢纽位置分别简化为实心正方形、 实心圆形和点； 其 中， 用户分为6大类： 能源站、 商业办公楼、 居民楼、 宾馆、 教学楼和政府部门大楼， 并进行简 单区分； 管道铺设候选道路简化 为线。 3.根据权利要求1所述的一种水 ‑能‑碳耦合作用下基于双层规划与图论算法的水管网 规划方法， 其特 征在于， 步骤1中， 隶属度函数 μq(x)的数学表达式如式( Ⅰ)所示： 式(Ⅰ)中， qp为可能出现的用户需水量值中的最小值， 单位为m3； qo为可能出现的用户需 水量值中的最大值， 单位为m3； qm为概率最大的用户需水量值， 单位为m3； qp和qo对应隶属度 为0， qm对应隶属度为1。 4.根据权利要求1所述的一种水 ‑能‑碳耦合作用下基于双层规划与图论算法的水管网 规划方法， 其特征在于， 步骤1中， 根据控制点地面高出泵站吸水井水面的高度Z(m)、 控制点 所需最小服务水头H(m)、 从控制点到泵站的总水头损失h(m)， 估计每一段候选管道电力消 耗； 具体估计方法为： 管道ei每立方米输水电力消耗 ρ 为水的密度， 为1000kg/m3； g为重 力加速度， 为9.81m/s2； η为泵站综合效率； Zi指管段ei始末点的高度差、 Hi指管段ei的最小服 务水头、 hi指管段ei的水头损失。 5.根据权利要求1所述的一种水 ‑能‑碳耦合作用下基于双层规划与图论算法的水管网 规划方法， 其特征在于， 步骤2中， 最小化年总费用的上层目标函数的数学表达式如式( Ⅱ) 所示： TC＝WPC+PNC    (Ⅱ) 式(Ⅱ)中， TC是指年总费用折算值， WPC是指水厂年费用折算值， PNC是指管网年费用折权　利　要　求　书 1/4 页 2 CN 115455619 A 2算值； 其中， 代表水厂WPj的日负载中可能出现的最小值， 由可能出现的用户需水量值中的 最小值加和计算， 即 代表水厂WPj概率最大的日负载值， 由最大概率用 户需水量值加和计算， 即 代表水厂WPj的日负载中可能出现的最大值， 由可能出现的用户需水量值中的最大值加和计算， 即 m表示设计水厂总数； f(q)表示水厂建设成本， 通过 计算， SMP是估计参数； T1表示水厂建设投资偿还 期， 单位是年； PRWj表示水厂WPj每立方米水的生产成本； IPC表示管网建设投资费用， 单位 是 元； T2表示管网建设投资偿还期； Y1表示管网年折旧和大修费用， 单位为元/年， 按照管网建 设投资费用的一个固定比率计算； Y2表示年运行费用， 单位 为元/年。 6.根据权利要求5所述的一种水 ‑能‑碳耦合作用下基于双层规划与图论算法的水管网 规划方法， 其特征在于， 步骤2中， 最小化管网日电力消 耗下层目标函数的数学表达式如式 (Ⅲ)所示： TE＝ECN+EWP+EWD     (Ⅲ) 式(Ⅲ)中， TE是指水管网日电耗； ECN是指管道生产 耗电； EWP是指水生产 耗电； EWD是指 管网输水电耗； ECN、 EWP、 EWD的计算如下： 其中， EFC为管道能源消耗系数， 单位是kWh/kg； PGi为管道重量； EQWj为水厂j每立方米 水的生产耗电。 7.根据权利要求1所述的一种水 ‑能‑碳耦合作用下基于双层规划与图论算法的水管网 规划方法， 其特征在于， 步骤2中， 最小化年总费用的上层目标函数和最小化管网日电力消 耗下层目标函数的约束条件 包括以下几条： a.每一位用户只由一个水厂供 水； b.碳排放限制约束如下计算： 其中， CEF为电生产的碳 排放系数；权　利　要　求　书 2/4 页 3 CN 115455619 A 3