基于动态规划的排水管网缺陷修复设计及规模论证方法与流程

1.本发明属于市政工程技术领域，具体涉及一种基于动态规划的排水管网缺陷修复设计及规模论证方法。


背景技术：

2.污水管网作为输送城市污水的重要基础设施，能有效收集并转输人口活动过程中产生的污、废水。随着城市化快速推进以及雨污分流战略的实施，污水管网的总长度及管道密度增加迅速。但是伴随着污水管网建设速度的加快，管网中的各种问题也陆续呈现，管网缺陷问题尤其突出。管网缺陷会导致污水渗入地下，污染地下水水环境；或地下水入渗进入管道，导致污水厂进水浓度下降，从而影响污水系统效能。同时严重的缺陷引起管道淤堵，污水冒溢，环境及社会影响恶劣；实施管道缺陷引起水土流失导致路面塌陷，影响行车安全。
3.修复管道缺陷，提升管网健康度已成为行业共识，然而对全部管网进行缺陷修复投资过大。目前很多城市已经将管网属于和缺陷数据集成在地理信息平台内。如何在海量的管网缺陷检测数据中，合理筛选出影响最大，问题最突出的管段进行修复。目前修复问题仍主要依赖人工分析检测数据，这种方法效率低、周期长，且最终的形成的方案不一定是最优方案，急需一种自动化程度高、快速精准的分析设计方法以提高效率。


技术实现要素：

4.本发明的目的就是为了解决上述背景技术存在的不足，提供一种基于动态规划的排水管网缺陷修复设计及规模论证方法。
5.本发明采用的技术方案是：一种基于动态规划的排水管网缺陷修复设计及规模论证方法，包括以下步骤：
6.步骤1：获取排水管网拓扑关系数据，包括管段数据和节点数据；
7.步骤2：获取排水管网的缺陷数据信息，包括管段编号、缺陷点数量、缺陷类型、缺陷等级和缺陷密度；
8.步骤3：根据《城镇排水管道非开挖修复更新工程技术规程》(cjj 210-2014)以及《城镇排水管道检测与评估技术规程》(cjj 181-2012)要求结合项目需求，确定排水管网需进行修复的缺陷类型及缺陷等级；
9.步骤4：以管段为单位，将需进行修复的缺陷类型及缺陷等级分为严重结构缺陷和不严重结构缺陷，对于存在严重结构缺陷的管段，采取开挖修复；对于存在不严重结构缺陷的管段，则计算管段的缺陷密度；
10.当缺陷密度大于等于0.5时，采取整体修复；当缺陷密度小于等于0.1时，采取局部修复；当缺陷密度大于0.1且小于0.5时，则判断该管段缺陷点数量；
11.当缺陷点数量大于等于3时，采取整体修复；当缺陷点数量小于3时，采取局部修复；
12.步骤5：统计开挖修复及整体修复管段的长度，统计局部修复管段的缺陷点数量；
13.步骤6：计算管段修复总费用；
14.步骤7：若管段修复总费用不超过总投资，则对存在需修复的管段进行全部改造，并生成工程数量表，结束；
15.步骤8：若管段修复总费用超出总投资，则将管段修复总费用数据进行动态规划计算，分析出在限定投资下使修复的缺陷点数量最多的方案，生成需修复的管段统计表；
16.步骤9：将需修复的管段统计表进行复核，导入gis或cad等辅助设计软件，由设计人员结合实际复核修复方案的合理性，若修复方案合理，则生成工程数量表，结束；若修复方案不合理，则返回至步骤8，在需修复的管段统计表内进行调整。
17.上述步骤8中，所述动态规划计算的过程如下：
18.以两个相邻检查井之间的管道计为一个管段，统计管段数计为n，每个管段需修复缺陷点数量以mi表示；每个管段规格化修复总费用以wi表示，设可投入的总投资为w，则需考虑在总投资限制下，修复缺陷点数量最多；
19.设g[i,w]表示在总投资为w，修复i个管段可以实现修复缺陷点数量最高，通过以下方程求解：
[0020][0021]
上述步骤6中，计算管段修复总费用计算公式如下：
[0022]
整体修复或开挖修复公式如下：
[0023]
wi＝c1*li
[0024]
局部修复公式如下：
[0025]
wi＝c2*mi
[0026]
式中：wi—管段修复总费用；c1—该管段管径对应的整体修复或开挖修复单价；c2—该管段管径对应的局部修复单价；
[0027]
li—管段长度；mi—缺陷点数量。
[0028]
所述管段数据至少包括编号、管径、标高、长度、起终节点编号。
[0029]
所述节点数据至少包括编号、标高、坐标。
[0030]
所述缺陷类型包括破裂、起伏、变形、错口、脱节、腐蚀、渗漏、支管暗接、异物穿入、接口材料脱落10种。
[0031]
所述缺陷等级包括1级、2级、3级和4级。
[0032]
设定等级为四级的所有缺陷类型、等级为三级的变形、起伏缺陷类型以及所有等级的支管暗接缺陷类型为严重结构缺陷，其它缺陷类型为不严重结构缺陷。
[0033]
动态规划(dynamic programming，dp)是运筹学的一个分支，是求解决策过程最优化的过程。动态规划的应用在背包问题、资源分配问题、最短路径问题和复杂系统可靠性问题等中取得了显著的效果。动态规划算法通常用于求解具有某种最优性质的问题。在这类问题中，可能会有许多可行解。每一个解都对应于一个值，找到具有最优值的解。其基本思想也是将待求解问题分解成若干个子问题，先求解子问题，然后从这些子问题的解得到原
问题的解。可以用一个表来记录所有已解的子问题的答案。不管该子问题以后是否被用到，只要它被计算过，就将其结果填入表中。这就是动态规划法的基本思路。
[0034]
本发明的有益效果如下：
[0035]
本发明以排水管网拓扑关系数据、缺陷数据信息为基础，利用动态规划算法作为框架，建立排水管网分片缺陷自动统计分析方法。以同一管段的缺陷作为辨识特征，将不同管段修复费用作为判别基础，以缺陷点修复数量作为判别条件，自动分析在有限投资条件下缺陷管道修复的最优策略，快速准确识别缺陷严重区域，快速的提出在不同投资规模下的修复策略建议以及工程分期建议。本发明能够把可行性研究、方案策划、初步设计阶段规模论证、工程分期策划、概估算编制的时间提升50倍以上，节省了大量的机械劳动时间，提高了工作效率。
附图说明
[0036]
图1为本发明工作总流程图；
[0037]
图2为管网缺陷筛选及判定流程图；
[0038]
图3为动态规划算法流程图。
具体实施方式
[0039]
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明，便于清楚地了解本发明，但它们不对本发明构成限定。
[0040]
如图1-3所示，本发明包括以下步骤：
[0041]
步骤1：获取排水管网拓扑关系数据，包括管段数据和节点数据；
[0042]
步骤2：获取排水管网的缺陷数据信息，包括管段编号、缺陷点数量、缺陷类型、缺陷等级和缺陷密度；具体如表1：
[0043]
表1缺陷类型及缺陷等级
[0044][0045]
步骤3：根据《城镇排水管道非开挖修复更新工程技术规程》(cjj 210-2014)以及《城镇排水管道检测与评估技术规程》(cjj 181-2012)要求结合项目需求，确定排水管网需进行修复的缺陷类型及缺陷等级，如表2：
[0046]
表2需修复缺陷筛选统计表
[0047]
[0048][0049]
步骤4：以管段为单位，将需进行修复的缺陷类型及缺陷等级分为严重结构缺陷和不严重结构缺陷，对于存在严重结构缺陷的管段，采取开挖修复；对于存在不严重结构缺陷的管段，则计算管段的缺陷密度；
[0050]
当缺陷密度大于等于0.5时，采取整体修复；当缺陷密度小于等于0.1时，采取局部修复；当缺陷密度大于0.1且小于0.5时，则判断该管段缺陷点数量；
[0051]
当缺陷点数量大于等于3时，采取整体修复；当缺陷点数量小于3时，采取局部修复；
[0052]
步骤5：统计开挖修复及整体修复管段的长度，统计局部修复管段的缺陷点数量；
[0053]
步骤6：计算管段修复总费用；
[0054]
步骤7：若管段修复总费用不超过总投资，则对存在需修复的管段进行全部改造，并生成工程数量表，结束；
[0055]
步骤8：若管段修复总费用超出总投资，则将管段修复总费用数据进行动态规划计算，分析出在限定投资下使修复的缺陷点数量最多的方案，生成需修复的管段统计表；
[0056]
步骤9：将需修复的管段统计表进行复核，导入gis或cad等辅助设计软件，由设计人员结合实际复核修复方案的合理性，若修复方案合理，则生成工程数量表，结束；若修复方案不合理，则返回至步骤8，在需修复的管段统计表内进行调整。
[0057]
上述步骤8中，动态规划计算的过程如下：
[0058]
以两个相邻检查井之间的管道计为一个管段，统计管段数计为n，每个管段需修复缺陷点数量以mi表示；每个管段规格化修复总费用以wi表示，设可投入的总投资为w，则需考虑在总投资限制下，修复缺陷点数量最多；
[0059]
设g[i,w]表示在总投资为w，修复i个管段可以实现修复缺陷点数量最高，通过以下方程求解：
[0060][0061]
上述步骤6中，计算管段修复总费用计算公式如下：
[0062]
整体修复或开挖修复公式如下：
[0063]
wi＝c1*li
[0064]
局部修复公式如下：
[0065]
wi＝c2*mi
[0066]
式中：wi—管段修复总费用；c1—该管段管径对应的整体修复或开挖修复单价；c2—该管段管径对应的局部修复单价；
[0067]
li—管段长度；mi—缺陷点数量。
[0068]
管道修复单价可根据项目、地区自行测算，也可按照下表3进行估计。
[0069]
表3不同管径修复单价表(单位：元/米)
[0070]
管径d400d500d600d800d1000d1200d1500整体修复6000620065006700720075008500局部修复6000620065006700720075008500开挖修复5500570067007000710077008000
[0071]
管段数据至少包括编号、管径、标高、长度、起终节点编号。
[0072]
节点数据至少包括编号、标高、坐标。
[0073]
缺陷类型包括破裂、起伏、变形、错口、脱节、腐蚀、渗漏、支管暗接、异物穿入、接口材料脱落10种。
[0074]
缺陷等级包括1级、2级、3级和4级本实施例中，设定等级为四级的所有缺陷类型、等级为三级的变形、起伏缺陷类型以及所有等级的支管暗接缺陷类型为严重结构缺陷，其它缺陷类型为不严重结构缺陷。
[0075]
本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

技术特征：
1.一种基于动态规划的排水管网缺陷修复设计及规模论证方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤1：获取排水管网拓扑关系数据，包括管段数据和节点数据；步骤2：获取排水管网的缺陷数据信息，包括管段编号、缺陷点数量、缺陷类型、缺陷等级和缺陷密度；步骤3：确定排水管网需进行修复的缺陷类型及缺陷等级；步骤4：以管段为单位，将需进行修复的缺陷类型及缺陷等级分为严重结构缺陷和不严重结构缺陷，对于存在严重结构缺陷的管段，采取开挖修复；对于存在不严重结构缺陷的管段，则计算管段的缺陷密度；当缺陷密度大于等于0.5时，采取整体修复；当缺陷密度小于等于0.1时，采取局部修复；当缺陷密度大于0.1且小于0.5时，则判断该管段缺陷点数量；当缺陷点数量大于等于3时，采取整体修复；当缺陷点数量小于3时，采取局部修复；步骤5：统计开挖修复及整体修复管段的长度，统计局部修复管段的缺陷点数量；步骤6：计算管段修复总费用；步骤7：若管段修复总费用不超过总投资，则对存在需修复的管段进行全部改造，并生成工程数量表，结束；步骤8：若管段修复总费用超出总投资，则将管段修复总费用数据进行动态规划计算，分析出在限定投资下使修复的缺陷点数量最多的方案，生成需修复的管段统计表；步骤9：将需修复的管段统计表进行复核，若修复方案合理，则生成工程数量表，结束；若修复方案不合理，则返回至步骤8，在需修复的管段统计表内进行调整。2.根据权利要求1所述的基于动态规划的排水管网缺陷修复设计及规模论证方法，其特征在于：上述步骤8中，所述动态规划计算的过程如下：以两个相邻检查井之间的管道计为一个管段，统计管段数计为n，每个管段需修复缺陷点数量以mi表示；每个管段规格化修复总费用以wi表示，设可投入的总投资为w，则需考虑在总投资限制下，修复缺陷点数量最多；设g[i,w]表示在总投资为w，修复i个管段可以实现修复缺陷点数量最高，通过以下方程求解：3.根据权利要求1所述的基于动态规划的排水管网缺陷修复设计及规模论证方法，其特征在于：上述步骤6中，计算管段修复总费用计算公式如下：整体修复或开挖修复公式如下：wi＝c1*li局部修复公式如下：wi＝c2*mi式中：wi—管段修复总费用；c1—该管段管径对应的整体修复或开挖修复单价；c2—该管段管径对应的局部修复单价；
li—管段长度；mi—缺陷点数量。4.根据权利要求1所述的基于动态规划的排水管网缺陷修复设计及规模论证方法，其特征在于：所述管段数据至少包括编号、管径、标高、长度、起终节点编号。5.根据权利要求1所述的基于动态规划的排水管网缺陷修复设计及规模论证方法，其特征在于：所述节点数据至少包括编号、标高、坐标。6.根据权利要求1所述的基于动态规划的排水管网缺陷修复设计及规模论证方法，其特征在于：所述缺陷类型包括破裂、起伏、变形、错口、脱节、腐蚀、渗漏、支管暗接、异物穿入、接口材料脱落10种。7.根据权利要求6所述的基于动态规划的排水管网缺陷修复设计及规模论证方法，其特征在于：所述缺陷等级包括1级、2级、3级和4级。8.根据权利要求7所述的基于动态规划的排水管网缺陷修复设计及规模论证方法，其特征在于：设定等级为四级的所有缺陷类型、等级为三级的变形、起伏缺陷类型以及所有等级的支管暗接缺陷类型为严重结构缺陷，其它缺陷类型为不严重结构缺陷。

技术总结
本发明公开了一种基于动态规划的排水管网缺陷修复设计及规模论证方法。它包括根据排水管网的缺陷数据信息确定管段修复总费用；若管段修复总费用不超过总投资，则对存在需修复的管段进行全部改造，并生成工程数量表，结束；若管段修复总费用超出总投资，则将管段修复总费用数据进行动态规划计算，分析出在限定投资下使修复的缺陷点数量最多的方案，生成需修复的管段统计表；将需修复的管段统计表进行复核，若修复方案合理，则生成工程数量表，结束；若修复方案不合理，则在需修复的管段统计表内进行调整。本发明以缺陷点修复数量作为判别条件，自动分析在有限投资条件下缺陷管道修复的最优策略，快速准确识别缺陷严重区域。快速准确识别缺陷严重区域。快速准确识别缺陷严重区域。


技术研发人员：孟军 孙凌凯 吴从林 李逸之 向艳斌 柳沛松
受保护的技术使用者：长江勘测规划设计研究有限责任公司
技术研发日：2023.05.12
技术公布日：2023/9/14