引 言

　　市政工程，又稱城市公共設(shè)施或城市基礎(chǔ)設(shè)施，是指為城市的物質(zhì)生產(chǎn)和人民生活提供一般活動條件的具有公共服務(wù)性質(zhì)的設(shè)備、設(shè)施的總稱，是城市賴以生存和發(fā)展的基礎(chǔ)。城市基礎(chǔ)設(shè)施主要包含能源設(shè)施、供水及排水設(shè)施、交通設(shè)施、郵電通信設(shè)施、生態(tài)環(huán)境設(shè)施以及防災(zāi)設(shè)施等六個方面。

　　隨著生產(chǎn)力的高度發(fā)展和社會化程度的提高，市政工程的規(guī)模、結(jié)構(gòu)、行為及其環(huán)境日益復(fù)雜，由此產(chǎn)生的各種現(xiàn)象和問題日益復(fù)雜。因此，在市政工程規(guī)劃設(shè)計中如何尋找和確定最優(yōu)方案是擺在工程研究人員面前的難題。

　　市政系統(tǒng)優(yōu)化方法是應(yīng)用其他市政系統(tǒng)工程方法的基礎(chǔ)。優(yōu)化方法實際上是一種搜索過程或規(guī)則，是基于某種思想和機(jī)制，通過一定的途徑或規(guī)則得到滿足用戶要求的問題求解方法。根據(jù)優(yōu)化算法機(jī)制的不同可分為經(jīng)典算法和智能算法兩種。本文主要探討粒子群優(yōu)化方法及其在市政工程中的應(yīng)用。

　　一、粒子群優(yōu)化方法

　　粒子群優(yōu)化算法(PSO)是一種隨機(jī)搜索的全局優(yōu)化方法，起源于對鳥群覓食行為的研究。PSO算法求解優(yōu)化問題時，問題的解對應(yīng)于搜索空間中的粒子。每個粒子都有自己的位置和速度，可用矢量(xi, vi, pbest)表示。所有粒子都由一個評價函數(shù)f(x)決定其適應(yīng)度值。在解空間中各個粒子記憶、追隨當(dāng)前的最優(yōu)粒子。如果找到較好解，將以此為依據(jù)尋找下一個解。在每一次迭代找到這兩個最優(yōu)解后，當(dāng)粒子在某一維度上飛出問題的搜索范圍時，令它在這一維度上等于搜索區(qū)間的上界或者下界。對于求解min f(x)問題，個體極值點pbesti根據(jù) f(pbesti)的大小更新，全局極值點gbest取所有個體極值中的最優(yōu)值進(jìn)行更新。

　　二、在水環(huán)境質(zhì)量評價中的應(yīng)用

　　水環(huán)境質(zhì)量評價的一般步驟包括確定評價目標(biāo)和評價對象系統(tǒng)。建立評價指標(biāo)體系，對復(fù)雜評價系統(tǒng)的評價指標(biāo)體系，一般需要建立評價指標(biāo)的層次結(jié)構(gòu)模型。評價模型是把一個多指標(biāo)問題綜合成一個單指標(biāo)的形式，包括確定各評價指標(biāo)的權(quán)重和各無量綱化評價指標(biāo)及其權(quán)重的組合形式。把評價對象的評價指標(biāo)值代入評價模型，得到各評價對象的綜合評價指標(biāo)值，據(jù)此對各評價對象在總體上進(jìn)行分類排序。評價模型的建立是城市水安全系統(tǒng)評價的核心工作。從數(shù)學(xué)變換的角度看，各評價對象是由評價對象各指標(biāo)所組成的高維空間的一些點。城市水安全系統(tǒng)評價模型就是一種從高維空間到低維空間的映射，要求這種映射能保持評價對象樣本在原高維空間的某種“結(jié)構(gòu)”，其中最重要的是與分類排序有關(guān)的結(jié)構(gòu)。

　　在求解未確知測度的指標(biāo)權(quán)重時，目前最常用的方法是近似按等權(quán)處理和“專家打分”這兩種方法，而實際問題中指標(biāo)不是等權(quán)的占大多數(shù)。而“專家打分”因為不同的專業(yè)知識背景、看問題的角度和喜好，導(dǎo)致“專家打分”有很大的主觀性。若采用蒙特卡洛方法在標(biāo)準(zhǔn)評價等級附近模擬大量樣本，進(jìn)而采用粒子群算法計算出這些樣本最屬于那個標(biāo)準(zhǔn)評價等級時的權(quán)重，由于它不涉及人的主觀性，計算結(jié)果更具客觀性、一般性和合理性。

　　三、在供排水管網(wǎng)規(guī)劃中的應(yīng)用

　　供排水管網(wǎng)規(guī)劃是以經(jīng)濟(jì)性為目標(biāo)，將管徑或水頭損失作為優(yōu)化變量，而將其余的作為約束條件的表達(dá)式，以求出最優(yōu)的管徑或水頭損失。由于水質(zhì)安全性不易定量評價，正常時和損壞時用水量會發(fā)生變化、二級泵房的運行和流量分配等有不同方案，所有這些因素都難以用數(shù)學(xué)式表達(dá)，因此管網(wǎng)規(guī)劃主要是在考慮各種設(shè)計目標(biāo)的前提下，求出一定設(shè)計年限內(nèi)，管網(wǎng)建造費用和管理費用之和為最小時的管徑或水頭損失，也就是求出經(jīng)濟(jì)管徑或經(jīng)濟(jì)水頭損失。

　　給排水管道系統(tǒng)的造價對于整個給排水系統(tǒng)工程來說尤為重要，管道的造價按管道單位長度造價乘以管段長度計算。通過建立水管單位長度造價與管道直徑的關(guān)系，通過優(yōu)化算法以最小化水管建設(shè)投資。傳統(tǒng)的方法應(yīng)用作圖法和黃金分割最小二乘法。作圖法本身就很粗糙，并且還要畫圖，受每個人的眼力影響較大，因此應(yīng)用性不大。黃金分割最小二乘法作為一種迭代方法，容易陷入局部最優(yōu)解。粒子群優(yōu)化方法在解空間上隨機(jī)搜索技術(shù)，逐步改善每一代的結(jié)果，最終獲得最優(yōu)解或近似最優(yōu)解，它不同于以往的任何一種迭代方法。它不需將目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，直接對目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化即可，并且可同時優(yōu)化多個參數(shù)，因此其結(jié)果明顯優(yōu)于其他方法。

　　四、在層次分析評價模型中的應(yīng)用

　　作為定性分析和定量分析的一種常用方法，層次分析法是將人們對復(fù)雜系統(tǒng)的思維過程數(shù)學(xué)化，將人的主觀判斷為主的定性分析進(jìn)行定量化，幫助人們保持思維過程的一致性，將各種判斷要素之間的差異數(shù)值化，為復(fù)雜系統(tǒng)的分析、預(yù)測、評價、決策、控制和管理提供易于被人接受的定量依據(jù)，目前已在工程技術(shù)、經(jīng)濟(jì)管理和社會生活中得到廣泛應(yīng)用，是當(dāng)前復(fù)雜系統(tǒng)建模的重要理論和方法之一。在實際應(yīng)用中存在的主要問題是如何檢驗和修正判斷矩陣的一致性問題，這也是目前理論研究的熱點和難點。為此，提出應(yīng)用粒子群算法用于確定各評價指標(biāo)權(quán)重的判斷矩陣的新思路，用于檢驗和修正判斷矩陣的一致性和計算各要素的權(quán)重，并用于城市污水規(guī)劃方案評價的實例中。把粒子群優(yōu)化方法應(yīng)用到城市污水規(guī)劃方案優(yōu)選的工程實例中，從而使得工程設(shè)計人員在進(jìn)行方案優(yōu)選時可以更客觀更細(xì)致地選出最優(yōu)方案，可以解決因幾個方案相近時靠經(jīng)驗無法判斷時的難題。用粒子群優(yōu)化方法計算的結(jié)果與工程實際情況更一致，且計算結(jié)果精確、穩(wěn)定，因此該方法對于城市雨水、污水規(guī)劃方案的綜合評價等都具有一定的應(yīng)用價值。

　　五、結(jié) 論

　　針對目前市政工程系統(tǒng)問題的復(fù)雜性，實際工程中的評價、優(yōu)化和優(yōu)選等常用方法的缺點和問題，研究了粒子群優(yōu)化算法，并探討了將其應(yīng)用到市政工程問題的水環(huán)境質(zhì)量評價、供排水管網(wǎng)規(guī)劃、層次分析評價模型等若干實例。粒子群算法是作者根據(jù)研究與經(jīng)驗的一種嘗試，如想在今后的工程實例中更好、更廣泛地應(yīng)用該算法，還需對其作不斷的改進(jìn)和研究。

　　參考文獻(xiàn)

　　1、劉寶輝. 市政工程管線綜合優(yōu)化研究, 碩士學(xué)位論文. 西安建筑科技大學(xué)，2010年.

　　2、林川. 粒子群優(yōu)化與差分進(jìn)化算法研究及其應(yīng)用，博士學(xué)位論文. 西南交通大學(xué), 2009.