引 言

　　市政工程，又稱城市公共設施或城市基礎設施，是指為城市的物質生產和人民生活提供一般活動條件的具有公共服務性質的設備、設施的總稱，是城市賴以生存和發展的基礎。城市基礎設施主要包含能源設施、供水及排水設施、交通設施、郵電通信設施、生態環境設施以及防災設施等六個方面。

　　隨著生產力的高度發展和社會化程度的提高，市政工程的規模、結構、行為及其環境日益復雜，由此產生的各種現象和問題日益復雜。因此，在市政工程規劃設計中如何尋找和確定最優方案是擺在工程研究人員面前的難題。

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

　　一、粒子群優化方法

　　粒子群優化算法(PSO)是一種隨機搜索的全局優化方法，起源于對鳥群覓食行為的研究。PSO算法求解優化問題時，問題的解對應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f(x)決定其適應度值。在解空間中各個粒子記憶、追隨當前的最優粒子。如果找到較好解，將以此為依據尋找下一個解。在每一次迭代找到這兩個最優解后，當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 f(pbesti)的大小更新，全局極值點gbest取所有個體極值中的最優值進行更新。

　　二、在水環境質量評價中的應用

　　水環境質量評價的一般步驟包括確定評價目標和評價對象系統。建立評價指標體系，對復雜評價系統的評價指標體系，一般需要建立評價指標的層次結構模型。評價模型是把一個多指標問題綜合成一個單指標的形式，包括確定各評價指標的權重和各無量綱化評價指標及其權重的組合形式。把評價對象的評價指標值代入評價模型，得到各評價對象的綜合評價指標值，據此對各評價對象在總體上進行分類排序。評價模型的建立是城市水安全系統評價的核心工作。從數學變換的角度看，各評價對象是由評價對象各指標所組成的高維空間的一些點。城市水安全系統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“結構”，其中最重要的是與分類排序有關的結構。

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

　　三、在供排水管網規劃中的應用

　　供排水管網規劃是以經濟性為目標，將管徑或水頭損失作為優化變量，而將其余的作為約束條件的表達式，以求出最優的管徑或水頭損失。由于水質安全性不易定量評價，正常時和損壞時用水量會發生變化、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學式表達，因此管網規劃主要是在考慮各種設計目標的前提下，求出一定設計年限內，管網建造費用和管理費用之和為最小時的管徑或水頭損失，也就是求出經濟管徑或經濟水頭損失。

　　給排水管道系統的造價對于整個給排水系統工程來說尤為重要，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系，通過優化算法以最小化水管建設投資。傳統的方法應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，容易陷入局部最優解。粒子群優化方法在解空間上隨機搜索技術，逐步改善每一代的結果，最終獲得最優解或近似最優解，它不同于以往的任何一種迭代方法。它不需將目標函數進行轉換，直接對目標函數進行優化即可，并且可同時優化多個參數，因此其結果明顯優于其他方法。

　　四、在層次分析評價模型中的應用

　　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雜系統的思維過程數學化，將人的主觀判斷為主的定性分析進行定量化，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值化，為復雜系統的分析、預測、評價、決策、控制和管理提供易于被人接受的定量依據，目前已在工程技術、經濟管理和社會生活中得到廣泛應用，是當前復雜系統建模的重要理論和方法之一。在實際應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，提出應用粒子群算法用于確定各評價指標權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重，并用于城市污水規劃方案評價的實例中。把粒子群優化方法應用到城市污水規劃方案優選的工程實例中，從而使得工程設計人員在進行方案優選時可以更客觀更細致地選出最優方案，可以解決因幾個方案相近時靠經驗無法判斷時的難題。用粒子群優化方法計算的結果與工程實際情況更一致，且計算結果精確、穩定，因此該方法對于城市雨水、污水規劃方案的綜合評價等都具有一定的應用價值。

　　五、結 論

　　針對目前市政工程系統問題的復雜性，實際工程中的評價、優化和優選等常用方法的缺點和問題，研究了粒子群優化算法，并探討了將其應用到市政工程問題的水環境質量評價、供排水管網規劃、層次分析評價模型等若干實例。粒子群算法是作者根據研究與經驗的一種嘗試，如想在今后的工程實例中更好、更廣泛地應用該算法，還需對其作不斷的改進和研究。

　　參考文獻

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

　　2、林川. 粒子群優化與差分進化算法研究及其應用，博士學位論文. 西南交通大學, 2009.