艾宏偉

(北票市水務(wù)綜合行政執(zhí)法隊,遼寧 北票 122100)

隨著農(nóng)村經(jīng)濟的不斷發(fā)展,村民對生活用水質(zhì)量的要求越來越高[1]。飲用水質(zhì)安全直接關(guān)系著村民身心健康,這也是村民生存發(fā)展的基本要求。在向用戶輸配生活用水過程中農(nóng)村飲水工程輸配水網(wǎng)發(fā)揮著重要作用,由于生物、化學和物理作用使得輸配水質(zhì)存在一定波動。所以,用戶水質(zhì)優(yōu)化的核心就是實現(xiàn)輸配水管道水質(zhì)安全的科學評價[2-3]。對于復雜輸配水管網(wǎng)系統(tǒng)中的所有節(jié)點和管道實施人工檢測,難以準確反映水質(zhì)變化情況且實現(xiàn)難度較大。因此,文章充分考慮農(nóng)飲水工程特點提出復合粒子群法,對及時掌握管道水質(zhì)變化情況以及保證供水水質(zhì)安全極具現(xiàn)實意義。

1 研究方法

1.1 水質(zhì)數(shù)據(jù)分類方法

1)粒子群算法設(shè)計。粒子群算法與同類進化法具有一定相似性,主要通過“進化”和“群體”過程實現(xiàn)鳥類群體行為的模擬。該算法以微粒個體的適應(yīng)度作為計算核心,待優(yōu)化問題的解利用離子方位來確定。一般地,在粒子群算法中每個粒子的適應(yīng)度與其性能的狀況密切相關(guān)。通過設(shè)置粒子速度,可以確定每個粒子的飛行速率和方位,從而逐步接近最優(yōu)解。例如,在處理水質(zhì)數(shù)據(jù)時,可以將每個水質(zhì)粒子的方位表示為Yj(h)=[yj1(h),yj2(h),…,yjn(h)],并將粒子的飛行速度表示為Uj(h)=[uj1(h),uj2(h),…,ujn(h)]。在開始計算之前,需要初始化處理水質(zhì)粒子的速度和方位,并通過跟蹤極值的方式來刷新其速度與方位,通過多次迭代運算逐步確定最優(yōu)解。

具體來說,個體極值Qj(h)=[qj1(h),qj2(h),…,qjn(h)]可以選用粒子自身檢索的最優(yōu)解,全局極值Qf(h)=[qf1(h),qf2(h),…,qfe(h)]可以使用截至當前達到的粒子群最優(yōu)解,其中qjn(h)和qfe(h)為表示當前和所有粒子水質(zhì)數(shù)據(jù)。在e維計算時,可以按照公式(1)～(2)不斷更新每個粒子j的速度和方位,以使其靠近個體極值和全局極值,即:

uij(h+1)=ω·uij(h)+d1rand2i(h)[qjn(h)-yjn(h)]+d2rand2i(h)[qjn(h)-yin(h)]

(1)

(2)

式中:i、j為數(shù)量;ω、d為慣性權(quán)重系數(shù)和加速系數(shù);rand、sig為隨機數(shù)和Sigmoid函數(shù)。通過公式(1)、(2)可以反映粒子之前的慣性與速度及其“認知”行為,這體現(xiàn)了粒子之間的相互協(xié)作和信息共享關(guān)系。

2)數(shù)據(jù)編碼。該過程就是將離散化的混合數(shù)據(jù),通過粒子首層、第二層結(jié)構(gòu)進行分類處理,即通過兩層相融來完成編碼分類,任一可行解與與水質(zhì)粒子的一種編碼相對應(yīng)。數(shù)據(jù)屬性連續(xù)分割點的編碼為首層,以二進制編碼設(shè)置所有非間斷屬性分割點,分割點數(shù)目總值即為碼長度總值,某一水質(zhì)粒子是1或0時則代表使用和不使用該分割點,即水質(zhì)粒子后續(xù)層間編碼工作可繼續(xù)或終止,例如,對于b1、b2選擇分割點的問題,使用1010010來表示首層編碼,在第二層中可以將粒子結(jié)構(gòu)分為分類、離散和連續(xù)編碼,實現(xiàn)混合水質(zhì)數(shù)據(jù)編碼。

3)分類流程。步驟1:在水質(zhì)數(shù)據(jù)分類過程中,需要定義適應(yīng)度函數(shù)來評估每個水質(zhì)粒子的分類效果,同時還需要設(shè)定合適的懲罰系數(shù)和迭代次數(shù),在初始化階段將復合粒子群Y(h)的速度和方位設(shè)定為初始值。步驟2:根據(jù)設(shè)定的適應(yīng)度函數(shù),對每個水質(zhì)粒子在Y(h)中的分類效果進行評估,如果某個水質(zhì)粒子的分類結(jié)果都為0(即無有效分類),則將其適應(yīng)度值設(shè)置為很小的值。步驟3:將每個水質(zhì)粒子的當前最佳分類方案(qbest)與其對應(yīng)的適應(yīng)度值進行比較,如果某個水質(zhì)粒子的適應(yīng)度較高,則其分類效果較好,將其設(shè)定為當前階段的最優(yōu)方案。步驟4:將全局最優(yōu)方位Qf(h)作為參考,對比分析各個水質(zhì)微粒的適應(yīng)度值,如果某個水質(zhì)微粒的適應(yīng)度值較高,重新設(shè)定其索引號。步驟5:確定各個粒子的方位和速度,根據(jù)水質(zhì)微粒的非間斷離散化屬性和分類結(jié)果,確定每個粒子的方位和速度。這些屬性和結(jié)果將直接影響粒子的適應(yīng)度大小。步驟6:判定是否達到最大迭代次數(shù),如果已經(jīng)達到了預設(shè)的最大迭代次數(shù)則直接進入步驟8,結(jié)束分類過程,否則返回步驟3繼續(xù)迭代。步驟7:根據(jù)設(shè)定的終止條件,判斷是否繼續(xù)進行迭代,如果未達到終止條件返回步驟2,繼續(xù)計算適應(yīng)度和更新粒子的方位與速度。步驟8:根據(jù)最優(yōu)粒子的分類方案,對水質(zhì)數(shù)據(jù)進行分類處理,準確地反映水質(zhì)數(shù)據(jù)的個別與整體屬性,從而減少后續(xù)的運算量。

1.2 評價分析

考慮指標權(quán)重將分類后的水質(zhì)數(shù)據(jù)作為分析單元計算各指標的單因子水質(zhì)標識指數(shù),每個指標權(quán)重利用超標法確定,然后通過加權(quán)求和獲取能夠全面反映輸配水管道水質(zhì)的綜合水質(zhì)標識指數(shù),科學評定管道水質(zhì)級別[4]。

1)計算單因子標識指數(shù)。根據(jù)水環(huán)境質(zhì)量標準利用公式(4)計算氨氮、生化需氧量BOD和化學需氧量COD的單因子標識指數(shù),對于遞減類指標溶解氧DO可以利用公式(5)計算其單因子標識指數(shù)[5-6],即:

(3)

(4)

式中:Hj、Dj為指標j的水質(zhì)類別和實測濃度值;Rjh上、Rjh下為在第Hj類水區(qū)間內(nèi)指標j的上、下限值。若氨氮、BOD和COD存在6個分類標準,所其對應(yīng)的水質(zhì)標識指數(shù)為:

(5)

2)指標權(quán)重計算。針對各指標權(quán)重利用超標賦權(quán)法確定,該方法既可以保證權(quán)重的合理性,還能夠重點突出超標因子的作用。采用超標倍數(shù)法確定各指標權(quán)重,如遇氨氮、BOD和COD的超標倍數(shù)可利用下式計算[7-9]:

(6)

式中:Rj5為水質(zhì)的五級標準。溶解氧DO達到一級時取0,否則利用下式確定:

(7)

式中:R5DO、R1DO為溶解氧DO的五級和一級標準,其中R1DO的計算公式為:

(8)

式中:W為水溫。通過歸一化處理各超標倍數(shù)值可以確定氨氮、BOD和COD指標權(quán)重,即:

(9)

3)綜合表示指數(shù)計算。采用加權(quán)求合法處理單因子標識指數(shù)即可確定綜合標識指數(shù),其表達式為:

(10)

根據(jù)計算的綜合標識指數(shù)可以評定輸配水管道水質(zhì)安全級別,其中一、二、三、四、五、六級水質(zhì)所對應(yīng)的綜合標識指數(shù)Q取值區(qū)間為1.1～2.0、2.1～3.0、3.1～4.0、4.1～5.0、5.1～6.0和>6.0。

2 實例應(yīng)用

采用復合粒子群方法定量評價北票市2020年農(nóng)村飲水安全鞏固提升工程管道水質(zhì)安全等級[10-12],如表2所示。

表2 輸配水管道水質(zhì)安全等級

為了評價復合粒子群方法的可靠度,對比分析輸配水管道水質(zhì)檢測實際值與該方法評價結(jié)果,如表3所示。

表3 復合粒子群方法與實際值是否相符

從表3可以看出,輸配水管道水質(zhì)實際情況與復合粒子群方法基本一致,該方法具有較高可靠度,對定量評價農(nóng)村飲水安全鞏固提升工程管道水質(zhì)具有較強適用性。

采用層次分析法和模糊數(shù)學法定量評價北票市2020年農(nóng)村飲水安全鞏固提升工程管道水質(zhì)安全,計算不同方法評價時延和結(jié)果均方誤差如表4所示。

表4 基于不同方法的性能測試結(jié)果

由4可知,復合粒子群法相比于層次分析法和模糊數(shù)學法的均方誤差總體較小,其最大值只有0.056;從延時的角度上,復合粒子群法相比于層次分析法和模糊數(shù)學法具有更快的運算效率。

對北票市2020年農(nóng)村飲水安全鞏固提升工程管道水質(zhì)安全應(yīng)用復合粒子群法、層次分析法和模糊數(shù)學法進行定量評價時,對溶解氧DO、氨氮、生化需氧量BOD和化學需氧量COD的查全率及查準率如圖1所示。

圖1 查全率與查準率

從圖1可以看出,采用復合粒子群法定量評價輸配水管道水質(zhì)時,對溶解氧DO、氨氮、生化需氧量BOD、化學需氧量COD的查全率和查準率分別為0.97及0.98,該方法整體高于層次分析法和模糊數(shù)學法的查全率及查準率。

3 結(jié) 論

1)為定量評價輸配水管道水質(zhì)級別研究提出一種復合粒子群方法,該方法相比于層次分析法和模糊數(shù)學法的均方誤差總體較小,其最大值只有0.056,從延時的角度上該方法具有更快的運算效率。

2)采用復合粒子群方法定量評價管道水質(zhì)安全級別時,對溶解氧DO、氨氮、生化需氧量BOD、化學需氧量COD的查全率和查準率分別為0.97及0.98,該方法整體高于層次分析法和模糊數(shù)學法的查全率及查準率。