本发明涉及供水管网，更具体地，涉及一种供水管网可靠性替代指标比较方法与系统。
背景技术：
1、近年来，城市发展面临极端气候和自然灾害等不确定性威胁，为了提高城市抵御各种冲击的能力，提出了“韧性城市”的概念。而供水管网系统作为城市重要的公用设施，在规划设计阶段提高韧性成为共识。韧性在技术上可理解为吸收、恢复和适应能力，而更早提出的可靠性属于吸收能力。由于计算可靠性需要遍历所有故障场景而耗时过久，因此采用了在正常运行场景计算可靠性替代指标来缩短计算时间，得到管网韧性的预期表现。
2、现有替代指标的比较方法主要基于管网的水力模型进行二维或高维的多目标优化设计，得到帕累托最优解集，并通过计算解集中各管网设计方案的可靠性与替代指标的相关系数，来反映替代指标性能(即一致性视角)。然而，在工程实际决策和建设中，通过优化得到的帕累托最优解集的一致性视角来比较替代指标的性能是不合理的。因为决策者通常只能选择帕累托最优解集中的个别管网设计方案，在相等成本时应保证更高的效益，所以要比较相等成本下不同替代指标的设计方案。同时，现有替代指标的比较依赖可靠性计算，其只考虑单条管道失效的场景，并且采用快照(snapshot)形式的水力模拟方式(例如只考虑最高日最高时)；而在管网实际运行中，会遇到多条管道同时失效的场景，同时管网系统的供水量会随着时间动态变化，存在水力状态变化的过程，因此需要比较多管失效和延时模拟时替代指标的性能。
3、目前在供水管网多目标优化设计和改造问题中缺乏在等成本视角下对可靠性替代指标进行比较的方法，不利于找到最佳的替代指标，进而指导后续科学的管网设计和改造。如何基于工程实际决策角度更合理有效地比较替代指标的性能已成为目前亟待解决的技术问题之一。
技术实现思路
1、本发明为克服上述现有技术未考虑多条管道同时失效及计算成本高的缺陷，提供一种供水管网可靠性替代指标比较方法与系统，在相同成本下提高设计方案的韧性，找到相等成本最高效益的替代指标，提高供水管网设计与改造方案的科学性。
2、为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：
3、本发明提供了一种供水管网可靠性替代指标比较方法，所述方法包括：
4、基于供水管网数据计算若干个替代指标；
5、对每个所述替代指标分别建立多目标优化模型；
6、对每个多目标优化模型进行求解，获得每个替代指标对应的帕累托解集；
7、对所有替代指标，均从对应的帕累托解集中筛选出帕累托最优解，并将每个替代指标的帕累托最优解组成帕累托最优解集；
8、在所述帕累托最优解集上设置若干条等成本线，获得每个替代指标的最优解与每条等成本线的交点，作为每个可靠性替代指标的等成本方案；
9、对每个替代指标的每个等成本方案进行全局韧性分析，获得对应的可比应力范围，并在可比应力范围内计算对应的归一韧性分数；
10、对每个所述替代指标，基于每个等成本方案的归一韧性分数，计算每个替代指标的归一韧性分数平均值；
11、基于每个替代指标的归一韧性分数平均值，对替代指标进行比较排序，获得各个替代指标的排序名次，取排序第一的替代指标作为最优替代指标进行供水管网的设计与改造。
12、优选地，所述多目标优化模型为：
13、
14、
15、其中，d为市售管径集合；dj为管径；hi为节点水头；vj为管道流速；np为管道数量；j为管道；u(dj)表示管径为dj的供水管的对应单价；lj为管长；rsmk为第k个替代指标。
16、优选地，获得每个替代指标对应的帕累托解集具体方法为：
17、对于每个替代指标的多目标优化模型，利用nsga-ii算法求解若干次，得到若干条不同的帕累托前沿，作为该替代指标的帕累托解集。
18、优选地，获得帕累托最优解具体方法为：
19、对于每个可靠性替代指标的帕累托解集进行快速非支配排序，获得该替代指标的帕累托最优解。
20、优选地，对每个替代指标的每个等成本方案进行全局韧性分析，获得对应的可比应力范围的具体方法为：
21、设置应变指标、供水管网节点的需水模式和失效场景，对每个替代指标的每个等成本方案，根据供水管网节点的需水模式进行全局韧性分析，得到每个等成本方案下各个应变指标在不同失效场景下的应力-应变曲线；所述失效场景包括单管失效场景、多管失效场景和全部失效场景；
22、对于不同替代指标的相同的等成本方案，采用同一应变指标的多条应力-应变曲线来计算曲线发散的临界应力，并取成本和应变指标变化下所有临界应力的最小值作为可比应力范围的上界，取单管失效时的应力作为可比应力范围的下界。
23、优选地，所述全局韧性分析为在某种失效场景下不断增加故障管道来提升应力值，然后进行水力模拟计算，并通过应变指标来计算系统韧性；
24、所述应变指标包括供电水管网中的应变时间、故障持续时间、故障速率、恢复速率、故障幅度和严重性。
25、优选地，所述失效场景包括单管失效、多管失效和全部失效三种失效场景；
26、计算失效场景的公式为：
27、
28、
29、t＝2(np-f+1)
30、其中，s为失效场景数量；np为供水管网管道总数；f为供水管网中故障管道数量；r为多管失效中的第一类随机场景；t为多管失效中的第二类目标场景；p为水力模拟成功概率；ci为置信区间；zα为对应的正态分布值。
31、优选地，取成本和应变指标变化下所有临界应力的最小值作为可比应力范围的上界，取单管失效时的应力作为可比应力范围的下界，所述可比应力范围具体为：
32、
33、
34、σc＝min{σcj}cost,σc≥5％
35、其中，i表示应力区间内第i个应力；c表示第c个为临界应力；j表示第j个应变指标；εij为应变大小；σij为应力大小；σcj为临界应力大小；σc为等成本解集可比应力范围的上界；{εij}rsm为替代指标采用i个应力时一组多个应变值的集合；rr表示取集合的相对极差；cost包括各个成本方案。
36、优选地，在可比应力范围内计算对应的归一韧性分数具体为：
37、
38、
39、
40、其中，εij为应变指标j在第i个应力的应变大小；εcj为应变指标j在临界应力的应变大小；b为排除临界应力过小的应变指标后剩余的应变指标个数；c为ssij为折算的应变分数；nrsi为可比应力范围内第i个应力的归一韧性分数；nrs为管网方案在可比应力范围内最终计算得到的归一韧性分数。
41、本发明还提供了一种供水管网可靠性替代指标比较系统，用于实现上述的方法，所述系统包括：
42、指标计算模块，基于供水管网数据计算若干个替代指标；
43、模型构建模块，对每个所述替代指标分别建立多目标优化模型；
44、解集求解模块，对每个多目标优化模型进行求解，获得每个替代指标对应的帕累托解集；
45、最优解集获取模块，对所有替代指标，均从对应的帕累托解集中筛选出帕累托最优解，并将每个替代指标的帕累托最优解组成帕累托最优解集；
46、方案构建模块，在所述帕累托最优解集上设置若干条等成本线，获得每个替代指标的最优解与每条等成本线的交点，作为每个可靠性替代指标的等成本方案；
47、方案分析模块，对每个替代指标的每个等成本方案进行全局韧性分析，获得对应的可比应力范围，并在可比应力范围内计算对应的归一韧性分数；
48、平均值计算模块，对每个所述替代指标，基于每个等成本方案的归一韧性分数，计算每个替代指标的归一韧性分数平均值；
49、比较排序模块，基于每个替代指标的归一韧性分数平均值，对替代指标进行比较排序，获得各个替代指标的排序名次，取排序第一的替代指标作为最优替代指标进行供水管网的设计与改造。
50、与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：
51、本发明在供水管网多目标优化设计问题中，通过更加符合工程实际决策的视角来进行替代指标的比较。基于帕累托最优解集中相等成本的设计方案，通过全局韧性分析中更多管道故障场景的延时水力模拟，得到应力-应变曲线的可比应力范围，并计算可比应力范围内归一韧性分数，找到相等成本获得最高效益的替代指标，提高供水管网效益。
1.一种供水管网可靠性替代指标比较方法，其特征在于，所述方法包括：
2.根据权利要求1所述的供水管网可靠性替代指标比较方法，其特征在于，
3.根据权利要求1所述的供水管网可靠性替代指标比较方法，其特征在于，获得每个替代指标对应的帕累托解集的具体方法为：
4.根据权利要求3所述的供水管网可靠性替代指标比较方法，其特征在于，获得帕累托最优解具体方法为：
5.根据权利要求4所述的供水管网可靠性替代指标比较方法，其特征在于，对每个替代指标的每个等成本方案进行全局韧性分析，获得对应的可比应力范围的具体方法为：
6.根据权利要求5中所述的供水管网可靠性替代指标比较方法，其特征在于，所述全局韧性分析为在某种失效场景下不断增加故障管道来提升应力值，然后进行水力模拟计算，并通过应变指标来计算系统韧性；
7.根据权利要求6所述的供水管网可靠性替代指标比较方法，其特征在于，所述失效场景包括单管失效、多管失效和全部失效三种失效场景；
8.根据权利要求5所述的供水管网可靠性替代指标比较方法，其特征在于，取成本和应变指标变化下所有临界应力的最小值作为可比应力范围的上界，取单管失效时的应力作为可比应力范围的下界，所述可比应力范围具体为：
9.根据权利要求5中所述的供水管网可靠性替代指标比较方法，其特征在于，在可比应力范围内计算对应的归一韧性分数具体为：
10.一种供水管网可靠性替代指标比较系统，用于实现权利要求1-9所述的方法，其特征在于，所述系统包括：
