Applying Tabu Search on the Optimal Design Of Sewer Networks -The Campus of National Chung-Hsing University as an Example

污水下水道系統的建設是減低生活污水對環境負荷、提昇生活品質的有效方法，所以在政府施政藍圖--「挑戰2008：國家發展重點計畫」之水與綠建設計畫中編列了總經費1,047.36億元來推動污水下水道建設，希望能提高用戶接管的普及率。但是大多數的既設學校，在其建校之初並未規劃全區的污水收集系統，即使該區域已具有公共污水下水道系統，而仍然無法確實將校區內所產生之污水予以銜接。然而，各校的環安單位並非無視此問題，但是從評估污水處理場的選址、污水幹管的配置及其相對的建設經費等等，都是繁複的課題。因此，尋求一可行的方式，能有效將污水收集系統及污水處理廠建設的經費估算，並可以很快的評估不同的配置方案所需的經費，藉此評估的結果來逐年編列預算，分期分區建置收集系統。本研究為應用禁忌搜尋法並配合成本函數來針對案例進行最佳化，並對其結果加以比較。但對於各建築物接用污水收集系統之分支管網部份則不在此研究範圍，應其牽涉到各建築物的特性，且較無管線銜接高程的問題。研究結果顯示，禁忌搜尋法可以有效的求得各方案的最小成本，且其解符合各項限制條件，依其結果可明確提供我們選擇校區污水下水道系統的最佳方案。The construction of sewage system is an effective way to reduce the domestic wastewater causing the environmental load and thus raise the higher living quality. Therefore, 104736 billion is listed in the government administration blueprint ”Challenge 2008: Nation Focus of Development Plan”－“Water and Green Architecture Project.” to promote the construction of sewage system. Hoping that the household connection-pipe and the public sanitary sewage served rate will be raised. However, most schools didn't have the sewage water collection system when they were built. Even when the public sewerage system has already existed in some areas, it still can't exactly solve a school's sewage problem. The safety and hygiene of environment units of schools are not supposedly to ignore the sewage problem, because it's a complicated issue concerning the Site Selection of the Waste Water Treatment Plant, the positions of the main sewer pipes, the constructional fees and so on. Therefore, it's important to seek for some plausible ways to effectively evaluate the budgets of the sewage water collection system and the sewage pipe positions. According to the evaluation, the budget can be redacted year by year to decompose the sewage water collection system step by step in terms of the areas. This research using the Application of Tabu Search incorporates into the Cost function, processed the optimization by case, and compare the results. The sewerage system branch networks connecting to buildings are not included in this research because they involve the characteristics of different buildings that have no problems with pipes connecting. The research shows that The Application of Tabu Search can effectively minimize the cost, cast to the restrictions, and specifically offer the best way for schools' sewage system.總目錄 中文摘要 i Abstract ii 總目錄 iii 表目錄 v 圖目錄 vii 第一章 前言 1 1-1 研究動機 1 1-2 研究目的 2 1-3 研究內容 3 1-4 本文架構 4 第二章 文獻回顧 5 2-1污水下水道法規沿革、設計相關規範 5 2-1-1污水下水道法規沿革、設計相關規範 5 2-1-2設計相關規範 7 2-2優選式演算法 10 2-2-1啟發式演算法 10 2-2-1-1遺傳演算法(Genetic Algorithm, GA) 11 2-2-1-2模擬退火法(Simulated Annealing, SA) 11 2-2-1禁忌搜尋法(Tabu search, TS) 11 2-3污水管網及污水處理廠建置成本 19 2-3-1污水管網建置成本 19 2-3-2污水處理廠建置成本 22 2-4 文獻總結 24 第三章 研究方法 25 3-1 污水下水道最佳化模式 25 3-1-1 水力計算公式 28 3-1-2 水力特性推導 29 3-1-3 水力特性應用 31 3-1-4 污水下水道設計規範 32 3-1-5 污水量推估 35 3-2 禁忌搜尋法 37 3-2-1 背景 37 3-2-2 禁忌搜尋法基本概念 38 3-2-3 禁忌搜尋法的構成要素 40 第四章 結果與討論 47 4-1 各方案系統配置說明 49 4-1-1 方案一—不分區收集 49 4-1-1 方案二—分區收集 52 4-2 使用工具說明 54 4-3 方案一求解結果 55 4-4 方案二求解結果 68 4-4支幹管接合條件說明 80 4-5 方案結果比較與討論 81 4-5-1 各方案管線建設成本 81 4-5-2 各方案污水處理廠建設成本 88 4-5-3 各方案營運成本 89 4-5-3 綜合討論 90 5-1 結論 91 5-2 建議 92 參考文獻 95 表目錄 表2-1 建築物污水處理設施使用人數、污水量及水質參考表 7 表2-1 建築物污水處理設施使用人數、污水量及水質參考表(續) 8 表2-1 建築物污水處理設施使用人數、污水量及水質參考表(續) 9 表2-2 直線上人孔間距 10 表2-3 管渠埋設深度 10 表2-4 禁忌搜尋法各領域之應用情形 13 表2-4 禁忌搜尋法各領域之應用情形(續) 14 表2-4 禁忌搜尋法各領域之應用情形(續) 15 表2-5 污水管網最佳化文獻 16 表2-5 污水管網最佳化文獻(續) 17 表2-5 污水管網最佳化文獻(續) 18 表2-6 國內污水管網成本函數 20 表2-7 Yeh and Lin (2006)所發展之下水道商用管成本函數 21 表2-8 污水處理廠(水資源回收中心)工程單價概估資料表(內政部，1996) 22 表2-9 污水處理廠(水資源回收中心)工程單價概估資料表(內政部，2000) 22 表2-10 各級處理成本函數與R2 值對應值 23 表3-1 管渠埋設深度 33 表3-2 常用之商用管徑資料 34 表3-3 常用之污水下水道設計規範 35 表3-4 地下水入滲量估算表 36 表3-5 TS參數設定 46 表3-6 禁忌搜尋法參數設定 46 表4-1 操作維護估算方式 48 表4-2 國立中興大學「教職員工生現況調查表」 51 表4-3 本研究所使用的電腦平台 54 表4-4 使用工具特點 54 表4-5 方案一之基本資料 55 表4-5 方案一之基本資料(續) 56 表4-5 方案一之基本資料(續) 57 表4-6 方案一以歐陽(1987)成本函數之TS設計結果整理 62 表4-6 方案一以歐陽(1987)成本函數之TS設計結果整理(續) 63 表4-6 方案一以歐陽(1987)成本函數之TS設計結果整理(續) 64 表4-7 方案一以Yeh and Lin(2006)成本函數之TS設計結果整理 65 表4-7 方案一以Yeh and Lin(2006)成本函數之TS設計結果整理(續) 66 表4-7 方案一以Yeh and Lin(2006)成本函數之TS設計結果整理(續) 67 表4-8 方案二之基本資料 68 表4-8 方案二之基本資料(續) 69 表4-8 方案二之基本資料(續) 70 表4-9 方案二以歐陽(1987)成本函數之TS設計結果整理 74 表4-9 方案二以歐陽(1987)成本函數之TS設計結果整理(續) 75 表4-9 方案二以歐陽(1987)成本函數之TS設計結果整理(續) 76 表4-10 方案二以Yeh and Lin(2006)成本函數之TS設計結果整理 77 表4-10 方案二以Yeh and Lin(2006)成本函數之TS設計結果整理(續) 78 表4-10 方案二以Yeh and Lin(2006)成本函數之TS設計結果整理(續) 79 表4-11 方案一之Yeh and Lin(2006)與歐陽(1987)成本結果比較 81 表4-11 方案一之Yeh and Lin(2006)與歐陽(1987)成本結果比較(續) 82 表4-11 方案一之Yeh and Lin(2006)與歐陽(1987)成本結果比較(續) 83 表4-12 方案二之Yeh and Lin(2006)與歐陽(1987)成本結果比較 84 表4-12 方案二之Yeh and Lin(2006)與歐陽(1987)成本結果比較(續) 85 表4-12 方案二之Yeh and Lin(2006)與歐陽(1987)成本結果比較(續) 86 表4-13 方案一、方案二之管線配置結果比較 87 表4-14 方案一、方案二之污水處理廠建置成本比較 88 表4-15 經驗判斷之方案一、方案二污水處理廠建置成本比較 88 表4-16 各方案營運維護成本 89 表4-17 各方案總成本 90 圖目錄 圖3-1 研究方法流程圖 26 圖3-2 圓形斷面圖 29 圖3-3 流量比與水深比關係圖 32 圖3-4 TS流程圖 45 圖4-1 中興大學地理位置圖 47 圖4-2 方案一管線配置圖 49 圖4-3 方案一管線配置簡圖 50 圖4-4 方案二管線配置圖 52 圖4-5 方案二管線配置簡圖 53 圖4-6 方案一管線配置示意圖 58 圖4-7 模式中基本資料輸入流程圖 59 圖4-8 方案一以歐陽(1987)成本函數之TS最佳化結果 60 圖4-9 方案一以Yeh and Lin(2006)成本函數之TS最佳化結果 61 圖4-10 方案二管線配置示意圖 71 圖4-11 方案二以歐陽(1987)成本函數之TS最佳化結果 72 圖4-12 方案二以Yeh and Lin(2006)成本函數之TS最佳化結果 73 圖4-13 支幹管接合條件說明 80 圖5-1 台中市污水下水道系統分期實施計畫圖 92 圖5-2 台中市污水下水道系統中興大學周邊管線實施計畫圖 9