水利工程論文-用混合式遺傳算法進(jìn)行給水管網(wǎng)現(xiàn)狀分析.doc

水利工程論文-用混合式遺傳算法進(jìn)行給水管網(wǎng)現(xiàn)狀分析摘要：將廣義簡(jiǎn)約梯度法（GRG）思想應(yīng)用于傳統(tǒng)遺傳算法，提出一種新的混合式遺傳算法（HGA），此方法具有很強(qiáng)的全局和局部搜索能力，并且無(wú)需復(fù)雜的編碼、解碼過(guò)程，可以準(zhǔn)確解決多變量、多峰值的給水管網(wǎng)現(xiàn)狀分析問(wèn)題。采用此算法，絕大多數(shù)的計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的誤差可減小到1以下，能準(zhǔn)確反映管網(wǎng)的實(shí)際工況。關(guān)鍵詞：混合式遺傳算法廣義簡(jiǎn)約梯度法遺傳算法TheUseofHybridGeneticAlgorithminAnalyzingStatusofWaterDistributionNetworksAbstract:ThephilosophyofGeneralReducedGradient(GRG)methodisappliedtoconventionalGeneticAlgorithm(GA)andanewHybridGeneticAlgorithm(HGA)isproposed.Tl1isIl1ethodhasapowerfulsearchingabilitygloballyandlocally,withwhichtheissuesinanalyzingthecurrentstatllsofwaterdistributionnetworksfeaturingmorevariablesandmorepeakvaluescanbesolvedaccuratelywithoutanycomplicatedcodingandde-codingprocesses.Withthismethod,thedifferenceshetweenmostcalculatedvaluesandactually-measuredvaluescanbereducedtobelowl%andtheactuaIworkingconditionsofwaterdistributionnetworkscanbereflectedac-curately.Keywords:waterdistribution；network；HyhridGeneticAlgorithm(HGA)；GeneralReducedGradient(GRG)；GeneticAlgorithm(GA)隨著用水規(guī)模的不斷擴(kuò)大及管道使用年限的增長(zhǎng)，城市給水管網(wǎng)逐漸暴露出一些問(wèn)題，例如各水源間不合理調(diào)度引起管網(wǎng)壓力過(guò)高，造成能量浪費(fèi)，甚至引起爆管問(wèn)題；管道淤積結(jié)垢，閥門(mén)未正常開(kāi)啟使管道摩阻增大，管網(wǎng)壓力局部降低；管道銹蝕，或接口處漏水造成水資源浪費(fèi)，管網(wǎng)水量。水壓不足等問(wèn)題。為了解這些情況，及時(shí)、準(zhǔn)確掌握管網(wǎng)工況，必須進(jìn)行管網(wǎng)現(xiàn)狀分析，并且其結(jié)果可為管網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度、改建、擴(kuò)建提供可靠依據(jù)。1給水管網(wǎng)現(xiàn)狀分析常用方法簡(jiǎn)介給水管網(wǎng)現(xiàn)狀分析是在水源的供水壓力和供水量已知，通過(guò)部分節(jié)點(diǎn)、管段的水壓、流量的實(shí)際量測(cè)值來(lái)推斷節(jié)點(diǎn)流量、管線(xiàn)摩阻及所有的節(jié)點(diǎn)水壓和管段流量。常用方法有現(xiàn)狀平差法、遺傳算法和廣義簡(jiǎn)約梯度法?，F(xiàn)狀平差法1是通過(guò)實(shí)測(cè)與經(jīng)驗(yàn)得出節(jié)點(diǎn)流量和管線(xiàn)摩阻，然后轉(zhuǎn)化為管網(wǎng)平差問(wèn)題求解節(jié)點(diǎn)水壓與管段流量，再與實(shí)測(cè)值相比較得知管網(wǎng)工況。由于節(jié)點(diǎn)流量和管段摩阻均很難準(zhǔn)確確定，此方法常導(dǎo)致平差計(jì)算結(jié)果與實(shí)際值存在較大偏差，以致現(xiàn)狀分析得出錯(cuò)誤的結(jié)論。王榮和等2提出通過(guò)以節(jié)點(diǎn)流量和管線(xiàn)摩阻力控制變量的非線(xiàn)性規(guī)劃來(lái)進(jìn)行管網(wǎng)現(xiàn)狀分析，并以遺傳算法求解，得到較好的效果。但由于遺傳算法中隨機(jī)抽取樣本，存在偶然性，有時(shí)對(duì)部分節(jié)點(diǎn)或管段提供的結(jié)論并不準(zhǔn)確，只能達(dá)到80的準(zhǔn)確率，而且對(duì)管網(wǎng)末梢的樹(shù)狀管段和節(jié)點(diǎn)，也不能正確控制。由于遺傳算法局部收斂能力較差，對(duì)于大、中型管網(wǎng)，計(jì)算時(shí)間很長(zhǎng)，且很難逼近最優(yōu)解。而文獻(xiàn)3則嘗試采用解決非線(xiàn)性規(guī)劃的有效方法廣義簡(jiǎn)約梯度法來(lái)求解，其基本思想是利用簡(jiǎn)約梯度構(gòu)造一個(gè)使目標(biāo)函數(shù)改善的可行方向，然后沿此方向進(jìn)行搜索，找出一個(gè)更優(yōu)點(diǎn)，從而逐步逼近最優(yōu)解。此方法具有很強(qiáng)的局部收斂能力，但全局搜索能力欠佳，對(duì)于多峰值的規(guī)劃問(wèn)題，很容易陷入局部最優(yōu)解。本文將提出一種集廣義簡(jiǎn)約梯度法和遺傳算法于一體的混合式遺傳算法，針對(duì)現(xiàn)狀分析問(wèn)題目標(biāo)函數(shù)。約束條件均可微且較易求得的特點(diǎn)，在遺傳算法全局搜索的基礎(chǔ)上加以沿負(fù)梯度方向的變異，以提高其局部搜索能力，很快達(dá)到全局最優(yōu)解。2數(shù)學(xué)模型的建立依據(jù)在滿(mǎn)足管網(wǎng)水力條件約束下，在允許的調(diào)幅范圍內(nèi)，通過(guò)對(duì)節(jié)點(diǎn)流量q，管段過(guò)水能力系數(shù)r進(jìn)行調(diào)整，使測(cè)壓點(diǎn)水壓和測(cè)流管段流量的計(jì)算值與實(shí)測(cè)值之差降至最小的原則，建立數(shù)學(xué)模型3。3數(shù)學(xué)模型的求解1，4-53.1初始群體的產(chǎn)生樣本染色體為MN維實(shí)向量，由M個(gè)節(jié)點(diǎn)流量和N個(gè)管段過(guò)水能力系數(shù)組成。初始種群的產(chǎn)生是在各自的界限值范圍內(nèi)隨機(jī)選取n組。以下的交叉。變異過(guò)程將直接采用控制變量的參數(shù)值，而無(wú)需編碼。解碼。另外，本方法樣本規(guī)模n可適當(dāng)減小，一般可取傳統(tǒng)遺傳算法的一半左右。3.2樣本染色體交叉對(duì)于目標(biāo)函數(shù)值較小的樣本，則將其作為父代染色體按算術(shù)組合進(jìn)行交叉得到子代染色體。父代染色體向量從第k代染色體向量集的子集中隨機(jī)抽取產(chǎn)生。設(shè)分別為1（k）和2（k），則子代染色體3（k+1）=1（k）+（1-）2（k）。其中可由式=Z1（Z1Z2）確定（其中Z為染色體向量所對(duì)應(yīng)的目標(biāo)函數(shù)值）。3.3樣本染色體變異對(duì)于目標(biāo)函數(shù)值較大的樣本，則需進(jìn)行變異。其中目標(biāo)函數(shù)值超過(guò)一定限度的，按照初始群體產(chǎn)生的方法隨機(jī)選取新的個(gè)體，以確保樣本的多樣性，避免陷入局部收斂，稱(chēng)之為隨機(jī)變異。另外一部分則沿目標(biāo)函數(shù)的負(fù)梯度方向變異，即：q(k+1)=q(k)+(k)Pq(k)，r(k+1)=r(k)+(k)Pr(k)其中(k)為第k步的步長(zhǎng)，Pq(k)，Pr(k)為q，r的搜索方向，即目標(biāo)函數(shù)的負(fù)梯度方向。3.4交叉、變異概率的動(dòng)態(tài)調(diào)整在迭代之初，樣本以隨機(jī)變異為主，目的是進(jìn)行充分的全局搜索以達(dá)到最優(yōu)解的鄰域，并加以少量的交叉和沿負(fù)梯度方向變異操作。在以后的過(guò)程中將逐步加強(qiáng)交叉和沿負(fù)梯度方向變異操作，以加快收斂速度，逐步逼近最優(yōu)解。本文采用一次函數(shù)來(lái)動(dòng)態(tài)確定交叉和兩種變異的概率。3.5終止法則依經(jīng)驗(yàn)采用最大迭代步數(shù)GENMAX，即迭代步數(shù)達(dá)到規(guī)定值時(shí)即停止計(jì)算。也可采用限制精度來(lái)終止計(jì)算，即當(dāng)q(k)-時(shí)終止計(jì)算。4算例驗(yàn)證筆者分別采用廣義簡(jiǎn)約梯度法（GRG）、傳統(tǒng)遺傳算法（GA）以及前述混合式遺傳算法（HGA）進(jìn)行了軟件編制，并對(duì)如圖1簡(jiǎn)單管網(wǎng)進(jìn)行計(jì)算驗(yàn)證。對(duì)于該管網(wǎng)，假設(shè)實(shí)測(cè)值如表1所示。根據(jù)此值可計(jì)算出各節(jié)點(diǎn)流量和管段過(guò)水能力系數(shù)的準(zhǔn)確值，如表2所示。表1假設(shè)實(shí)測(cè)值計(jì)算參數(shù)計(jì)算點(diǎn)實(shí)測(cè)值節(jié)點(diǎn)水壓/m節(jié)點(diǎn)164.1696節(jié)點(diǎn)262.2248管段流量/（Ls-1）管段10.1587管段20.0587管段30.0413表2本文方法計(jì)算結(jié)果計(jì)算參數(shù)計(jì)算點(diǎn)準(zhǔn)確值計(jì)算值誤差/%節(jié)點(diǎn)流量/（Ls-1）節(jié)點(diǎn)10.10000.10000.00節(jié)點(diǎn)20.10