基于整數(shù)編碼遺傳算法的樹狀灌溉管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計方法

1、基于整數(shù)編碼遺傳算法的樹狀灌溉管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計方法連云港市水利局江蘇連云港西北農(nóng)林科技大學(xué)旱區(qū)農(nóng)業(yè)水土工程教育部重點實驗室陜西楊凌摘要針對樹狀管網(wǎng)布置中較多依賴設(shè)計人員經(jīng)驗的特點提出了一種基于整數(shù)編碼遺傳算法的樹狀管網(wǎng)兩級優(yōu)第一級優(yōu)化是根據(jù)樹狀管網(wǎng)單點供水的原則建立了融合工程設(shè)計經(jīng)驗的樹狀管網(wǎng)優(yōu)化布置整數(shù)編碼遺第二級優(yōu)化在確定管網(wǎng)布置方案組的基礎(chǔ)上采用整數(shù)編碼的遺傳算法以投資最小為目標(biāo)建立了管徑傳算法模型克服了傳統(tǒng)二進制編碼方法易產(chǎn)生不可行解的問題可快速尋找出一組符合工程實際情況的管網(wǎng)布網(wǎng)布置經(jīng)驗設(shè)計方法進行了比較表明本文提出的基于整數(shù)編碼的管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計方法可方便地將設(shè)計經(jīng)驗融合到優(yōu)化計算過程中能

2、降低管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)汁的復(fù)雜性和求解難度關(guān)鍵詞樹狀管網(wǎng)遺傳算法研究背景分別優(yōu)化從水源到各用水節(jié)點之間的管網(wǎng)而管網(wǎng)布置是管網(wǎng)設(shè)計優(yōu)化的為此許多學(xué)者對管網(wǎng)布置優(yōu)化進行研究世度規(guī)劃和單位矢量修正進行管網(wǎng)優(yōu)化布置用經(jīng)濟流速法確定各管等研究了基于遺傳算法的單水源的樹狀管網(wǎng)優(yōu)化算法結(jié)果表明最小投資的管網(wǎng)布魏永曜等研究了用圖論中最小生成樹方等研究了用遺傳算法優(yōu)化周榮敏研究了用二進制邊編碼單親遺傳算法優(yōu)化樹狀管網(wǎng)布置而實際上管網(wǎng)布置方案需要在較大程度上借助于設(shè)計人樹狀灌溉管網(wǎng)優(yōu)化問題的數(shù)學(xué)描述由于管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計問題十分復(fù)雜基金項目計劃資助課題作者簡介教授第一級研究融入設(shè)計由于樹狀管網(wǎng)是水源向多點供水只有分流而沒有匯流

3、的管網(wǎng)故在各配如圖所示形成樹狀管網(wǎng)初步有向連接圖通過求解連通圖中的管網(wǎng)最短路徑圖某小型灌區(qū)管網(wǎng)有向連接式中節(jié)點采用的第為由設(shè)計經(jīng)驗得出的可以向第故有管網(wǎng)各節(jié)點水壓力約束管道流速約束管段管徑約束式中為給為為樹狀管狀管網(wǎng)中第網(wǎng)第分別為管道水頭損失公式中與管材有關(guān)的系數(shù)為樹狀管網(wǎng)第為第以圖管網(wǎng)中共有個確定位將每中節(jié)點所有可行的上級供水點由經(jīng)驗可故將節(jié)點這樣除去水中染色體的第源點第一級優(yōu)化中染色體長度為依據(jù)管網(wǎng)有向連接圖的最短路徑求解方法由樹狀管網(wǎng)單點供水原則可知相鄰兩點中的供水節(jié)點時如圖中節(jié)點和節(jié)點點供水的問題式中為一個較大的正數(shù)滿足管網(wǎng)連通和單點供水要求時取值為管徑優(yōu)化整數(shù)編碼方法及適應(yīng)度函數(shù)設(shè)計

4、在編碼冗余和易產(chǎn)生不可行解的問題為此本文采用整數(shù)編碼代替二進制編碼方便程序?qū)嵉诙壒軓絻?yōu)化模型由于約束條件較多本文通過罰函數(shù)法使管網(wǎng)有約束的目標(biāo)函數(shù)變?yōu)闊o約束問題故構(gòu)造適應(yīng)度函數(shù)如下式中時使個能保證在遺傳算子設(shè)計本文取交叉概率在變異算子編制了計算程序依據(jù)上述方法用實例應(yīng)用實例一對圖管網(wǎng)中各節(jié)點地面高程和供水流量如表得出管道單價與管徑之間的擬合函數(shù)表管網(wǎng)各供水節(jié)點的高程和供水流量第一級模型優(yōu)化結(jié)果示意幾種典型管網(wǎng)布置形式下投資額的比較本文利用為種符合實際要求并且總長度最短的布置方案從圖可以看出管徑優(yōu)化中選取群體規(guī)模為在以上配置的計算種次優(yōu)解繪出的投所示可僅列出遺傳計算過機上程序運行時間為本文最優(yōu)

5、解的管網(wǎng)總長度為在遺傳到第編號程中投資額最小和其他幾種典型管網(wǎng)布置形式下投資額比較所包含的管段法大方法運行時間為相應(yīng)的管網(wǎng)長度本文方法確定的管網(wǎng)長度比運行時間長方法單純的利用造成第一級優(yōu)化中最優(yōu)解的管網(wǎng)長度偏大但由于在優(yōu)化過程中融入設(shè)計經(jīng)驗并采用兩級優(yōu)化方法本文方法實例二該暗管輸水工程處的地形如圖由于該田塊地陜西省丹風(fēng)縣暗管輸水工程地形與幾種方法設(shè)計的管網(wǎng)布置方法從圖而由于避免了表方法單純利用計算機選取管網(wǎng)路徑管網(wǎng)布置形式不同方法確定的管網(wǎng)設(shè)計方案之間的比較結(jié)論第一級優(yōu)化利用樹狀管網(wǎng)單點供水原則將管網(wǎng)初步連通圖概化為有向網(wǎng)絡(luò)圖將設(shè)計人員的經(jīng)驗有機融合到優(yōu)化過程中并采用整數(shù)編碼遺傳算法有效克服了傳統(tǒng)二進制編碼易產(chǎn)生不可行解等問題顯著降低了優(yōu)化計算的復(fù)雜性和求第二級優(yōu)化在第一級優(yōu)化的