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(jì)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(jì)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室陜西楊凌摘要針對(duì)樹狀管網(wǎng)布置中較多依賴設(shè)計(jì)人員經(jīng)驗(yàn)的特點(diǎn)提出了一種基于整數(shù)編碼遺傳算法的樹狀管網(wǎng)兩級(jí)優(yōu)第一級(jí)優(yōu)化是根據(jù)樹狀管網(wǎng)單點(diǎn)供水的原則建立了融合工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的樹狀管網(wǎng)優(yōu)化布置整數(shù)編碼遺第二級(jí)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(jìn)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(shí)際情況的管網(wǎng)布網(wǎng)布置經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法進(jìn)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(jì)方法可方便地將設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)融合到優(yōu)化計(jì)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(diǎn)之間的管網(wǎng)而管網(wǎng)布置是管網(wǎng)設(shè)計(jì)優(yōu)化的為此許多學(xué)者對(duì)管網(wǎng)布置優(yōu)化進(jìn)行研究世度規(guī)劃和單位矢量修正進(jìn)行管網(wǎng)優(yōu)化布置用經(jīng)濟(jì)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(jìn)制邊編碼單親遺傳算法優(yōu)化樹狀管網(wǎng)布置而實(shí)際上管網(wǎng)布置方案需要在較大程度上借助于設(shè)計(jì)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(jì)問題十分復(fù)雜基金項(xiàng)目計(jì)劃資助課題作者簡(jiǎn)介教授第一級(jí)研究融入設(shè)計(jì)由于樹狀管網(wǎng)是水源向多點(diǎn)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(diǎn)采用的第為由設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)得出的可以向第故有管網(wǎng)各節(jié)點(diǎn)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(gè)確定位將每中節(jié)點(diǎn)所有可行的上級(jí)供水點(diǎn)由經(jīng)驗(yàn)可故將節(jié)點(diǎn)這樣除去水中染色體的第源點(diǎn)第一級(jí)優(yōu)化中染色體長(zhǎng)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(diǎn)供水原則可知相鄰兩點(diǎn)中的供水節(jié)點(diǎn)時(shí)如圖中節(jié)點(diǎn)和節(jié)點(diǎn)點(diǎn)供水的問題式中為一個(gè)較大的正數(shù)滿足管網(wǎng)連通和單點(diǎn)供水要求時(shí)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(jì)

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(jìn)制編碼方便程序?qū)嵉诙?jí)管徑優(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(shí)使個(gè)能保證在遺傳算子設(shè)計(jì)本文取交叉概率在變異算子編制了計(jì)算程序依據(jù)上述方法用實(shí)例應(yīng)用實(shí)例一對(duì)圖管網(wǎng)中各節(jié)點(diǎn)地面高程和供水流量如表得出管道單價(jià)與管徑之間的擬合函數(shù)表管網(wǎng)各供水節(jié)點(diǎn)的高程和供水流量第一級(jí)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(shí)際要求并且總長(zhǎng)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(jì)算種次優(yōu)解繪出的投所示可僅列出遺傳計(jì)算過機(jī)上程序運(yùn)行時(shí)間為本文最優(yōu)

5、解的管網(wǎng)總長(zhǎng)度為在遺傳到第編號(hào)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(yùn)行時(shí)間為相應(yīng)的管網(wǎng)長(zhǎng)度本文方法確定的管網(wǎng)長(zhǎng)度比運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)方法單純的利用造成第一級(jí)優(yōu)化中最優(yōu)解的管網(wǎng)長(zhǎng)度偏大但由于在優(yōu)化過程中融入設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)并采用兩級(jí)優(yōu)化方法本文方法實(shí)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(jì)的管網(wǎng)布置方法從圖而由于避免了表方法單純利用計(jì)算機(jī)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(jì)方案之間的比較結(jié)論第一級(jí)優(yōu)化利用樹狀管網(wǎng)單點(diǎn)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(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)有機(jī)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(jìn)制編碼易產(chǎn)生不可行解等問題顯著降低了優(yōu)化計(jì)算的復(fù)雜性和求第二級(jí)優(yōu)化在第一級(jí)優(yōu)化的