基于整數編碼遺傳算法的樹狀灌溉管網優(yōu)化設計方法

1、基于整數編碼遺傳算法的樹狀灌溉管網優(yōu)化設計方法連云港市水利局江蘇連云港西北農林科技大學旱區(qū)農業(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布置中較多依賴設計人員經驗的特點提出了一種基于整數編碼遺傳算法的樹狀管網兩級優(yōu)第一級優(yōu)化是根據樹狀管網單點供水的原則建立了融合工程設計經驗的樹狀管網優(yōu)化布置整數編碼遺第二級優(yōu)化在確定管網布置方案組的基礎上采用整數編碼的遺傳算法以投資最小為目標建立了管徑傳算法模型克服了傳統二進制編碼方法易產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布網布置經驗設計方法進行了比較表明本文提出的基于整數編碼的管網優(yōu)化設計方法可方便地將設計經驗融合到優(yōu)化計算過程中能

2、降低管網優(yōu)化設汁的復雜性和求解難度關鍵詞樹狀管網遺傳算法研究背景分別優(yōu)化從水源到各用水節(jié)點之間的管網而管網布置是管網設計優(yōu)化的為此許多學者對管網布置優(yōu)化進行研究世度規(guī)劃和單位矢量修正進行管網優(yōu)化布置用經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優(yōu)化算法結果表明最小投資的管網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)化樹狀管網布置而實際上管網布置方案需要在較大程度上借助于設計人樹狀灌溉管網優(yōu)化問題的數學描述由于管網優(yōu)化設計問題十分復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計由于樹狀管網是水源向多點供水只有分流而沒有匯流

3、的管網故在各配如圖所示形成樹狀管網初步有向連接圖通過求解連通圖中的管網最短路徑圖某小型灌區(qū)管網有向連接式中節(jié)點采用的第為由設計經驗得出的可以向第故有管網各節(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中第網第分別為管道水頭損失公式中與管材有關的系數為樹狀管網第為第以圖管網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管網有向連接圖的最短路徑求解方法由樹狀管網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滿足管網連通和單點供水要求時取值為管徑優(yōu)化整數編碼方法及適應度函數設計

4、在編碼冗余和易產生不可行解的問題為此本文采用整數編碼代替二進制編碼方便程序實第二級管徑優(yōu)化模型由于約束條件較多本文通過罰函數法使管網有約束的目標函數變?yōu)闊o約束問題故構造適應度函數如下式中時使個能保證在遺傳算子設計本文取交叉概率在變異算子編制了計算程序依據上述方法用實例應用實例一對圖管網中各節(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表管網各供水節(jié)點的高程和供水流量第一級模型優(yōu)化結果示意幾種典型管網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的管網長度本文方法確定的管網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)解的管網長度偏大但由于在優(yōu)化過程中融入設計經驗并采用兩級優(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縣暗管輸水工程地形與幾種方法設計的管網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路徑管網布置形式不同方法確定的管網設計方案之間的比較結論第一級優(yōu)化利用樹狀管網單點供水原則將管網初步連通圖概化為有向網絡圖將設計人員的經驗有機融合到優(yōu)化過程中并采用整數編碼遺傳算法有效克服了傳統二進制編碼易產生不可行解等問題顯著降低了優(yōu)化計算的復雜性和求第二級優(yōu)化在第一級優(yōu)化的