改进混合遗传算法用于给水管网优化设计的研究

论文摘要

城市供水系统是城市建设和发展的重要基础设施,是保障人民生活和发展经济建设不可缺少的物质基础,而输配水系统（即供水管网系统）是城市供水系统的重要组成部分,其投资一般要占整个供水系统总投资的50-80%,而且还直接影响到庞大的电能消耗、运行管理费和整个供水系统的性能及可靠性。因此,进行管网优化设计具有重要作用和意义。通过对已有管网优化设计数学模型进行分析,提出了以经济性和可靠性为目标函数的多目标优化数学模型。建模过程中,将系统可靠性定义为“节点富余水头加权平均值”和“管网恢复力”,使对管网系统可靠性对评价更加直观和定量化;同时将管网年费用作为经济性衡量指标。针对该优化数学模型为离散变量组合优化的实质,在选用优化模型解法时,对常用于给水管网优化设计计算的线性规划法、非线性规划法、动态规划法、神经网络、遗传算法作了较深入的分析与研究,通过分析这些优化技术存在的问题和不足,提出了管网优化设计计算的改进混合遗传算法。遗传算法是借鉴生物界自然选择和自然遗传机制的随机搜索方法,它具有可扩展性,易于同别的技术结合使用,形成混合遗传算法用于复杂问题的优化计算。为克服基本遗传算法的缺点,采用拟并行算法中的移策略对基本遗传算法加以改进,使得由较少的计算量即可获得最优管径组合方案;使用整数编码技术对管径变量进行编码,可以避免其他方法带来的管径二次圆整问题;对违反最大流速限制的管段采用惩罚技术加以处理以剔除不可行解。在计算管网优化设计目标函数和遗传算法适应度函数之前,需要进行管网水力计算以求解管段流量和节点压力,根据该计算过程为求解非线性方程组的实质,抛开了常规计算方法,选用了适于求解大规模非线性方程组的信赖域法。该方法具有整体收敛性,不仅能很快地解决良态问题,而且也能有效求解病态问题。将改进遗传算法和信赖域法结合使用,取长补短,形成“改进混合遗传算法”用于复杂给水管网的优化设计计算,并编写了相应优化计算程序。最后,以一个

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 问题的提出
• 1.1.1 供水管网系统优化研究的范围和重要性
• 1.1.2 本文研究的中心任务－供水管网系统优化设计
• 1.2 我国供水行业和供水系统存在的问题及解决方法
• 1.2.1 我国供水行业的现状及存在问题
• 1.2.2 研究课题的提出
• 1.3 优化计算方法介绍
• 1.4 管网优化设计数学模型和求解方法的国内外研究动态
• 1.4.1 线性规划技术
• 1.4.2 非线性规划技术
• 1.4.3 枚举法
• 1.4.4 动态规划法
• 1.4.5 神经网络
• 1.4.6 遗传算法
• 1.5 研究目标、内容、方法
• 1.5.1 主要研究的内容和方法
• 1.5.2 研究目标
• 1.6 本章小结
• 第二章 管网优化设计数学模型及解法
• 2.1 管网图形及管网计算的数学模式
• 2.1.1 管网图形的概念
• 2.1.2 管网水力计算的模式
• 2.2 管网水力计算的基础方程和计算方法
• 2.3 管网优化设计的目标
• 2.3.1 优化设计目标和任务
• 2.3.2 管网优化设计的多目标函数
• 2.4 管网优化设计的数学模型
• 2.4.1 管网优化设计方法和目标函数
• 2.4.2 管网优化设计目标函数之一－年费用
• 2.4.3 管网优化设计目标函数之二-可靠性
• 2.5 多目标函数规划问题的解法
• 2.6 管网优化设计数学模型的求解
• 2.7 管网优化结果的校核
• 2.8 本章小结
• 第三章 遗传算法综述
• 3.1 遗传算法的介绍
• 3.1.1 遗传算法的特点
• 3.1.2 遗传算法的一些基本术语
• 3.2 遗传算法的运行过程
• 3.3 遗传算法在供水系统中的应用
• 3.4 遗传算法的改进
• 3.5 本章小结
• 第四章 大型非线性方程组的求解
• 4.1 引言
• 4.2 解非线性方程组的Newton法及其变种方法
• 4.3 求解非线性方程组的信赖域法
• 4.3.1 信赖域法原理及特点
• 4.3.2 信赖域法求解非线性方程组模型
• k的确定'>4.3.3 信赖域半径h^k的确定
• 4.3.4 信赖域法模型求解
• 4.4 本章小结
• 第五章 混合管网优化设计的改进混合遗传算法
• 5.1 混合管网优化设计过程综述
• 5.2 给水管网优化设计计算的适应度函数设计
• 5.3 混合管网优化设计的整数编码
• 5.4 初始种群的生成
• 5.5 遗传算子的设计
• 5.5.1 选择算子
• 5.5.2 交叉算子
• 5.5.3 变异算子
• 5.6 遗传过程的改进
• 5.7 管网水力计算
• 5.7.1 给水管网图形信息的表示和存储方法
• 5.7.2 稀疏压缩矩阵的压缩存储方法
• 5.7.3 管段方程组的信赖域法求解
• 5.8 优化结果的校核和比较
• 5.9 管网优化设计的计算机实现程序
• 5.10 本章小结
• 第六章 工程案例
• 6.1 概述
• 6.2 工程概况
• 6.3 管网优化设计的技术和经济参数设定
• 6.4 遗传操作算子及遗传参数的选定
• 6.5 优化计算结果的工况校核
• 6.6 改进混合遗传算法与常规设计方法结果比较
• 6.6.1 经济性比较
• 6.6.2 水力性能比较
• 6.6.3 可靠性比较
• 6.7 本章小结
• 第七章 结束语、建议和创新点
• 7.1 结束语
• 7.2 存在的不足与建议
• 7.3 本文创新点
• 参考文献
• 附录
• 致谢