基于遗传算法的给水管网优化设计
发布时间：2021-12-02 11:53
给水管网系统是城镇重要的基础设施。随着我国城镇化进程的推进,城镇规模不断扩大,给水管网规模也随之加大,给水管网建设投资效率低下的问题日益凸显。通过对管网建设的管径方案进行优化设计,可以在保证供水需求的情况下降低投资费用,因此对管网进行科学合理地优化设计具有极大的经济效益和现实意义。采用智能优化算法设计最优管径方案是近年来给水管网设计的研究方向。根据管网优化问题的特点,本文设计一种改进遗传算法,实现了对复杂多维非线性管网经济性目标函数的优化。利用改进算法对经典管网案例和实际案例进行优化设计,优化结果表明改进算法在解决管网优化问题上具有一定优势。在分析管网优化问题特点的基础上,对遗传算法进行改进,提出基于辅助个体有向交叉算子的实数编码遗传算法。改进交叉算子采用有向交叉框架和辅助个体技术,实现对多维函数的快速寻优,以适应管网优化问题的多维特性。同时为增强算法收敛过程的鲁棒性,提高算法搜索到最优管径组合的成功率,采用父代个体中心的交叉策略和不等位交叉操作平衡辅助个体技术带来的收敛于局部最优的风险。采用多个复杂测试函数对提出算法进行测试,实验结果表明相较现有算法,改进算法整体性能较好。将提出算法...
【文章来源】：北京工业大学北京市 211工程院校
【文章页数】：82 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
管网拓扑属性有向图
以图 2-1 所示管网图为例，规定管网回路顺时针方向为正，关联矩阵和回路阵分别为：1 0 0 0 01 1 1 0 00 1 0 1 00 0 1 0 10 0 0 1 1A (2-10)B 0 1 1 1 1 (2-11)1.3 管网基本方程质量和能量守恒定律用于描述物质的运动规律，给水管网中水流运动也必然足质量能量守恒。质量守恒体现在管网节点处流入流量分配；能量守恒体现在段动能与压力能消耗和传递作用。（1）节点流量方程组对于管网中任意一个节点，流入节点的流量之和应等于流出节点的流量之和，
均值中心交叉性能相对更优，对于“双漏斗”函数父代个体中心交叉性能相对更优。这个结论是符合预期的：其一，均值中心交叉趋向于对父代个体的均值点附近进行搜索，如图3-3(c)、图 3-4(c)和图 3-5(c)所示，个体分布向种群中心区域集中，种群的搜索也趋于种群的中心区域，子代个体分布区域更可能靠近“单漏斗”模型函数的全局最优点，因此在这类函数优化上性能较好。其二，父代个体中心交叉趋向于对交叉父代个体附近进行搜索，设计思想是父代个体是由选择操作产生的可以认为是较优解，在父代个体附近产生的子代也是潜在的优秀解[55]。图 3-3(b)、图 3-4(b)和图 3-5(b)显示出，父代个体中心交叉的种群子代分布相对分散，且与初始种群分布特性更相似。这种特性使得交叉算子对有父代个体分布的区域进行更细致地搜索，因而对多峰函数优化时不易丢失最优解
【参考文献】：
期刊论文
[1]参数自适应粒子群算法的给水管网优化研究[J]. 王超,乔俊飞. 智能系统学报. 2015(05)
[2]基于改进的自适应粒子群算法的给水管网优化设计[J]. 乔俊飞,王超,刘昌芬. 北京工业大学学报. 2014(07)
[3]基于改进蚁群算法的供水管网优化计算[J]. 王广宇,解建仓,张建龙. 西北农林科技大学学报(自然科学版). 2014(01)
[4]基于改进混沌粒子群算法的管网优化[J]. 乔俊飞,潘广源,韩红桂. 控制工程. 2013(04)
[5]基于枝解法退火遗传算法的树状管网优化设计[J]. 许文斌,王圃,何英,王颖. 安全与环境学报. 2013(03)
[6]基于改进蚁群算法的Hanoi给水管网优化设计[J]. 乔俊飞,佟磊,潘广源. 控制工程. 2013(03)
[7]基于改进差分进化算法的给水管网优化设计[J]. 傅嗣鹏,乔俊飞,韩红桂,王超,刘昌芬. 给水排水. 2013(05)
[8]基于线性规划的给水管网系统动态有限元优化设计[J]. 刘冰,杨元明,赵悠. 中国农村水利水电. 2011(04)
[9]基于粒子群算法的给水管网优化设计[J]. 王玉芳,柴伟,乔俊飞. 计算机测量与控制. 2011(02)
[10]遗传算法与其变型求解管径优选问题的比较[J]. 刘书明,陈晋端,王琦,孟凡琳. 清华大学学报(自然科学版). 2010(11)
博士论文
[1]实数编码遗传算法机理分析及算法改进研究[D]. 朱灿.中南大学 2009
[2]改进混合遗传算法用于给水管网优化设计的研究[D]. 储诚山.天津大学 2006
硕士论文
[1]基于自适应遗传算法的给水管网优化设计研究[D]. 李婷婷.清华大学 2017
[2]给水管网多目标间接和直接优化算法研究与应用[D]. 李宣.山东科技大学 2017
[3]基于改进PSO-DE混合算法的给水管网优化模型研究[D]. 李坤.重庆大学 2016
[4]基于改进粒子群算法的城市给水管网优化设计[D]. 魏洪宇.北京工业大学 2014
[5]基于改进混合蛙跳算法的给水管网改扩建优化模型研究[D]. 姜伟康.重庆大学 2014
[6]哈尔滨市供水管网优化改造模型研究及其应用[D]. 闫鹍.哈尔滨工业大学 2013
本文编号：3528382
【文章来源】：北京工业大学北京市 211工程院校
【文章页数】：82 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
管网拓扑属性有向图
以图 2-1 所示管网图为例，规定管网回路顺时针方向为正，关联矩阵和回路阵分别为：1 0 0 0 01 1 1 0 00 1 0 1 00 0 1 0 10 0 0 1 1A (2-10)B 0 1 1 1 1 (2-11)1.3 管网基本方程质量和能量守恒定律用于描述物质的运动规律，给水管网中水流运动也必然足质量能量守恒。质量守恒体现在管网节点处流入流量分配；能量守恒体现在段动能与压力能消耗和传递作用。（1）节点流量方程组对于管网中任意一个节点，流入节点的流量之和应等于流出节点的流量之和，
均值中心交叉性能相对更优，对于“双漏斗”函数父代个体中心交叉性能相对更优。这个结论是符合预期的：其一，均值中心交叉趋向于对父代个体的均值点附近进行搜索，如图3-3(c)、图 3-4(c)和图 3-5(c)所示，个体分布向种群中心区域集中，种群的搜索也趋于种群的中心区域，子代个体分布区域更可能靠近“单漏斗”模型函数的全局最优点，因此在这类函数优化上性能较好。其二，父代个体中心交叉趋向于对交叉父代个体附近进行搜索，设计思想是父代个体是由选择操作产生的可以认为是较优解，在父代个体附近产生的子代也是潜在的优秀解[55]。图 3-3(b)、图 3-4(b)和图 3-5(b)显示出，父代个体中心交叉的种群子代分布相对分散，且与初始种群分布特性更相似。这种特性使得交叉算子对有父代个体分布的区域进行更细致地搜索，因而对多峰函数优化时不易丢失最优解
【参考文献】：
期刊论文
[1]参数自适应粒子群算法的给水管网优化研究[J]. 王超,乔俊飞. 智能系统学报. 2015(05)
[2]基于改进的自适应粒子群算法的给水管网优化设计[J]. 乔俊飞,王超,刘昌芬. 北京工业大学学报. 2014(07)
[3]基于改进蚁群算法的供水管网优化计算[J]. 王广宇,解建仓,张建龙. 西北农林科技大学学报(自然科学版). 2014(01)
[4]基于改进混沌粒子群算法的管网优化[J]. 乔俊飞,潘广源,韩红桂. 控制工程. 2013(04)
[5]基于枝解法退火遗传算法的树状管网优化设计[J]. 许文斌,王圃,何英,王颖. 安全与环境学报. 2013(03)
[6]基于改进蚁群算法的Hanoi给水管网优化设计[J]. 乔俊飞,佟磊,潘广源. 控制工程. 2013(03)
[7]基于改进差分进化算法的给水管网优化设计[J]. 傅嗣鹏,乔俊飞,韩红桂,王超,刘昌芬. 给水排水. 2013(05)
[8]基于线性规划的给水管网系统动态有限元优化设计[J]. 刘冰,杨元明,赵悠. 中国农村水利水电. 2011(04)
[9]基于粒子群算法的给水管网优化设计[J]. 王玉芳,柴伟,乔俊飞. 计算机测量与控制. 2011(02)
[10]遗传算法与其变型求解管径优选问题的比较[J]. 刘书明,陈晋端,王琦,孟凡琳. 清华大学学报(自然科学版). 2010(11)
博士论文
[1]实数编码遗传算法机理分析及算法改进研究[D]. 朱灿.中南大学 2009
[2]改进混合遗传算法用于给水管网优化设计的研究[D]. 储诚山.天津大学 2006
硕士论文
[1]基于自适应遗传算法的给水管网优化设计研究[D]. 李婷婷.清华大学 2017
[2]给水管网多目标间接和直接优化算法研究与应用[D]. 李宣.山东科技大学 2017
[3]基于改进PSO-DE混合算法的给水管网优化模型研究[D]. 李坤.重庆大学 2016
[4]基于改进粒子群算法的城市给水管网优化设计[D]. 魏洪宇.北京工业大学 2014
[5]基于改进混合蛙跳算法的给水管网改扩建优化模型研究[D]. 姜伟康.重庆大学 2014
[6]哈尔滨市供水管网优化改造模型研究及其应用[D]. 闫鹍.哈尔滨工业大学 2013
本文编号：3528382
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