基于改进NSGA2算法的给水管网多目标优化设计

发布时间：2017-07-18 10:28

  本文关键词：基于改进NSGA2算法的给水管网多目标优化设计

  更多相关文章： 模型设计 多目标优化 差分变异算子 变缩放因子 管网管理系统

【摘要】：城市给水管网是城市供水系统的一个重要组成部分,也是城市重要公共基础设施之一。然而,随着中国城镇化进程不断加快、城市社会经济的逐步发展,日益废旧的地下管网系统已经满足不了用户不断增长的水量和水压的需求,因此城市给水管网的多目标优化设计问题已经成为城市基础设施建设急需解决的问题。由于给水管网系统投资大、建造费用高,建造初期可靠性因素容易被忽视,城市给水管网多目标优化设计不仅能大大减少工程投资,而且能提高管网系统的可靠性。本文通过研究给水管网的多目标优化设计,提出了给水管网多目标优化设计模型,设计了一种改进型非支配排序遗传算法(No-dominated Sorting Genetic Algorithm,NSGA2),并利用改进的NSGA2算法对给水管网进行多目标优化设计。最后利用VS2010,结合ArcGIS和MATLAB等开发工具开发了给水管网管理系统,提高了管网的信息化管理程度,为管网后期的运行维护提供了依据。论文主要的研究工作如下:1.针对传统的给水管网优化设计仅仅考虑经济性这一指标,存在目标函数简单,优化结果单一,不能提供给施工者合理的施工方案这一不足。文中在分析传统给水管网单目标优化设计的基础上,提出了一种基于经济性和可靠性的新型给水管网多目标优化模型。通过对管网进行水力学分析研究,提出了一种基于节点水头方差的可靠性评价指标。根据水力条件的约束和管网实际运行情况的要求,利用蒙特卡罗法对管网的可靠性模型进行了校验分析,最终验证了所提的多目标模型在精度上能够达到实际要求,符合工程实际,适用于给水管网的多目标优化设计。2.针对给水管网在多目标求解过程中存在求解过程复杂、计算速度缓慢、容易陷入局部最优等问题,提出了一种改进型的非支配排序遗传算。改进的算法中引入了差分变异算子来加强算法的局部搜索能力,通过优化基准的测试函数,结果表明改进的NSGA2算法能够避免陷入局部最优;以上改进能够加强算法的局部搜索能力,但仍存在搜索精度不高的问题,因此为了充分兼顾算法搜索的速度和精度,提出了变缩放因子策略,动态调整影响算法速度和后期搜索精度的缩放因子,很好的兼顾了算法的收敛速度和可靠性。通过优化两个经典的管网案例:双环管网和汉诺塔(Hanoi)管网,实验结果表明以上改进的算法能够跳出局部最优,以较小的计算代价求得兼顾管网经济性和可靠性的解,能有效的解决给水管网多目标优化这类复杂大规模组合优化问题。3.针对现有的传统管网管理模式无法实现管网的信息化管理,管理效率低下的问题,开发了一款给水管网管理系统。这款软件是在VS2010平台下,对ArcGIS软件进行的二次开发而成的基于C/S架构的单机版系统,方便用户的安装;利用C#与MATLAB的混合编程,将管网的多目标优化模块嵌入了系统中,完成了系统智能优化计算模块的设计,使优化结果更直观的展示给用户;通过调用ArcGIS控件,将管网的二维视图形象展现出来,实现管网管道和节点信息的实时查询。
【关键词】：模型设计 多目标优化 差分变异算子 变缩放因子 管网管理系统
【学位授予单位】：北京工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TU991.33;TP18
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-10
• 第1章 绪论10-20
• 1.1 课题的研究背景及意义10-13
• 1.1.1 研究背景10-12
• 1.1.2 研究意义12-13
• 1.2 国内外给水管网优化研究进展13-17
• 1.2.1 给水管网单目标优化设计数学模型研究进展13-15
• 1.2.2 给水管网多目标优化设计数学模型研究进展15-17
• 1.3 本课题来源17
• 1.4 本文主要研究内容与论文安排17-20
• 第2章 给水管网多目标优化模型的设计20-34
• 2.1 城市给水管网研究20-23
• 2.1.1 城市给水管网图论分析法20-22
• 2.1.2 给水管网图形的简化22-23
• 2.2 给水管网水力特性分析23-27
• 2.2.1 给水管网水力分析23-25
• 2.2.2 给水管网水力计算方法研究25-27
• 2.3 给水管网目标函数设计27-30
• 2.3.1 经济性指标27-28
• 2.3.2 可靠性指标28-30
• 2.4 给水管网多目标优化模型的建立30-33
• 2.4.1 基于经济性和可靠性的给水管网模型30-32
• 2.4.2 给水管网模型验证分析32-33
• 2.5 本章小结33-34
• 第3章 NSGA2算法的改进研究34-48
• 3.1 NSGA2算法的基本原理及实现34-39
• 3.1.1 多目标优化问题求解方法34-35
• 3.1.2 NSGA2算法的实现35-39
• 3.2 NSGA2算法的改进研究39-42
• 3.2.1 差分变异策略引入40-41
• 3.2.2 变缩放因子的设置41-42
• 3.3 NSGA2算法的性能测试42-47
• 3.4 本章小结47-48
• 第4章 改进型NSGA2算法在给水管网优化中的应用48-64
• 4.1 DNSGA2算法在管网优化中的设计48-51
• 4.1.1 种群初始化编码设计48-49
• 4.1.2 遗传操作49-50
• 4.1.3 优化过程设计50-51
• 4.2 管网多目标优化仿真实验分析51-59
• 4.2.1 双环给水管网的多目标优化设计仿真实验51-55
• 4.2.2 Hanoi给水管网的多目标优化设计仿真实验55-58
• 4.2.3 多目标优化解的选择58-59
• 4.3 工程应用实例分析59-62
• 4.4 本章小结62-64
• 第5章 城市给水管网管理系统设计64-76
• 5.1 给水管网管理系统设计64-68
• 5.1.1 给水管网管理系统开发环境64-65
• 5.1.2 给水管网管理系统设计框架65-66
• 5.1.3 地理信息管理模块的设计66-68
• 5.2 给水管网管理系统软件的实现68-75
• 5.2.1 用户登录界面设计68
• 5.2.2 查询分析模块设计68-73
• 5.2.3 优化模块设计73-75
• 5.3 本章小结75-76
• 结论与展望76-78
• 参考文献78-84
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文84-86
• 致谢86

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本文编号：557289