給水管網(wǎng)多目標(biāo)間接和直接優(yōu)化算法研究與應(yīng)用.pdf

1、近年來(lái)隨著城鎮(zhèn)化建設(shè)的推進(jìn)，城市規(guī)模和人口數(shù)量日益增大，對(duì)其賴以生存的水資源的需求也越來(lái)越多，這對(duì)城鎮(zhèn)給水管網(wǎng)系統(tǒng)的建設(shè)提出了更高的要求。給水管網(wǎng)系統(tǒng)是城鎮(zhèn)生存和可持續(xù)發(fā)展的重要基礎(chǔ)設(shè)施，其中給水管網(wǎng)的費(fèi)用占系統(tǒng)總費(fèi)用的70％-85%左右，其安全可靠性更是城市居民用水的重要保障。給水管網(wǎng)具有一次性投資費(fèi)用高、社會(huì)意義重大等特點(diǎn)，因此針對(duì)給水管網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行研究具有重要意義。本文的主要研究?jī)?nèi)容和成果如下：
　　針對(duì)傳統(tǒng)給水管網(wǎng)的優(yōu)

2、化設(shè)計(jì)中，存在的僅以經(jīng)濟(jì)性費(fèi)用為目標(biāo)的單目標(biāo)模型、忽視可靠性保障的重要性以及施工方案單一等問(wèn)題，本文提出以管網(wǎng)建造總費(fèi)用年折算值最小、可靠性最大為目標(biāo)函數(shù)，建立給水管網(wǎng)的多目標(biāo)優(yōu)化數(shù)學(xué)模型。其中，管網(wǎng)建造總費(fèi)用包括一次性鋪設(shè)建造費(fèi)用、折舊大修費(fèi)用的年折算值和泵站年運(yùn)行動(dòng)力費(fèi)用等，并考慮利率年費(fèi)的影響；管網(wǎng)供水的可靠性由節(jié)點(diǎn)富余水頭和管網(wǎng)恢復(fù)力來(lái)衡量。
　　針對(duì)給水管網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題為復(fù)雜的多項(xiàng)式非確定性問(wèn)題，按目標(biāo)函數(shù)的構(gòu)造方法可

3、分為間接法和直接法。間接法是采用線性加權(quán)等方法將其轉(zhuǎn)化為單目標(biāo)數(shù)學(xué)模型再進(jìn)行求解，直接法是直接對(duì)多個(gè)目標(biāo)進(jìn)行求解。但在間接法中采用加權(quán)法時(shí)常常不能合理地衡量多個(gè)目標(biāo)之間的相互競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，為此本文采用最大最小化法將經(jīng)濟(jì)性和可靠性統(tǒng)一到[0,1]的范圍值，合理地改進(jìn)了間接法的目標(biāo)函數(shù)。為了間接法的程序?qū)崿F(xiàn)，本文提出了一種新的改進(jìn)遺傳算法——育種遺傳算法，該算法通過(guò)育種算子來(lái)加強(qiáng)算法的局部搜索能力和避免陷入局部最優(yōu)。對(duì)于管網(wǎng)優(yōu)化的直接法，本文采

4、用經(jīng)典的NSGA-II算法來(lái)實(shí)現(xiàn)，該算法基于非劣排序和精英保留等方法，在求解最優(yōu)非劣解時(shí)能得到分布均勻的Pareto最前沿的解集。
　　本文采用MATLAB編程實(shí)現(xiàn)了管網(wǎng)優(yōu)化的兩種計(jì)算方法，通過(guò)2環(huán)管網(wǎng)模型和Hanoi管網(wǎng)模型對(duì)其合理性和有效性進(jìn)行了檢驗(yàn)，并將其應(yīng)用于實(shí)際工程管網(wǎng)模型的優(yōu)化中。結(jié)果表明，在小型管網(wǎng)中兩種算法都能收斂到Pareto最優(yōu)解，但在大型管網(wǎng)中育種遺傳算法的收斂效果優(yōu)于NSGA-II算法。此外，育種遺傳算法得