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，對其賴以生存的水資源的需求也越來越多，這對城鎮(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)的費用占系統(tǒng)總費用的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)具有一次性投資費用高、社會意義重大等特點，因此針對給水管網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計進(jìn)行研究具有重要意義。本文的主要研究內(nèi)容和成果如下：
　　針對傳統(tǒng)給水管網(wǎng)的優(yōu)

2、化設(shè)計中，存在的僅以經(jīng)濟(jì)性費用為目標(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題，本文提出以管網(wǎng)建造總費用年折算值最小、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)建造總費用包括一次性鋪設(shè)建造費用、折舊大修費用的年折算值和泵站年運行動力費用等，并考慮利率年費的影響；管網(wǎng)供水的可靠性由節(jié)點富余水頭和管網(wǎng)恢復(fù)力來衡量。
　　針對給水管網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計問題為復(fù)雜的多項式非確定性問題，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，直接法是直接對多個目標(biāo)進(jìn)行求解。但在間接法中采用加權(quán)法時常常不能合理地衡量多個目標(biāo)之間的相互競爭關(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，該算法通過育種算子來加強算法的局部搜索能力和避免陷入局部最優(yōu)。對于管網(wǎng)優(yōu)化的直接法，本文采

4、用經(jīng)典的NSGA-II算法來實現(xiàn)，該算法基于非劣排序和精英保留等方法，在求解最優(yōu)非劣解時能得到分布均勻的Pareto最前沿的解集。
　　本文采用MATLAB編程實現(xiàn)了管網(wǎng)優(yōu)化的兩種計算方法，通過2環(huán)管網(wǎng)模型和Hanoi管網(wǎng)模型對其合理性和有效性進(jìn)行了檢驗，并將其應(yīng)用于實際工程管網(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