給水管網多目標間接和直接優(yōu)化算法研究與應用.pdf

1、近年來隨著城鎮(zhèn)化建設的推進，城市規(guī)模和人口數量日益增大，對其賴以生存的水資源的需求也越來越多，這對城鎮(zhèn)給水管網系統(tǒng)的建設提出了更高的要求。給水管網系統(tǒng)是城鎮(zhèn)生存和可持續(xù)發(fā)展的重要基礎設施，其中給水管網的費用占系統(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，因此針對給水管網的優(yōu)化設計進行研究具有重要意義。本文的主要研究內容和成果如下：
　　針對傳統(tǒng)給水管網的優(yōu)

2、化設計中，存在的僅以經濟性費用為目標的單目標模型、忽視可靠性保障的重要性以及施工方案單一等問題，本文提出以管網建造總費用年折算值最小、可靠性最大為目標函數，建立給水管網的多目標優(yōu)化數學模型。其中，管網建造總費用包括一次性鋪設建造費用、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；管網供水的可靠性由節(jié)點富余水頭和管網恢復力來衡量。
　　針對給水管網的優(yōu)化設計問題為復雜的多項式非確定性問題，按目標函數的構造方法可

3、分為間接法和直接法。間接法是采用線性加權等方法將其轉化為單目標數學模型再進行求解，直接法是直接對多個目標進行求解。但在間接法中采用加權法時常常不能合理地衡量多個目標之間的相互競爭關系，為此本文采用最大最小化法將經濟性和可靠性統(tǒng)一到[0,1]的范圍值，合理地改進了間接法的目標函數。為了間接法的程序實現，本文提出了一種新的改進遺傳算法——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)。對于管網優(yōu)化的直接法，本文采

4、用經典的NSGA-II算法來實現，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編程實現了管網優(yōu)化的兩種計算方法，通過2環(huán)管網模型和Hanoi管網模型對其合理性和有效性進行了檢驗，并將其應用于實際工程管網模型的優(yōu)化中。結果表明，在小型管網中兩種算法都能收斂到Pareto最優(yōu)解，但在大型管網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