基于试验遗传算法的平原圩区除涝排水系统最优规划.pdf

水 利 学 报 年 月 第 卷 第 期 文章编号 基于试验遗传算法的平原圩区除涝排水系统最优规划 张礼兵 程吉林 金菊良 合肥工业大学土木与建筑工程学院 安徽合肥 扬州大学水利科学与工程学院 江苏扬州 摘要 平原圩区除涝排水系统最优规划是一个多维 非线性复杂系统优化问题 本文提出基于试验优化设计思想 的试验遗传算法 即在标准遗传操作中增加了均匀设计 正态随机和摄动调优等试验操作技术 某圩区排水系统 最优规划实例表明 与可分规划法及简单遗传算法相比 试验遗传算法能严格满足系统约束条件 且操作简单 计 算效率更高 由于该算法兼顾了整体空间的种群多样性和局部空间极小值的搜索效率 同时能根据需要自动调整 计算精度 因此较易获得复杂问题的全局最优解 关键词 试验遗传算法 平原圩区 除涝排水 非线性优化 中图分类号 文献标识码 现代灌溉排水工程综合性越来越强 复杂程度越来越高 如由多水源多用户构成的蓄 引 提联合运 行的大型灌溉系统 湖泊 河网 排水闸 内外抽排泵站以及撇洪截流沟联合工作 蓄泄兼筹的除涝排水 系统 区域地面水与地下水联合运用供水系统等 传统的处理方法解决该类复杂系统问题显然已力 不从心 而非线性优化方法 抽样法和动态规划法等 在解决该类问题时也存在一定局限性 近年来 神 经网络 遗传算法等逐渐被应用于区域灌排系统的规划 设计与运行管理中 取得了良好的社会经济效 益 如郭元裕等利用大系统分解 协调模型对提排区除涝排水设计标准进行经济论证和优化选取 郑 玉胜等 应用改进的神经网络方法对灌溉用水量进行了预测研究 周祖昊等 在解决圩区除涝排水系 统实时优化调度问题中也应用了神经网络算法 宋松柏等 利用遗传算法对灌溉渠道轮灌配水进行了 优化计算 付强等 则将遗传算法与动态规划相结合并用于水稻非充分灌溉下最优灌溉制度的推求 然而 将遗传算法用于除涝排水的优化设计国内外尚罕有报道 受传统优化方法 现代智能算法 以 及试验设计理论与方法 的启发 本文提出一种基于试验设计的混合遗传算法即试验遗传算法 该算法参数设置简便 计算效率高 对非线性 非凸及组合优化等 问题的求解适应能力强 具有全局概率搜索性 自适应性 隐含并行性及广泛通用性等优点 将其用于求 解平原圩区除涝排水系统最优规划问题 平原圩区除涝排水系统最优规划模型 为解决地势低洼 容易渍涝的平原地区除涝排水问题 一般采取联合运用河道 网 疏排 排水闸自 排 河湖蓄涝 抽水泵站抽排以及高地截流沟排水等多种工程措施 这些工程组成一个除涝排水系统共 同承担圩区除涝排水任务 在达到除涝设计标准的条件下 如何确定各项工程的规模从而使系统总投 资最小 是平原圩区治理规划中经常遇到的现实问题 下面以图 所示的排水系统为例 简要介绍我 国南方平原圩区圩垸内部除涝排水系统最优规划数学模型 收稿日期 基金项目 国家自然科学基金项目 国家 十五 科技攻关项目 作者简介 张礼兵 男 安徽肥东人 博士生 讲师 主要从事灌排系统工程研究 图 某平原圩区除涝排水系统 目标函数 设满足一定除涝设计标准的排水系统包括 项工程 其总投资费用 包括工程一次 性投资 固定投资 和工程运行管理费用 考虑到各工程运行管理费用的不同 所以一般以工程年均总费 用最小为优化目标 同时 由于具体工程投资主要取决于其规模的大小 而工程规模通常与该工程所承 担的设计排 蓄 水量 若工程规模以排水面积率 表示 如河网水面率 可转化为相应设计蓄水量 值 之间存在着某种线性或非线性的函数关系 因此选取 为优化变量 则系统目标函数可概化为 ? 式中 为第 项工程的设计排 蓄 水量 为第 项工程的固定投资费用 ? 为工程 的固定投资年均折算因子 其贴现率为 使用寿命为 为第 项工程的年运行管理费用 约束条件