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排水管道设计优化的遗传与模拟退火混合算法研究

崔颖  
【摘要】: 排水管道是城市市政建设的重要组成部分,其投资比例占整个排水系统投资的70%左右,一个中等规模的城市的排水管道的投资费用高达2亿人民币以上。因此,对排水管道进行优化设计,降低工程投资费用,有非常重要的经济意义。 对一个城市而言,排水管道优化一般包括两个方面的内容,一个是管道线路布置的优化,另外一个就是管道设计参数的优化。根据排水管道水力计算公式,管道设计参数包括流量Q、管径D、坡度I、流速V、充满度h/D和埋深H。一旦选定了管径和坡度,其他的参数也能通过水力计算公式确定。对于某一设计管段,当排水管道的流量确定之后,满足水力计算公式的管径和埋深存在多种组合,所以本文主要选取了对管径和埋深两个参数进行组合优化。 为了探求排水管道最优化设计的计算方法,国内外学者进行了大量的工作,并随着系统分析方法、计算技术和电子计算机的发展,遗传算法作为一种新的全局优化搜索算法,因简单易用,对很多优化问题能够较容易给出令人满意的解,适用于并行分析处理和对目标函数与约束条件没有特殊要求等特点,在工程最优化领域中展现出独特魅力,但由于算法本身“易陷入局部极小”的缺陷,影响了优化质量。为了克服遗传算法的弊病,提高优化设计的质量和效率,本文将具有更强鲁棒性及对初值更低敏感度的模拟退火算法结合遗传算法结合,使用遗传与模拟退火混合算法对已定管线下的排水管道进行优化设计。 本论文基于遗传与模拟退火混合算法和排水管道计算方法,针对管线布置已定情况下的排水管道优化问题做了如下的工作: ①通过分析遗传算法与模拟退火算法理论,探讨了遗传算法与模拟退火算法的优缺点,提出了将他们相结合的新算法——遗传与模拟退火混合算法。 ②通过排水管道系统设计优化内容的研究,提出了将遗传与模拟退火混合算法用于对排水管道系统的参数进行优化,即选择对管径和埋深进行组合优化实现排水管道相关参数的优化。 ③使用遗传与模拟退火混合算法对重庆某小区的排水管道进行优化设计,以管道造价为目标函数,建立了排水管道的优化设计模型,并结合遗传与模拟退火混合算法对排水管道管径与埋深进行组合优化。通过与传统算法所得出的管道参数组合进行比较,得出以下结论:满足排水管道系统设计的一般约束条件,并利用新算法得到的管径与埋深最优组合下,整个排水管道系统工程的投资节省了约百分之十。 通过选择较小的设计流速和较大的设计充满度,以及用不同的最大流速对不同的排水管径进行设计可以得到更加合理的可行管径集合,利用自然数编码的遗传与模拟退火混合算法的可行性较好,也为遗传与模拟退火混合算法在排水管道优化中的应用开辟了新的途径,在排水管道工程优化设计中有一定的实用价值。


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