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自适应粒子群算法的改进及其在给水管网优化中的应用

赵宇鹏  
【摘要】:城市的发展离不开水资源,而给水管网系统可以将水资源从水源地传输到千家万户,以此来满足人们的日常生活用水。在现代化城市建设中,供水系统为城市居民与工业生产提供用水,是一个城市发展的重要保障,是一个城市走向现代化的生命源泉。给水管网系统是城市供水系统的一部分,却也是极为重要的一部分,从投资额度的角度考虑给水管网系统的地位更能说明问题,在城市供水系统投资中,给水管网投资占比甚至要超过整个供水系统的70%。一个给水管网系统通常由水源、压阀、节点、管段等部分组成,这些设施直接影响着给水管网系统的经济效益与水力保障,直接关系到老百姓生活用水的正常补给。随着中国经济腾飞,很多大中城市不断扩张,在给水管网设计初期,无法考虑到城市发展后的供水需求,而给水管网系统也逐渐从简单的树状管网向大规模的复杂环状管网发展,导致许多旧的给水管网系统无法达到新型城市发展的标准。因此,为了跟上城市发展的快速脚步,对旧管网系统的改扩建变得尤为重要,对给水管网系统的优化设计也变得意义非常。粒子群优化算法因其可调参数少,算法全局搜索能力强等特点逐渐被国内外学者应用到给水管网优化问题的研究上。本文先建立了给水管网的优化设计模型,通过管网总建造费用来衡量管网经济性目标函数,并找出了管网经济性与可靠性的相关联系,通过富余节点水头来衡量给水管网的可靠性目标函数模型,建立起了以管网经济性和可靠性为多目标函数的数学优化模型。在模型求解方法中,本文通过改进的粒子群优化算法对管网模型进行求解。定义了粒子群复杂度概念来定量衡量粒子群优化算法中粒子群多样性程度,并通过粒子群复杂度对粒子群算法重要参数惯性权重进行动态调整,以增强算法的寻优能力。针对粒子群算法迭代后期复杂度降低、收敛速度下降等特点,对粒子进行选择变异。又因为粒子群算法粒子变异阈值难以确定等问题,本文基于粒子群复杂度提出了单个粒子复杂度的概念来确定算法中粒子的变异阈值,使得算法后期粒子仍能够保持一定的复杂度,在信息交互中有用信息增多,从而提高算法收敛速度。最后,将改进粒子群算法应用于湖南省某市某城区的给水管网改扩建实际工程中,考虑到管网经济性和可靠性多目标约束,将计算结果与遗传算法、标准粒子群算法优化结果进行对比,验证结果表明改进粒子群算法不仅能够有效降低管网建造工程的经济投资,同时还能提高给水管网系统运行的可靠性,具有重要的应用与研究价值。


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