列队竞争算法求解多组分质量交换网络

摘要

节能减排和低碳经济是当今社会可持续发展的前提条件,而质量集成(Mass integration,MI)是实现节能和减少废物排放最重要的技术手段之一,具有提高资源利用率和降低环境污染的双重效能。质量交换网络(Mass exchange network,MEN)作为实现质量集成的重要技术手段,引起了广泛的关注,国内外已经有许多研究学者对其展开了研究。其中,具有代表性的方法有基于超结构的方法[1-2]和状态空间方法[3]。在这些方法中,基于超结构的方法被公认为是最有发展前景的方法。此方法的一般步骤是:首先构造一个包含所有富物流与贫物流所有可能匹配的超结构,然后基于此超结构建立一个混合整数非线性规划模型(mixed-integer nonlinear programming model,MINLP),最后选用一种优化算法进行求解。很明显,构造一个好的超结构和选择一种与此超结构相适应的全局优化搜索算法,对缩小搜索空间、提高搜索效率,以获得全局最优解,是至关重要的。到目前为止,还没有找到一种受到普遍认可的超结构,以及与此相适应的全局优化搜索算法。因此,研究基于超结构的方法求解质量交换网络综合问题,尤其是多组分质量交换网络综合问题,具有重要的理论和实际意义。
　　本文将无分流超结构和组分区间的思想进行结合,提出了一种新的超结构描述方式,建立了新的MINLP数学模型,研究列队竞争算法及将其用于本文模型的求解策略,最终选用单组分实例、多组分实例分别进行了验证。
　　论文主要包括以下几个方面的研究内容:(1)在对国内外质量交换网络相关研究工作进行分析后,综合得出了一种新的、简洁的质量交换网络超结构描述方式,该超结构包含富物流与贫物流之间所有可能的匹配;(2)基于上述新的超结构描述,建立了以年度总费用最小为目标的数学模型,目标函数由外部质量交换剂(Mass separate agent,MSA)的操作费用和质量交换器的投资费用两部分构成;(3)学习列队竞争算法,并对列队竞争算法以进化方式求解质量交换网络综合问题的策略进行了深入细致的研究;(4)研究了单组分质量交换网络问题的求解。选取文献中典型单组分实例,运用本文所提出的超结构描述和求解策略进行了求解,得到了总年度化费用最少,结构简单的最优质量交换网络。(5)研究了多组分质量交换网络问题的求解。选取文献中典型多组分实例,借鉴本文对单组分实例的求解思路和求解策略进行了分析,最终得到了总年度化费用最少的最优质量交换网络。

目录

摘要

Abstract

第1章 绪论

1.1 选题的目的和意义

1.2 本文的主要研究内容

第2章 质量交换网络综合问题简介

2.1 引言

2.2 质量交换网络的研究内容

2.3 质量交换网络的研究方法

2.3.1 分步综合方法

2.3.2 同步综合方法

2.3.3 人工智能

第3章 基于组分区间的无分流网络超结构模型及其求解

3.1 超结构描述方法

3.1.1 基本假设

3.1.2 划分组分区间

3.1.3 无分流超结构模型的建立

3.2 优化模型的建立

3.2.1 问题表达

3.2.2 模型变量的选取和约束的确定

3.2.3 优化数学模型的建立

3.3 列队竞争算法求解MEN

3.3.1 列队竞争算法

3.3.2 个体表示方法

3.3.3 排序

3.3.4 变异繁殖

3.3.5 终止条件

3.3.6 LCA求解的基本步骤

第4章 单组分质量交换网络综合

4.1 实例研究

4.2 本章小结

第5章 多组分质量交换网络综合

5.1 实例研究

5.2 本章小结

第6章 结论与展望

6.1 本文的主要结论

6.2 本课题的研究展望

致谢

参考文献

攻读硕士期间发表论文及参与科研情况