并行遗传算法在一种新的给水管网优化设计中的应用

摘要

给水管网优化设计是城镇供水工程的一项重要工作,国内外许多学者都对此做了广泛、深入的研究,提出了很多具有代表性的优化设计理论与方法,例如枚举法、线性规划法、动态规划法,还有遗传算法和模拟退火算法等.该文首先介绍了给水管网优化设计的现状以及优化设计的内容与意义,论述了给水管网水力计算理论和最优化方法—遗传算法的理论及设计计算流程.接着,列举给水管网优化设计的数学模型,并分析影响目标函数优化结果的各种因素,例如泵站效率、资金时间效率、用水量变化曲线、供水能量变化系数等.考虑到峰谷电价、用水量变化曲线及用水可靠性因素的影响,分别建立了以最高时流量设计管网的模型和以期望时流量设计管网的模型,以年费用折算值加上清水池年造价折算值为目标函数,以连续性方程、管中流速和铸铁管耐压值等为约束条件,进行并行遗传算法对给水管网优化设计的实现.设计过程中,将整个群体划分为几个子群体,各自独立进化,选择算子、交叉算子和变异算子以及其他参数都做了相应的改进.最后,通过工程实例的应用,证实了该文并行GA模型的有效性、收敛性以及以期望时流量设计管网的经济性,即使流过最高时流量也可以保证其用水可靠性.

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前言

第一章绪论

1.1给水管网优化设计的目的及内容

1.2给水管网优化的对象

1.3国内外给水管网优化设计方法

1.3.1确定性优化方法

1.3.2随机优化方法

1.4课题研究的意义

第二章给水管网水力计算理论

2.1给水管网计算基础方程

2.2流量分配

2.2.1均匀法

2.2.2节点累计法

2.2.3最短树法或最短路线法

2.2.4最小平方和法

2.2.5计高幂次管长的分配流量方法

2.3水头损失计算

2.4管网计算方法

2.5管网技术经济模型

2.6管网年折算费用与管径和流速的关系

第三章遗传算法

3.1遗传算法的基本理论

3.1.1图式理论

3.1.2欺骗问题

3.2遗传算法的应用步骤

3.3遗传算法的基本流程

3.4算法的基本特点及其优缺点

3.5算法设计步骤及理论研究进展

3.5.1编码

3.5.2适配值函数

3.5.3算法参数

3.5.4遗传算子

3.5.5算法的终止条件

3.5.6并行遗传算法

第四章给水管网优化设计的几点研究

4.1资金时间效益

4.2用水量变化系数

4.3管网最小服务水头

4.4用水量变化曲线

4.5供水可靠度问题

4.6供水能量变化系数

第五章给水管网优化设计的数学模型

5.1惩罚项模型

5.2拉格朗日模型

5.3动态规划模型

5.4网中水塔的树状网求解模型

5.5考虑可靠性的优化设计模型

5.6课题采用的模型

第六章给水管网优化的遗传算法实现

6.1编码

6.2初始群体

6.3适应度函数

6.4选择算子

6.5交叉算子

6.6变异算子

6.7并行算法设计

6.8并行遗传算法进行管网优化设计的步骤

第七章算例

第八章总结

参考文献