亚洲免费av电影一区二区三区,日韩爱爱视频,51精品视频一区二区三区,91视频爱爱,日韩欧美在线播放视频,中文字幕少妇AV,亚洲电影中文字幕,久久久久亚洲av成人网址,久久综合视频网站,国产在线不卡免费播放

        ?

        基于粒子群算法的樹狀灌溉管網(wǎng)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

        2018-05-30 02:07:14王文婷郭乙霏
        節(jié)水灌溉 2018年5期
        關(guān)鍵詞:樹狀管網(wǎng)灌溉

        王文婷,郭乙霏

        (1,焦作市抗旱防汛通訊站,河南 焦作 454150;2.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院,哈爾濱 150003)

        0 引 言

        近年來,隨著我國經(jīng)濟(jì)水平和人口數(shù)量的持續(xù)增長,我國的水資源供需不平衡、水資源不足等問題顯得日益突出,使我國農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化進(jìn)程受到嚴(yán)重的制約。農(nóng)業(yè)作為我國的用水大戶,具有巨大的節(jié)水潛力,因此節(jié)水農(nóng)業(yè)的發(fā)展對緩解我國水資源供需不平衡,應(yīng)對我國水資源不足等有著重要的意義。

        在進(jìn)行農(nóng)田灌溉時(shí),需要事先從水源地將灌溉水合理、有序、及時(shí)的運(yùn)送到田間。灌溉水的運(yùn)輸作為農(nóng)業(yè)灌溉中不可或缺的環(huán)節(jié),對我國節(jié)水農(nóng)業(yè)的發(fā)展有著重要的意義。自20世紀(jì)七八十年代以來,灌溉管網(wǎng)在我國農(nóng)田灌溉中的應(yīng)用越來越廣泛。利用灌溉管網(wǎng)實(shí)現(xiàn)灌溉水的輸配在減少蒸發(fā)損失和輸水損失、提高灌溉水利用效率的同時(shí),也在增大有效灌溉面積、提高土地利用率方面有著明顯的成效[1]。此外,灌溉管網(wǎng)系統(tǒng)移動(dòng)靈活方便,灌溉效率高,容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和方便田間管理[2, 3]。因此,在21世紀(jì)節(jié)水農(nóng)業(yè)發(fā)展過程中,管道化灌溉起著舉足輕重的作用。

        灌溉管網(wǎng)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)主要是通過優(yōu)化數(shù)學(xué)模型,借助數(shù)學(xué)方法和計(jì)算機(jī)技術(shù),尋求模型的最優(yōu)解,實(shí)現(xiàn)對管網(wǎng)系統(tǒng)的優(yōu)化布置以及管網(wǎng)直徑的優(yōu)化選擇,篩選出能使投資達(dá)到最小的優(yōu)化方法[4-6]。近年來,國內(nèi)外不少學(xué)者采用不同的計(jì)算方法(如遺傳算法、最小生成樹算法等)建立起了不同的灌溉管網(wǎng)優(yōu)化模型,并實(shí)現(xiàn)了灌溉管網(wǎng)系統(tǒng)的優(yōu)化布置。付玉娟[7]、馬雪琴[8]、Glodberg[9]等利用基于整數(shù)編碼遺傳算法對灌區(qū)樹狀管網(wǎng)進(jìn)行優(yōu)化布置,并通過實(shí)例驗(yàn)證,均得到了較優(yōu)的管網(wǎng)系統(tǒng)布置方案。而后,付亞娟又利用GIS技術(shù)對灌溉管網(wǎng)進(jìn)行優(yōu)化布置。胡杰華[10]、李密青[11]等則利用最小生成樹模型,也實(shí)現(xiàn)了灌溉管網(wǎng)系統(tǒng)的多目標(biāo)優(yōu)化布置。

        粒子群算法(Particle Swarm Optimization,PSO)作為進(jìn)化算法的一種,從隨機(jī)解出發(fā),通過適應(yīng)度來評(píng)估所得解的品質(zhì),依據(jù)追隨當(dāng)前搜索到的最優(yōu)解來找到全局的最優(yōu)解,具有收斂快、精度高、易實(shí)現(xiàn)等特點(diǎn)[12]。目前,粒子群算法在石油運(yùn)輸管網(wǎng)優(yōu)化[13-15]和污水管網(wǎng)優(yōu)化[16]中應(yīng)用廣泛,甚至在配電系統(tǒng)中也有所應(yīng)用[17-19]。在農(nóng)田灌溉中,灌溉管網(wǎng)具有與石油、污水等運(yùn)輸管網(wǎng)相似的特點(diǎn),而PSO算法在農(nóng)田灌溉管網(wǎng)系統(tǒng)優(yōu)化布置方面的應(yīng)用則鮮有報(bào)道。

        本文在綜合分析粒子群算法原理和過程的基礎(chǔ)上,將其與樹狀灌溉管網(wǎng)模型相結(jié)合,實(shí)現(xiàn)了對灌區(qū)灌溉管網(wǎng)系統(tǒng)的優(yōu)化,最后結(jié)合具體實(shí)例對我國某灌區(qū)灌溉管網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化并與2級(jí)遺傳優(yōu)化模型進(jìn)行對比,說明了粒子群算法的可行性和優(yōu)越性。

        1 樹狀灌溉管網(wǎng)數(shù)學(xué)模型的構(gòu)建

        為了達(dá)到灌溉管網(wǎng)造價(jià)最低的目標(biāo),在進(jìn)行管網(wǎng)優(yōu)化時(shí),所使用的數(shù)學(xué)模型如下:

        (1)

        灌溉管網(wǎng)優(yōu)化模型的約束條件如下。

        (1)為了保證管網(wǎng)中各節(jié)點(diǎn)壓力滿足最小壓力,需滿足以下約束條件:

        (2)

        (2)流速約束條件:

        Vmin≤Vi≤Vmaxi=1,2,…,n

        (3)

        式中:Vmin和Vmax分別表示管道允許的最小和最大流速,m/s。

        (3)管徑約束條件。管道直徑需選擇標(biāo)準(zhǔn)的可用管徑,即:

        Di∈[d1,d2,…,dM]

        (4)

        式中:Di表示管道直徑,mm;M表示可供選擇的管道直徑的個(gè)數(shù);d1,d2,…,dM表示可供選擇的管道直徑,mm。

        2 粒子群算法的實(shí)現(xiàn)

        粒子群算法是基于鳥群捕食行為研究而建立的一種智能簡化算法,它最初由kennedy博士和Eberhart博士在1995年聯(lián)合提出的一種較新的算法[12]。與遺傳算法相類似,它也是進(jìn)化算法的一種[14]。它首先初始化一組隨機(jī)解,然后借助隨機(jī)搜索的方法依據(jù)適應(yīng)值來找尋最優(yōu)值,在離散變量和連續(xù)變量的優(yōu)化中應(yīng)用較為廣泛。

        整個(gè)PSO算法中,所有粒子都有一個(gè)適應(yīng)度函數(shù)(用fit表示,其中fit=1/Z,即為管網(wǎng)總造價(jià)的倒數(shù))。在整個(gè)研究空間中,所有粒子都有自己的飛行速度和方向,優(yōu)化過程就是通過個(gè)體自身體驗(yàn)(進(jìn)行局部優(yōu)化過程)和群體間的信息共享(進(jìn)行全局優(yōu)化過程)對粒子的飛行速度和方向進(jìn)行不斷的調(diào)整和優(yōu)化,從而使所有的粒子(整體)都“飛行”到最理想的區(qū)域中,因此,基于PSO優(yōu)化算法的過程即為尋找研究空間中粒子的過程。PSO算法具體流程見圖1。

        圖1 PSO算法基本實(shí)現(xiàn)過程

        在PSO算法中,假定粒子群落大小為N(即由N個(gè)粒子構(gòu)成),在m維空間中對目標(biāo)進(jìn)行搜索。在優(yōu)化過程中粒子位置和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)信息主要是由Xi=(Xi1,Xi2,…,Xim)、Pibest、Vi(Vi1,Vi2,…,Vim)和gbest決定,它們分別表示粒子當(dāng)前位置坐標(biāo)、優(yōu)化過程中的最優(yōu)位置坐標(biāo)(也即個(gè)體最優(yōu)值)、粒子在該時(shí)刻的運(yùn)動(dòng)速度以及整個(gè)粒子群體在優(yōu)化過程中的最優(yōu)位置坐標(biāo)(也即全局最優(yōu)值)。各個(gè)粒子都是通過以下2個(gè)方程來調(diào)整其速度和方向的。

        (5)

        (6)

        3 工程實(shí)例應(yīng)用

        3.1 已知條件

        以我國某灌區(qū)為例,對該灌區(qū)的管網(wǎng)布置系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化處理??紤]實(shí)際情況,在使用灌區(qū)樹狀灌溉管網(wǎng)進(jìn)行供水時(shí),各個(gè)結(jié)點(diǎn)必須滿足有且只有一個(gè)供水管道為其供水,這就需要從多個(gè)可能供水管道進(jìn)行優(yōu)化選擇,從而確定出所有結(jié)點(diǎn)的供水管道,組成最終的優(yōu)化供水管網(wǎng)。該灌區(qū)中所有可能的灌溉管網(wǎng)布置見圖2,共10個(gè)供水節(jié)點(diǎn)(其中0點(diǎn)為水源點(diǎn)),26種可能的供水連接方案。每個(gè)節(jié)點(diǎn)的進(jìn)水管道按照逆時(shí)針方向用整數(shù)代碼進(jìn)行命名,如圖2中的節(jié)點(diǎn)2,按照逆時(shí)針方向?qū)?個(gè)供水管道依次編碼為0,1,2。該灌溉管網(wǎng)中可用的管道直徑和管道價(jià)格見表1,并按照管徑從小到大的順序依次編碼。在該管網(wǎng)系統(tǒng)中,允許最大和最小流速分別為3.0和0.5 m/s,壓力水頭為10 m。表2給出了各個(gè)管段編號(hào)及管段長度等。

        圖2 某灌區(qū)灌溉管網(wǎng)初步布置

        表1 可選用的管道規(guī)格

        各個(gè)管段編號(hào)按照“流出結(jié)點(diǎn)-供水管道編碼-流入結(jié)點(diǎn)”的方式進(jìn)行命名,例如:a-0-b。表3給出了0~9各供水結(jié)點(diǎn)高程和需水量等數(shù)據(jù)。

        表2 灌溉管網(wǎng)中各管段長度 m

        表3 灌溉管網(wǎng)中各個(gè)供水結(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)

        3.2 模型計(jì)算結(jié)果

        利用matlab 14a軟件進(jìn)行對粒子群算法進(jìn)行編程計(jì)算,本文中各系數(shù)取值如下:c1=0.5,c2=2.0,w=0.95,N=200,最大迭代次數(shù)為100,通過計(jì)算可得到造價(jià)最低且符合實(shí)際的最優(yōu)方案。 PSO優(yōu)化過程中適應(yīng)度值變化情況見圖3。文中通過PSO優(yōu)化得到的管網(wǎng)總長度為2 620 m,總投資金額為1.193 萬元。文獻(xiàn)[4]中通過2級(jí)優(yōu)化遺傳模型優(yōu)化得到的投資總金額和管網(wǎng)總長度見表4。通過比較可知PSO優(yōu)化算法可減少3.7%的管網(wǎng)用量,減少27.8%的投資金額,同時(shí)在PSO算法中還給出了最優(yōu)的管道組合,管道流速等信息,見表4。

        圖3 PSO算法優(yōu)化過程適應(yīng)度值變化情況

        圖4和圖5分別給出了基于2級(jí)遺傳優(yōu)化模型和基于PSO算法得到的灌區(qū)優(yōu)化管網(wǎng)布置形式。在2級(jí)遺傳優(yōu)化模型得到的管網(wǎng)優(yōu)化布置形式中只有一個(gè)總投資額和總管長的優(yōu)化值,并沒有說明管道流速和管道長度。所以在文獻(xiàn)[4]中的總投資額應(yīng)是一個(gè)估計(jì)值,而實(shí)際值應(yīng)較估計(jì)值略低。通過與原設(shè)計(jì)方案比較可知,使用PSO算法得到的灌溉管網(wǎng)優(yōu)化結(jié)果中總投資額度更少,灌溉管網(wǎng)總長度也更短,有利于節(jié)約投資成本,且符合實(shí)際情況。

        表4 灌溉管網(wǎng)優(yōu)化布置對比

        圖4 基于2級(jí)遺傳優(yōu)化模型優(yōu)化的灌區(qū)最優(yōu)管網(wǎng)布置

        圖5 PSO算法優(yōu)化的灌區(qū)最優(yōu)管網(wǎng)布置

        4 結(jié) 語

        本文基于樹狀灌溉管網(wǎng)中單點(diǎn)供水的原則,將PSO優(yōu)化算法與農(nóng)田水利工程中的灌溉管網(wǎng)優(yōu)化模型相結(jié)合,提出了基于PSO優(yōu)化算法的樹狀灌溉管網(wǎng)優(yōu)化模型。而后針對具體的實(shí)例對我國某灌區(qū)樹狀灌溉管網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化,得到了最終的優(yōu)化方案。與2級(jí)遺傳優(yōu)化模型得到的方案相比,使用該優(yōu)化算法得到的最優(yōu)管網(wǎng)布置的復(fù)雜度最小,需要的管網(wǎng)長度最小,投資成本最低,同時(shí)也能夠滿足灌區(qū)實(shí)際灌溉需求。本研究為PSO算法在灌溉管網(wǎng)優(yōu)化布置中的應(yīng)用提供了參考依據(jù)。

        [1] 付玉娟,蔡煥杰. 灌溉管網(wǎng)優(yōu)化研究現(xiàn)狀與展望[J].西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2005,33(11):137-140.

        [2] 付玉娟. 基于GIS的灌溉輸配水管網(wǎng)優(yōu)化研究[D]. 陜西楊凌:西北農(nóng)林科技大學(xué),2008.

        [3] 馬朋輝. 灌區(qū)微灌獨(dú)立管網(wǎng)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究[D]. 陜西楊凌:西北農(nóng)林科技大學(xué),2016.

        [4] 王 昕,馬海燕,張 禾.等 規(guī)?;艿垒斔喔裙芫W(wǎng)優(yōu)化模型研究與應(yīng)用[J].節(jié)水灌溉,2015,(10):87-89.

        [5] 胡良明,李 仟,鄭佩佩. 基于遺傳算法的農(nóng)村供水管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].人民黃河,2017,39(1):102-105.

        [6] 周榮敏,雷延峰. 管網(wǎng)最優(yōu)化理論與技術(shù)[M].鄭州:黃河水利出版社,2002.

        [7] 付玉娟,蔡煥杰,張旭東. 基于遺傳算法的樹狀灌溉管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].人民黃河,2006,28(7):42-44.

        [8] 馬雪琴,呂宏興,朱德蘭. 基于遺傳算法的樹狀灌溉管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].中國農(nóng)村水利水電,2013,(4):50-52.

        [9] Goldberg D E,Kuo C H. Genetic algorithms in pipeline optimization[J].Journal of Computing in Civil Engineering,1985,1(2):128-141.

        [10] 胡杰華,馬孝義,姚慰煒. 基于最小生成樹模型的樹狀灌溉管網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].中國農(nóng)村水利水電,2012,(2):1-3.

        [11] 李密青,鄭金華,羅 彪. 一種基于最小生成樹的多目標(biāo)進(jìn)化算法[J].計(jì)算機(jī)研究與發(fā)展,2009,46(5):803-813.

        [12] 劉建華. 粒子群算法的基本理論及其改進(jìn)研究[D].長沙:中南大學(xué),2009.

        [13] 蔡昌新. 粒子群算法在油田管網(wǎng)優(yōu)化中的應(yīng)用[J].長江大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版:理工卷),2010,7(3):80-82,737.

        [14] 柯文奇. 基于粒子群算法原油集輸管網(wǎng)優(yōu)化[J].石油規(guī)劃設(shè)計(jì),2010,21(1):15-17,50.

        [15] 黃 晶. 基于粒子群算法的油田注水管網(wǎng)優(yōu)化研究[D]. 黑龍江大慶市:大慶石油學(xué)院,2009.

        [16] 薛英文,文倩倩. 基于粒子群算法的污水管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].中國農(nóng)村水利水電,2010,(8):40-42.

        [17] 俞雋亞,王增平,孫 潔. 基于支路交換----粒子群算法的配電網(wǎng)故障恢復(fù)[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制,2014,42(13): 95-99.

        [18] 張君則,艾 欣. 基于粒子群算法的多類型分布式電源并網(wǎng)位置與運(yùn)行出力綜合優(yōu)化算法[J].電網(wǎng)技術(shù),2014,38(12):3 372-3 377.

        [19] Mehdinejad M,Mohammadi-Ivatloo B,Dadashzadeh-Bonab R. Solution of optimal reactive power dispatch of power systems using hybrid particle swarm optimization and imperialist competitive algorithms[J].International Journal of Electrical Power & Energy Systems,2016,83:104-116.

        猜你喜歡
        樹狀管網(wǎng)灌溉
        蒼松溫室 蒼松灌溉
        蒼松溫室 蒼松灌溉
        蒼松溫室 蒼松灌溉
        蒼松溫室 蒼松灌溉
        鋼結(jié)構(gòu)樹狀支撐柱施工設(shè)計(jì)
        管網(wǎng)獨(dú)立是妥協(xié)還是改革
        能源(2018年8期)2018-09-21 07:57:20
        從管網(wǎng)獨(dú)立看國企改革
        能源(2018年8期)2018-09-21 07:57:20
        管網(wǎng)改革虛實(shí)
        能源(2018年8期)2018-09-21 07:57:18
        樹狀月季的嫁接技術(shù)及后期管理
        織起一張共管網(wǎng)
        中國公路(2017年8期)2017-07-21 14:26:20
        亚洲 暴爽 AV人人爽日日碰| 黄网站欧美内射| 亚洲一区av无码少妇电影| 欧美日韩一区二区三区色综合| 天堂av一区二区在线| 免费国产在线视频自拍白浆| 伊人激情av一区二区三区| 亚洲男人天堂网站| 婷婷色在线视频中文字幕| 人妻少妇满足中文字幕| 久久久久亚洲av成人网人人网站| 久久AV老司机精品网站导航| 久久国产精品男人的天堂av| 在线播放国产自拍av| 北条麻妃国产九九九精品视频 | 少妇性俱乐部纵欲狂欢少妇| 欧美在线 | 亚洲| 福利视频一二区| 精品亚洲在线一区二区| 伊人久久精品无码二区麻豆| 少妇人妻偷人精品一区二区| 国产精品欧美视频另类专区| 日本在线观看一二三区| 亚洲av无码成人网站在线观看 | 丝袜美腿亚洲综合第一页| 久久精品国产只有精品96| 欧美多毛肥胖老妇做爰| 日韩av一区二区三区精品| 精品国产精品久久一区免费式| 国产成熟人妻换╳╳╳╳| 无遮挡中文毛片免费观看| 日本大片一区二区三区| 欧美日韩精品久久久久| 亚洲图区欧美| 国产av一区仑乱久久精品| 久久精品丝袜高跟鞋| 天天做天天躁天天躁| 一区二区丝袜美腿视频| 玖玖色玖玖草玖玖爱在线精品视频 | 中文字幕乱码亚洲一区二区三区| 日韩精品一区二区午夜成人版|