基于基因表达混乱遗传算法的管网优化的新方法

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1、34第21卷第2期石油规划设计2010年3月*钱军赵莉（西安石油大学石油工程学院）钱军等.基于基因表达混乱遗传算法的管网优化的新方法.石油规划设计，2010，21（2）：34～36摘要以降低管网造价和运行费用为目标，将基因表达混乱遗传算法引入到供水管网系统的扩建优化设计中，对其在供水管网优化扩建实践领域进行了探索。通过模拟管网扩建实例计算，结果表明：采用优化设计方案后，总投资比采用混合遗传算法有所减少，并且基因表达混乱遗传算法收敛速度大大加快，算例中只搜索约0.0002%的可行域便可找到问题的最优解。关键词基因表达混乱遗传算法混合遗传算

2、法给水管网优化设计域，结合某模拟管网的扩建课题编制相应的计算机1概述程序进行求解。对优化设计方案与传统方案进行了成本分析，并在统计多次计算结果的基础上系统比给水管网是供水系统的重要组成部分，其运行较了GEMGA与HGA的计算性能。复杂多变且呈现出很强的动态性。基于水力学原理，应用现代计算机技术、通信技术、管理科学和科学2GEMGA简介计算等技术建立的供水管网模型，可实现对供水信息的收集、加工、储存和计算分析，已逐步发展为遗传算法是近年来求解管网优化设计问题常见［2～4］辅助管网优化设计的有效工具。的一种模拟生命进化机制的搜索和优化方法，

3、模拟技术与优化技术的结合，为解决大型复杂它的自组织、自适应和自学习能力使其成为一种以给水管网系统扩建问题提供了条件。给水管网系统有限代价来搜索全局最优解的通用方法。GEMGA的许多工程问题，包括优化改扩建，都可转化为最是近年来开发出的一种高效实用算法，与HGA相优化数学问题进行求解。针对这些最优化数学问题，比，GEMGA更注重算法的关联学习能力，并能够以［5～8］传统的求解方法（梯度法等）的效率虽高，却往往最小的计算代价进行更广泛的系属搜索。现简只针对某一类问题有效，而且易陷于局部最优解。要介绍GEMGA算法染色体结构及主要操作算子。混

4、合遗传算法（HGA）虽然可以解决易陷于局部最2.1染色体结构优解、过早收敛等问题，但该算法一般需要较大的为更好地搜索和记录属性优良的系属联系，或［9］群体规模，存在计算次数过多，局部搜索能力不足称之为积木块，GEMGA染色体的结构更加复杂。［1］等缺陷，搜索速度较慢且实用性不强。因此，最与HGA染色体相比，增加了许多记录系属联系及性优化问题的高效求解日益成为制约最优化技术在给能的单元和结构。水管网系统扩建等领域应用的障碍。每条染色体首先包含m个称之为基因的单元，本文将具有超强关联学习能力的基因表达混乱每个基因又记录了包含位置、数值和能力

5、的３类信遗传算法（GEMGA）引入给水管网扩建优化设计领息。位置项记录了该基因位于染色体中的位置；数*钱军，男，2002年毕业于四川大学国家数学人才培养基地班，现为西安石油大学石油工程学院在读硕士研究生，研究方向是油气集输及多相流理论与技术。通信地址：西安石油大学理学院数学教研室，710065第21卷第2期石油规划设计35值项记录了该基因位上的编码取值，对于二进制编码而言，其值可取0或1；能力项用于记录所属基3给水管网优化设计算例因的可变性，即该基因进行“突变”（变换该基因的3.1算例管网介绍数值）后，对该染色体适应度而言是增大还是减小

6、。模拟算例以某北方城市的给水管网系统扩建项除包含基因链表外，每条染色体还带有一个名为联2目为蓝本。该算例管网规划服务面积为81.2km，用系的链表，该链表长度不定，并包含若干个称之为地呈东西狭长的新月形，地型东高西低、南高北低，联系的单元。每个联系用于记录所属染色体中一些海拔在31～57m。规划服务人口约60万人，平均日联系紧密的基因位置，并以权重、优劣和试验３项用水量55万t，用户要求最低自由水头20m。算例信息记录该联系的重复出现频率、优良程度以及被管网共包括节点133个，管段190条，拟扩建10试验的次数。条管段。本文研究内容仅限

7、于对新增10条管道的管2.2转录与重组操作径进行优化计算。GEMGA的基本操作算子包括转录操作和重组3.2管网扩建最优化数学模型操作。转录操作的任务，就是依次对试验种群中染把各个比较方案在项目服务年限内所有投资色体的每个基因进行突变，记录适应度的变化并构（建造费用与运行费用）换算为等值的等额年经营造初始的联系。具体操作为：依次改变某染色体中成本，作为供水管网设计优化的目标函数，仅考虑每一个基因数值，若适应度变低，则说明原基因数用户自由水头约束作为其不等式约束条件。最终，值为良好基因，将能力值设为0（表示不可替换）；将管网扩建问题转化为无

8、约束最优化问题：否则设定为1，重新恢复对该基因的变动。所有基因值都试过后，将所有能力值标记为0的基因集中⎡i(1+i)tp⎤86000νEα起来，作为该染色体的联系，并设定联系权重、优W=⎢t+⎥∑bDil