本發(fā)明專利技術(shù)公開了一種基于多頭絨泡菌仿生算法的城市燃?xì)夤芫W(wǎng)自動優(yōu)化方法，將多頭絨泡菌的覓食行為啟發(fā)用于解決城市燃?xì)夤芫W(wǎng)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計，求解燃?xì)夤芫W(wǎng)的多目標(biāo)組合優(yōu)化問題，得到在健壯性、傳輸能力和傳輸效率方面組合最優(yōu)的燃?xì)夤芫W(wǎng)解決方案。利用多頭絨泡菌網(wǎng)絡(luò)管道與流量之間的正反饋特性，用于城市燃?xì)夤芫W(wǎng)的整體優(yōu)化。以用戶為管網(wǎng)節(jié)點對象，采用多頭絨泡菌仿生算法遍歷所有節(jié)點和管段。當(dāng)城市燃?xì)夤芫W(wǎng)的某管段出現(xiàn)流量擁塞時，利用多頭絨泡菌仿生算法自適應(yīng)性能重新找到一條最優(yōu)路徑代替擁塞路徑。經(jīng)過較小時間復(fù)雜度的啟發(fā)式計算就可以解決整個管網(wǎng)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計問題，可最大限度地優(yōu)化和降低工程投資，提高工程設(shè)計的效率和可靠性。
【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】
【專利摘要】本專利技術(shù)公開了一種，將多頭絨泡菌的覓食行為啟發(fā)用于解決城市燃?xì)夤芫W(wǎng)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計，求解燃?xì)夤芫W(wǎng)的多目標(biāo)組合優(yōu)化問題，得到在健壯性、傳輸能力和傳輸效率方面組合最優(yōu)的燃?xì)夤芫W(wǎng)解決方案。利用多頭絨泡菌網(wǎng)絡(luò)管道與流量之間的正反饋特性，用于城市燃?xì)夤芫W(wǎng)的整體優(yōu)化。以用戶為管網(wǎng)節(jié)點對象，采用多頭絨泡菌仿生算法遍歷所有節(jié)點和管段。當(dāng)城市燃?xì)夤芫W(wǎng)的某管段出現(xiàn)流量擁塞時，利用多頭絨泡菌仿生算法自適應(yīng)性能重新找到一條最優(yōu)路徑代替擁塞路徑。經(jīng)過較小時間復(fù)雜度的啟發(fā)式計算就可以解決整個管網(wǎng)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計問題，可最大限度地優(yōu)化和降低工程投資，提高工程設(shè)計的效率和可靠性?！緦＠f明】
本專利技術(shù)涉及仿生學(xué)、人工智能、工程設(shè)計領(lǐng)域，具體涉及一種優(yōu)化城市燃?xì)夤芫W(wǎng)布局和管徑的多頭絨泡菌仿生算法。
技術(shù)介紹
城市燃?xì)夤芫W(wǎng)是重要的城市基礎(chǔ)工程設(shè)施之一，擔(dān)負(fù)著城市生活和工業(yè)生產(chǎn)等日常所需能源的任務(wù)。天然氣作為優(yōu)質(zhì)的燃料型能源，在優(yōu)化我國能源消費結(jié)構(gòu)，改善生存環(huán)境、控制有害氣體排放方面有極其重要的作用。在管道氣豐富的城市，隨著用氣量的急劇增力口，燃?xì)夤芫W(wǎng)系統(tǒng)變得日趨龐大和復(fù)雜，管網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計是否科學(xué)、經(jīng)濟(jì)將直接影響到系統(tǒng)的總投資以及安全可靠性等，而且城市天然氣系統(tǒng)工程建設(shè)投資巨大，工程建成后不宜輕易改建或擴(kuò)建，否則，將影響城市建設(shè)，影響城區(qū)居民生活，造成人力、物力、財力的巨大浪費。因此，在保證用戶用氣壓力的前提下進(jìn)行城市燃?xì)夤芫W(wǎng)優(yōu)化，降低城市管網(wǎng)的建造費用、運行費用以及提高供氣系統(tǒng)的安全可靠性已成為增強燃?xì)馄髽I(yè)競爭力的重要因素。在實際工程中，燃?xì)夤芫W(wǎng)的優(yōu)化一般都是在保證安全和可靠的前提下達(dá)到成本最少，才能使管網(wǎng)建成后的經(jīng)濟(jì)收益最大。在當(dāng)前的燃?xì)夤芫W(wǎng)優(yōu)化的研究中存在以下問題:(I) 一般采用的是分級優(yōu)化算法，也就是以管網(wǎng)管線總長度最低作為目標(biāo)來建立目標(biāo)函數(shù)，按照某一算法進(jìn)行管網(wǎng)布局優(yōu)化，確定布局之后再進(jìn)行管徑的優(yōu)化，保證在當(dāng)前管網(wǎng)布局下，管線投資費用最低，這樣建立的目標(biāo)函數(shù)比較簡單，計算過程清晰明了，可供選擇的算法也比較多，但是分級優(yōu)化的缺點是顯而易見的，每一級優(yōu)化都只能得到局部最優(yōu)解，無法得到全局最優(yōu)解；(2)采用傳統(tǒng)的優(yōu)化方法優(yōu)化管網(wǎng)布局時計算量往往隨著節(jié)點數(shù)目的增加成指數(shù)上升，這使得管網(wǎng)布局優(yōu)化受到管網(wǎng)規(guī)模影響較大，在管網(wǎng)規(guī)模較大的情況下管網(wǎng)布局優(yōu)化效率也很低；(3)傳統(tǒng)優(yōu)化方法難以同時在管網(wǎng)健壯性、傳輸能力和傳輸效率等方面實現(xiàn)最優(yōu)。多頭絨泡菌(Physarum polycephalum)是一種原生質(zhì)體黏菌,具有向食物聚集的特性，如果食物處于分散狀態(tài)，它會在食物之間形成管道，通過管道輸送養(yǎng)分。肉眼可見的多頭絨泡菌網(wǎng)絡(luò)就是它連接食物源并輸送養(yǎng)分的原生質(zhì)團(tuán)。原生質(zhì)團(tuán)的生長具有“極性”，成扇形，前緣加厚。扇形前緣的網(wǎng)絡(luò)比較發(fā)達(dá)，用以探索食物，隨著前沿向外擴(kuò)張，已探索區(qū)域的密集網(wǎng)絡(luò)開始精簡、萎縮，留下連接食物源的高效網(wǎng)絡(luò)。多頭絨泡菌在已探索區(qū)域形成高效網(wǎng)絡(luò)是基于其自身管道形態(tài)結(jié)構(gòu)的改變而形成的:高速率的原漿流刺激管直徑增力口，當(dāng)管道內(nèi)流量減少則管直徑減小，因此管道的厚度是根據(jù)管道內(nèi)流量大小的變化而變化的。當(dāng)細(xì)菌和食物源之間有多條管道時，流量較大，管道易保存，而食物管道長的或流量小，管道也會趨于消亡。燃?xì)夤芫W(wǎng)系統(tǒng)的設(shè)計需要涉及多方面的復(fù)雜權(quán)衡，而多頭絨泡菌網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)在進(jìn)化選擇的壓力下通過了多周期的磨練，并有可能將問題優(yōu)化組合，獲得合理的解決方案，其攝食網(wǎng)絡(luò)在總長度、運輸效率、應(yīng)對事故能力等方面都有著很高的效率，完全可以用以指導(dǎo)對燃?xì)夤芫W(wǎng)的優(yōu)化。
技術(shù)實現(xiàn)思路
針對以上現(xiàn)有技術(shù)中的不足，本專利技術(shù)的目的在于提供一種在健壯性、傳輸能力和傳輸效率等方面組合最優(yōu)的燃?xì)夤芫W(wǎng)最優(yōu)路徑的城市燃?xì)夤芫W(wǎng)自動優(yōu)化方法。本專利技術(shù)的技術(shù)方案如下:一種，其特征在于，包括以下步驟:101、統(tǒng)計待優(yōu)化燃?xì)夤芫W(wǎng)中的節(jié)點，其中節(jié)點包括氣源節(jié)點和用戶節(jié)點，并將待優(yōu)化的燃?xì)夤芫W(wǎng)氣源節(jié)點和用戶節(jié)點作為多頭絨泡菌網(wǎng)絡(luò)中的食物源，將燃?xì)夤芫W(wǎng)中的管段作為多頭絨泡菌網(wǎng)絡(luò)中的管道，燃?xì)夤芫W(wǎng)中管段內(nèi)的氣體作為管道中的原生質(zhì)，并將待優(yōu)化的燃?xì)夤芫W(wǎng)所有節(jié)點的坐標(biāo)作為輸入；102、系統(tǒng)初始化通過步驟101中待優(yōu)化的燃?xì)夤芫W(wǎng)的節(jié)點坐標(biāo)建立待優(yōu)化節(jié)點的位置系統(tǒng)圖，并建立每個節(jié)點與系統(tǒng)圖中其余節(jié)點之間的連接全圖，節(jié)點與節(jié)點之間為管段，設(shè)燃?xì)夤芫W(wǎng)所有節(jié)點的初始傳導(dǎo)性均為1，燃?xì)夤芫W(wǎng)起始節(jié)點的壓力為0，設(shè)起始節(jié)點為i，燃?xì)夤芫W(wǎng)起始節(jié)點i流過的氣體總流量為Itl ;103、采用多頭絨泡菌仿生算法遍歷步驟102中的起始節(jié)點i的坐標(biāo)和節(jié)點j的坐標(biāo)，計算出起始節(jié)點i和節(jié)點j之間管段的長度管段的傳導(dǎo)性計算公式為【權(quán)利要求】1.一種，其特征在于，包括以下步驟: .101、統(tǒng)計待優(yōu)化燃?xì)夤芫W(wǎng)中的節(jié)點，其中節(jié)點包括氣源節(jié)點和用戶節(jié)點，并將待優(yōu)化的燃?xì)夤芫W(wǎng)氣源節(jié)點和用戶節(jié)點作為多頭絨泡菌網(wǎng)絡(luò)中的食物源，將燃?xì)夤芫W(wǎng)中的管段作為多頭絨泡菌網(wǎng)絡(luò)中的管道，燃?xì)夤芫W(wǎng)中管段內(nèi)的氣體作為管道中的原生質(zhì)，并將待優(yōu)化的燃?xì)夤芫W(wǎng)所有節(jié)點的坐標(biāo)作為輸入； .102、系統(tǒng)初始化通過步驟101中待優(yōu)化的燃?xì)夤芫W(wǎng)的節(jié)點坐標(biāo)建立待優(yōu)化節(jié)點的位置系統(tǒng)圖，并建立每個節(jié)點與系統(tǒng)圖中其余節(jié)點之間的連接全圖，節(jié)點與節(jié)點之間為管段，設(shè)燃?xì)夤芫W(wǎng)所有節(jié)點的初始傳導(dǎo)性均為1，燃?xì)夤芫W(wǎng)起始節(jié)點的壓力為0，設(shè)起始節(jié)點為i，燃?xì)夤芫W(wǎng)起始節(jié)點i流過的氣體總流量為Itl; .103、采用多頭絨泡菌仿生算法遍歷步驟102中的起始節(jié)點i的坐標(biāo)和節(jié)點j的坐標(biāo)，計算出起始節(jié)點i和節(jié)點j之間管段的長度Li j,管段的傳導(dǎo)性計算公式為D-8ξ，其中ru表示節(jié)點i，j之間管路的管徑，ξ表示標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下燃?xì)獾南鄬γ芏?，并根?jù)總流量與節(jié)點j壓力之間的公式計算出各節(jié)點壓力值P」，公式如下: 【文檔編號】G06Q50/06GK103886389SQ201410086412【公開日】2014年6月25日 申請日期:2014年3月10日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月10日 【專利技術(shù)者】屈洪春, 蹇霜, 王平, 唐曉銘, 王文銅 申請人:重慶郵電大學(xué)本文檔來自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護(hù)點】
一種基于多頭絨泡菌仿生算法的城市燃?xì)夤芫W(wǎng)自動優(yōu)化方法，其特征在于，包括以下步驟：101、統(tǒng)計待優(yōu)化燃?xì)夤芫W(wǎng)中的節(jié)點，其中節(jié)點包括氣源節(jié)點和用戶節(jié)點，并將待優(yōu)化的燃?xì)夤芫W(wǎng)氣源節(jié)點和用戶節(jié)點作為多頭絨泡菌網(wǎng)絡(luò)中的食物源，將燃?xì)夤芫W(wǎng)中的管段作為多頭絨泡菌網(wǎng)絡(luò)中的管道，燃?xì)夤芫W(wǎng)中管段內(nèi)的氣體作為管道中的原生質(zhì)，并將待優(yōu)化的燃?xì)夤芫W(wǎng)所有節(jié)點的坐標(biāo)作為輸入；102、系統(tǒng)初始化通過步驟101中待優(yōu)化的燃?xì)夤芫W(wǎng)的節(jié)點坐標(biāo)建立待優(yōu)化節(jié)點的位置系統(tǒng)圖，并建立每個節(jié)點與系統(tǒng)圖中其余節(jié)點之間的連接全圖，節(jié)點與節(jié)點之間為管段，設(shè)燃?xì)夤芫W(wǎng)所有節(jié)點的初始傳導(dǎo)性均為1，燃?xì)夤芫W(wǎng)起始節(jié)點的壓力為0，設(shè)起始節(jié)點為i，燃?xì)夤芫W(wǎng)起始節(jié)點i流過的氣體總流量為I0；103、采用多頭絨泡菌仿生算法遍歷步驟102中的起始節(jié)點i的坐標(biāo)和節(jié)點j的坐標(biāo)，計算出起始節(jié)點i和節(jié)點j之間管段的長度Li,j，管段的傳導(dǎo)性計算公式為其中ri,j表示節(jié)點i，j之間管路的管徑，ξ表示標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下燃?xì)獾南鄬γ芏?并根據(jù)總流量與節(jié)點j壓力之間的公式計算出各節(jié)點壓力值pj，公式如下：其中Dij表示節(jié)點i，j之間管段的傳導(dǎo)性,Li,j表示節(jié)點i，j之間管段長度；104、根據(jù)步驟103中計算得出的節(jié)點j的節(jié)點壓力值pj，根據(jù)流量公式求得當(dāng)前管道的流量Qij；若所有管道當(dāng)前時刻管道流量與上一個時刻管道流量之差等于β時，則認(rèn)為網(wǎng)絡(luò)已處于平衡狀態(tài)，跳轉(zhuǎn)至步驟107；否則跳轉(zhuǎn)至步驟105;105、根據(jù)傳導(dǎo)性變化率公式計算出下一時刻管段的傳導(dǎo)性Dij′，其中a為傳導(dǎo)性的衰減系數(shù)，為一定值；106、當(dāng)管段ij的傳導(dǎo)性Dij′<ε時，ε為傳導(dǎo)性門限值，則刪掉該管段，跳轉(zhuǎn)至步驟103；107、當(dāng)當(dāng)前時刻管道流量與上一個時刻管道流量之差等于β時或遍歷次數(shù)=M時，則結(jié)束，得出優(yōu)化后起始節(jié)點到目的節(jié)點的管段路徑。...
【技術(shù)特征摘要】
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：屈洪春，蹇霜，王平，唐曉銘，王文銅，
申請(專利權(quán))人：重慶郵電大學(xué)，
類型：發(fā)明
國別省市：重慶;85
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