基于遗传算法的平原开敞式水闸优化设计

□马超

基于遗传算法的平原开敞式水闸优化设计

□马超

本文将水闸闸室底板的长度厚度、铺盖的长度、闸墩的厚度、闸门的位置等作为基本优化变量，以总的工程造价最小为目标函数，考虑了规范所规定的部分约束条件，建立了利用遗传算法优化计算的平原开敞式水闸的优化模型。通过算例计算表明遗传算法可以对平原开敞式水闸进行优化设计，提高效率并弥补以往经验设计的缺陷，在实践中有一定的使用和参考价值。

水闸；遗传算法；优化设计

水闸在传统的设计中依靠经验和专业知识，虽然满足设计要求，但在结构形式、材料使用等方面存在着不合理性和不经济性，所以满足安全要求的前提下，最大限度地降低成本、节约投资，对水闸优化设计具有一定的实用意义。

1.优化设计数学模型的建立

水闸系统是一个大系统，涉及很多变量，根据初拟计算时的结构特点，对水闸结构设计进行了适当简化，最终选取过闸总净宽、闸墩厚度、闸室长度、闸门位置、闸底板厚度与铺盖长度为优化变量，即：

X=[X1，X2，X3，X4，X5，X6]

1.1 目标函数

以工程造价为目标函数，设第i种材料的单位综合造价为Ci，体积为Vi。

1.2 约束条件

几何约束；性态约束：闸室稳定安全系数，基底大小应力比，防渗长度。

1.3 最终优化的数学模型

综上分析，水闸优化设计数学模型可表示为：

1.3.1 求设计变量

X=[X1，X2，X3，X4，X5，X6]T

1.3.2 满足给定的约束条件，求目标函数

2.遗传算法的设计方法

遗传算法是模拟自然界中的生命进化过程。一般可按下述步骤来构造求解问题的遗传算法。

确定决策变量、各种约束条件和目标函数。

确定可行解的染色体编码及解码方法。

确定个体适应度的量化评价方法；本目标函数为求最小值问题。

选择运算使用比例选择算子，交叉运算使用单点交叉算子，变异运算使用基本位变算子。

确定遗传算法的有关运行参数，包括群体大小(一般取为20～100)、遗传运算的终止代数(一般取为100～500)、交叉概率（一般取为0.4～0.99）、变异概率（一般取为0.0001～0.1）。在本算例中M=80，T=100，Pc=0.60，Pm=0.05。

3.工程算例

3.1 工程概况

江河干渠位于武邑县城南约6.3km，东西走向，总长16.7km，其中某水闸位于清凉江侧江河干渠渠首，距离清凉江约200m。设计流量45m3/s，闸下设计水位17.731m。上游设计挡水位为清凉江10年一遇洪水位17.88m。

优化时对典型剖面做适当简化：

闸墩等截面，且分段后缝墩厚度同其他闸墩厚度。

挡土墙为悬臂墙，上游为八字墙接一字墙，下游为八字墙。

排架尺寸根据下游闸室尺寸初步确定。

启闭机室按3.5m框架，柱同小于5m排架柱，框架四周按二七墙考虑，交通桥按2.5m宽平板桥，厚度根据闸室尺寸初步确定。

3.2 基本资料

3.2.1 目标函数

水闸结构设计综合比价为：闸室：闸墩：铺盖：挡土墙=900：800：700：900闸墩体积+700×铺盖体积+900×挡土墙体积

3.2.2 几何约束

①过流能力净宽≤x1≤河道宽度

②0.9≤x2≤1.5

③2.0×挡水水位差≤x3≤3.5×挡水水位差

④0.2≤x4≤0.8

⑤0.7≤x5≤2.0

⑥3.0×挡水水位差≤x6≤5.0×挡水水位差

3.2.3 性态约束

①允许的稳定安全系数为[Fs]≥1.30。

③允许的防渗长度为L≥C△H。

其中几何约束条件是依据国内外已建工程经验及规范要求选取的。稳定安全系数、基底大小应力比及防渗长度是依据我国《水闸设计规范(SL265-2001)》中的相关规定选取的。

3.3 优化结果

从优化结果可以看出,采用遗传算法优化的计算结果与实际设计的成果还是有一定差距的。但是与其他方法优化计算结果很接近,说明了优化方法的有效性。这是因为水闸系统是一个大系统，涉及很多变量，水闸布置优化设计确实存在困难。但本文中的方法可以提供很强、很有价值的参考性。

4.结论

基于遗传算法,建立了以水闸造价为目标函数,以水闸设计的几何尺寸为设计变量,以水闸设计稳定及防渗长度为主要性态约束的水闸优化设计数学模型。计算结果表明该优化方法用于水闸初拟设计是可行的,可以得到水闸设计的初步布置。□

2016-05-06

马超，男，汉族，河北省水利水电第二勘测设计研究院，工程师。