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基于RBF代理模型和粒子群算法的水交换优化研究

戚蓝 郑诗豪 张丛林

戚蓝,郑诗豪,张丛林. 基于RBF代理模型和粒子群算法的水交换优化研究[J]. 水利水运工程学报,2020(5):1-8 doi:  10.12170/20190724002
引用本文: 戚蓝,郑诗豪,张丛林. 基于RBF代理模型和粒子群算法的水交换优化研究[J]. 水利水运工程学报,2020(5):1-8 doi:  10.12170/20190724002
(QI Lan, ZHENG Shihao, ZHANG Conglin. Optimization of water exchange based on RBF surrogate model and particle swarm optimization[J]. Hydro-Science and Engineering, 2020(5): 1-8. (in Chinese)) doi:  10.12170/20190724002
Citation: (QI Lan, ZHENG Shihao, ZHANG Conglin. Optimization of water exchange based on RBF surrogate model and particle swarm optimization[J]. Hydro-Science and Engineering, 2020(5): 1-8. (in Chinese)) doi:  10.12170/20190724002

基于RBF代理模型和粒子群算法的水交换优化研究

doi: 10.12170/20190724002
基金项目: 国家重点研发计划资助项目(2018YFC0406901);国家自然科学基金青年基金项目(71503245)
详细信息
    作者简介:

    戚 蓝(1955—),女,山东威海人,教授,主要从事水工结构和流体分析方面的研究。E-mail:lanqi0000@163.com

    通讯作者:

    张丛林(E-mail:zhangconglin@casisd.cn

  • 中图分类号: TV131.2

Optimization of water exchange based on RBF surrogate model and particle swarm optimization

  • 摘要: 良好的水交换对改善水环境、提高水域周边景观效果等具有十分重要的作用。而引水置换的方法对促进水交换效果显著,但利用数值模拟进行水交换研究耗时长、效率低,且人为改变参数的局限性大,不利于寻找最优的换水方案。为解决这一问题,基于径向基函数(简称RBF)代理模型建立水交换优化模型,并通过粒子群算法求最优解。以某人工岛游艇别墅区港池初拟方案为例,验证该方法的可行性和优越性。算例结果表明:(1)构建的基于RBF代理模型的水交换优化模型精度较高;(2)基于RBF代理模型的水交换优化模型计算1次所需时间量级为秒,而传统数值模拟计算的量级为小时;(3)通过粒子群算法,对建立的基于RBF代理模型的水交换优化模型求解,得到研究区域的最优换水方案。上述最优方案的结果与MIKE21水动力和对流扩散模型的计算结果相符。
  • 图  1  人工岛和游艇别墅区示意

    Figure  1.  Artificial island and yacht villa area

    图  2  人工岛整体模型

    Figure  2.  Artificial island overall model

    图  3  港池独立模型

    Figure  3.  Harbor independent model

    图  4  测点布置

    Figure  4.  Measuring point

    图  5  测试集平均水位与预测结果相关性分析

    Figure  5.  Correlation analysis between average water level in test set and prediction results

    图  6  每代最优适应度值变化曲线

    Figure  6.  Optimal fitness value curve for each generation

    图  7  初始方案引水结束46 h污染物浓度

    Figure  7.  Concentration of pollutants after the initial water diversion scheme for 46 h

    图  8  最优方案引水结束46 h污染物浓度

    Figure  8.  Concentration of pollutants after the optimal water diversion scheme for 46 h

    表  1  潮位资料

    Table  1.   Tidal level data

    时刻11:0011:2011:3012:0012:3013:0013:3014:0014:3014:4815:00
    潮位/m−1.50−1.00−0.450.000.501.001.431.892.302.502.63
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    表  2  人工岛内河道各测点最大流速统计

    Table  2.   Maximum flow rate statistics of various measuring points in rivers in artificial islands 单位:m/s

    测点实测速度模拟速度测点实测速度模拟速度
    d1 0.74 0.70 d4 0.39 0.35
    d2 0.38 0.35 d5 0.90 0.86
    d3 0.46 0.41 d6 0.99 1.00
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    表  3  引水方案样本及数值模拟结果

    Table  3.   Water diversion scheme and numerical simulation results

    样本开闸时刻引水时长/min引水结束最高水位/m引水结束最低水位/m平均水位/m46 h污染物平均浓度/%
    1 13:00 20 1.285 1.251 1.279 98.476
    2 13:00 40 1.589 1.558 1.573 93.695
    3 13:00 60 1.890 1.839 1.884 88.827
    4 13:00 80 2.179 2.153 2.171 84.787
    $ \vdots $ $ \vdots $ $ \vdots $ $ \vdots $ $ \vdots $ $ \vdots $ $ \vdots $
    43 14:30 30 6.575 5.107 5.919 52.568
    44 14:40 20 7.323 5.632 6.649 49.389
    45 14:50 10 4.093 3.263 3.906 66.399
    46 14:55 5 2.508 1.700 2.258 83.524
    下载: 导出CSV
  • [1] 杨莉玲, 王琳, 杨芳, 等. 口外岸线变化对茅尾海潮流动力及水体交换的影响[J]. 海洋环境科学,2019,38(4):582-588. (YANG Liling, WANG Lin, YANG Fang, et al. Impacts of the shoreline change in Qinzhou bay on the tide and water exchange of Maowei sea[J]. Marine Environmental Science, 2019, 38(4): 582-588. (in Chinese) doi:  10.12111/j.mes20190415
    [2] 陈妍宇, 宋德海, 鲍献文, 等. 胶州湾跨海大桥对海湾水体交换的影响[J]. 海洋与湖沼,2019,50(4):707-718. (CHEN Yanyu, SONG Dehai, BAO Xianwen, et al. Impact of the cross-bay bridge on water exchange in Jiaozhou Bay, Qingdao, China[J]. Oceanologia et Limnologia Sinica, 2019, 50(4): 707-718. (in Chinese) doi:  10.11693/hyhz20180900211
    [3] 匡翠萍, 俞露露, 顾杰, 等. 人工岛对金梦海湾水体交换的影响[J]. 中国环境科学,2019,39(2):757-767. (KUANG Cuiping, YU Lulu, GU Jie, et al. Influences of artificial island on water exchange of Jinmeng Bay[J]. China Environmental Science, 2019, 39(2): 757-767. (in Chinese) doi:  10.3969/j.issn.1000-6923.2019.02.039
    [4] 张志飞, 诸裕良, 何杰. 多年围填海工程对湛江湾水动力环境的影响[J]. 水利水运工程学报,2016(3):96-104. (ZHANG Zhifei, ZHU Yuliang, HE Jie. Influences of long term reclamation works on hydrodynamic environment in Zhanjiang bay[J]. Hydro-Science and Engineering, 2016(3): 96-104. (in Chinese)
    [5] 黄宗伟, 邓斌, 蒋昌波, 等. 环抱式港区水体交换能力数值研究——以闸坡渔港为例[J]. 海洋学研究,2018,36(1):66-74. (HUANG Zongwei, DENG Bin, JIANG Changbo, et al. Numerical simulation of water exchange capability for the encircled harbor: a case study of Zhapo fishing port[J]. Journal of Marine Sciences, 2018, 36(1): 66-74. (in Chinese) doi:  10.3969/j.issn.1001-909X.2018.01.007
    [6] 叶上扬. 城市景观湖泊水力改善技术及其数值模拟研究[D]. 上海: 上海交通大学, 2011.

    YE Shangyang. Research on the hydraulic improvement technology and numerical simulation in urban landscape lakes[D]. Shanghai: Shanghai Jiaotong University, 2011. (in Chinese)
    [7] 薛欢. 城市湖泊引清调水数值模拟与调度模式研究[D]. 南京: 河海大学, 2007.

    XUE Huan. Research on clean water diversion numeric simulation and water diversion scheme in urban lake[D]. Nanjing: Hohai University, 2007. (in Chinese)
    [8] 邵咏絮, 逄勇, 宋为威. 滨江游乐场人工湖水体富营养化整治措施研究[J]. 水资源与水工程学报,2018,29(6):113-121. (SHAO Yongxu, PANG Yong, SONG Weiwei. Research on eutrophication treatment methods of artificial lake in riverside playground[J]. Journal of Water Resources and Water Engineering, 2018, 29(6): 113-121. (in Chinese)
    [9] LIN H Y, CHEN Z Z, HU J Y, et al. Numerical simulation of the hydrodynamics and water exchange in Sansha Bay[J]. Ocean Engineering, 2017, 139: 85-94. doi:  10.1016/j.oceaneng.2017.04.031
    [10] 张学庆, 孙雅杰, 王兴, 等. 海州湾及毗邻海域水交换数值研究[J]. 海洋环境科学,2017,36(3):427-433. (ZHANG Xueqing, SUN Yajie, WANG Xing, et al. Modeling the water exchange in Haizhou bay and adjacent sea[J]. Marine Environmental Science, 2017, 36(3): 427-433. (in Chinese)
    [11] 龙腾, 刘建, WANG G G, 等. 基于计算试验设计与代理模型的飞行器近似优化策略探讨[J]. 机械工程学报,2016,52(14):79-105. (LONG Teng, LIU Jian, WANG G G, et al. Discuss on approximate optimization strategies using design of computer experiments and metamodels for flight vehicle design[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2016, 52(14): 79-105. (in Chinese) doi:  10.3901/JME.2016.14.079
    [12] 高学平, 朱洪涛, 闫晨丹, 等. 基于RBF代理模型的调水过程优化研究[J]. 水利学报,2019,50(4):439-447. (GAO Xueping, ZHU Hongtao, YAN Chendan, et al. Study on optimization of water transfer process based on RBF surrogate model[J]. Journal of Hydraulic Engineering, 2019, 50(4): 439-447. (in Chinese)
    [13] 郭玉雪, 张劲松, 郑在洲, 等. 南水北调东线工程江苏段多目标优化调度研究[J]. 水利学报,2018,49(11):1313-1327. (GUO Yuxue, ZHANG Jinsong, ZHENG Zaizhou, et al. Study on multi-objective optimal operation of Jiangsu Section of South-to-North Water Transfer Project[J]. Journal of Hydraulic Engineering, 2018, 49(11): 1313-1327. (in Chinese)
    [14] 韩东. 离岸式人工岛内河道水体湍流数值模拟与换水研究[D]. 天津: 天津大学, 2014.

    HAN Dong. Research on turbulent numerical simulation and water exchange in inner river course of offshore artificial island[D]. Tianjin: Tianjin University, 2014. (in Chinese)
    [15] 戚蓝, 韩东, 汪彭生, 等. 离岸式人工岛内河水体紊流数值模拟与换水研究[J]. 水道港口,2013,34(5):403-408. (QI Lan, HAN Dong, WANG Pengsheng, et al. Research on turbulent numerical simulation and water exchange in inner river course of offshore artificial island[J]. Journal of Waterway and Harbor, 2013, 34(5): 403-408. (in Chinese) doi:  10.3969/j.issn.1005-8443.2013.05.007
    [16] 耿艳芬, 王志力. 基于径向基函数神经网络的河网洪水泥沙预报[J]. 水利水运工程学报,2008(1):47-52. (GENG Yanfen, WANG Zhili. Sediment and flood forecast for river system based on radial basis function[J]. Hydro-Science and Engineering, 2008(1): 47-52. (in Chinese) doi:  10.3969/j.issn.1009-640X.2008.01.008
    [17] 顾杰, 胡成飞, 冒小丹, 等. 洋河水库泄洪对近岸海域水质的影响[J]. 海洋环境科学,2017,36(3):441-448. (GU Jie, HU Chengfei, MAO Xiaodan, et al. Influences of the Yanghe reservoir flood discharges on water quality in coastal waters[J]. Marine Environmental Science, 2017, 36(3): 441-448. (in Chinese)
    [18] 赖宇阳. Isight参数优化理论与实例详解[M]. 北京: 北京航空航天大学出版社, 2012.

    LAI Yuyang. Isight parameter optimization theory and example[M]. Beijing: Beihang University Press, 2012. (in Chinese)
    [19] 安伟刚, 李为吉. 改进的粒子群优化算法及其工程应用[J]. 机械科学与技术,2005,24(4):415-417. (AN Weigang, LI Weiji. An improved particle swarm optimization algorithm and its application to engineering[J]. Mechanical Science and Technology, 2005, 24(4): 415-417. (in Chinese) doi:  10.3321/j.issn:1003-8728.2005.04.011
  • [1] 祝龙, 周冬卉, 李云, 宣国祥, 王晓刚.  土坝溃决跌坎水流水动力特性数值模拟 . 水利水运工程学报,
    [2] 郦凯, 章卫胜, 王金华.  江苏沿海潮流数值模拟与潮流能估算 . 水利水运工程学报,
    [3] 陈琼, 李云, 刘本芹, 王小东.  高水头船闸一字闸门水动力特性数值模拟 . 水利水运工程学报,
    [4] 周志敏, 徐群, 雷蕾.  瓯江口滞流点运动规律数值模拟 . 水利水运工程学报,
    [5] 王敏, 程文, 施练东, 黄晶, 闵亮, 郑建刚.  汤浦水库泥沙冲淤分布数值模拟 . 水利水运工程学报,
    [6] 武昕竹, 柳淑学, 李金宣.  聚焦波浪与直立圆柱作用的数值模拟 . 水利水运工程学报,
    [7] 邓成进, 袁秋霜, 侯延华, 贾巍.  基于FLUENT的库区涌浪数值模拟 . 水利水运工程学报,
    [8] 郭武.  基于PSO的梯级水库联合防洪调度 . 水利水运工程学报,
    [9] 周作茂, 陈野鹰, 杨忠超.  双线船闸引航道水力特性数值模拟 . 水利水运工程学报,
    [10] 高江林, 陈云翔.  基于渗流与应力耦合的防渗墙与坝体相互作用的数值模拟 . 水利水运工程学报,
    [11] 陈策.  泰州大桥中塔沉井振动数值模拟 . 水利水运工程学报,
    [12] 陈辉,刘志雄,江耀祖.  引航道通航水流条件数值模拟 . 水利水运工程学报,
    [13] 葛旭峰,王长新,李琳.  陡坡后消力池内水跃的数值模拟 . 水利水运工程学报,
    [14] 马理强,常建忠,刘谋斌,刘汉涛.  基于SPH方法的溃坝流动数值模拟 . 水利水运工程学报,
    [15] 刘汉涛,常建忠,安康.  基于SPH的自由表面流动数值模拟 . 水利水运工程学报,
    [16] 莫思平,辛文杰,应强.  广州港深水出海航道伶仃航段回淤规律分析 . 水利水运工程学报,
    [17] 潘存鸿,鲁海燕,曾剑.  钱塘江涌潮特性及其数值模拟 . 水利水运工程学报,
    [18] 何杰,辛文杰.  潮汐河口汊道治理的数值模拟 . 水利水运工程学报,
    [19] 张蔚.  平原河网的水动力学及泥沙模型研究 . 水利水运工程学报,
    [20] 陈为博,杨敏.  用VOF方法数值模拟溢流堰流场 . 水利水运工程学报,
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-07-24
  • 网络出版日期:  2020-08-27

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