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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):40-47 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):40-47 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): 40-47. (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): 40-47. (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
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-07-24
  • 网络出版日期:  2020-08-27
  • 刊出日期:  2020-10-16

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