流域治理工程方案智能優(yōu)化研究現(xiàn)狀及研究方法

牛巖 葉勝蘭

摘 要：多目標(biāo)優(yōu)化是工程尋優(yōu)問(wèn)題的一個(gè)分支，同時(shí)也是工程管理問(wèn)題的一個(gè)重要方面。本文以石川河綜合整治項(xiàng)目為例，總結(jié)了流域工程方案智能優(yōu)化的研究現(xiàn)狀，并提出應(yīng)用粒子群算法解決流域治理工程方案智能優(yōu)化問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：流域治理 智能優(yōu)化 方案

一、項(xiàng)目背景

石川河綜合整治項(xiàng)目位于富平縣城南，北至南環(huán)路，東至京昆高速，西至金龍大道西側(cè)，石川河從用地內(nèi)穿過(guò)。石川河富平境內(nèi)全長(zhǎng)36.4公里，由于70年代上游修建桃曲坡水庫(kù)建壩蓄水，變成季節(jié)性河流。近年來(lái)，石川河除汛期外幾乎斷流，致使各類(lèi)建筑垃圾、生活垃圾堵塞，污水橫流，群眾反映強(qiáng)烈，縣委縣政府經(jīng)過(guò)多次規(guī)劃論證，決定實(shí)施石川河綜合整治項(xiàng)目。項(xiàng)目實(shí)施中為了滿足河道整治要求及兩岸濱河路施工要求，需進(jìn)行垃圾清理、表土剝離，同時(shí)利用客土分層覆土壓實(shí)回填表層土，以滿足不同工程的壓實(shí)度要求。覆土完成后應(yīng)及時(shí)種植喬木灌木，鋪設(shè)草皮，加強(qiáng)管護(hù)，以進(jìn)一步改良土壤。因此覆土方案的確定不僅決定了土壤生產(chǎn)力狀況，直接影響植物的生長(zhǎng)，同時(shí)，對(duì)土體穩(wěn)定性起決定性作用，而土體穩(wěn)定性也是工程建設(shè)的重點(diǎn)，另外，覆土方案也決定了工程成本，覆土厚度增加或減少幾厘米，工程量和費(fèi)用投入是不容小視的。在保證植物正常生長(zhǎng)，土體穩(wěn)定的前提下，降低工程成本，確定最合理的覆土方案是流域治理項(xiàng)目中的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題之一，也是工程項(xiàng)目多目標(biāo)優(yōu)化的一個(gè)問(wèn)題。

二、研究現(xiàn)狀

多目標(biāo)優(yōu)化是工程尋優(yōu)問(wèn)題的一個(gè)分支，同時(shí)也是工程管理問(wèn)題的一個(gè)重要方面。隨著人類(lèi)社會(huì)的不斷發(fā)展，工程管理由簡(jiǎn)單到復(fù)雜改變，工程項(xiàng)目目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題也由過(guò)去的單目標(biāo)優(yōu)化逐漸向多目標(biāo)優(yōu)化演化。優(yōu)化的方法主要分為傳統(tǒng)多目標(biāo)優(yōu)化方法與人工智能優(yōu)化方法，人工智能方法主要有人工免疫系統(tǒng)算法、遺傳算法以及粒子群算法（PSO）等。對(duì)于基于傳統(tǒng)方法的研究，由于傳統(tǒng)的多目標(biāo)優(yōu)化算法已經(jīng)發(fā)展得很成熟，國(guó)內(nèi)的研究基本同步于國(guó)外的研究。如約束法、分層序列法、線性加權(quán)法、線性規(guī)劃、可微可導(dǎo)等等，已經(jīng)成為一個(gè)很成熟的理論[1]。對(duì)于PSO的研究，國(guó)內(nèi)對(duì)于PSO的研究起步也相對(duì)比較晚，曾建潮和崔志華[2]利用分段進(jìn)化的思想，切斷微粒種群的記憶并利用上一代的最優(yōu)解在新種群求更優(yōu)解，反復(fù)進(jìn)行直至找到滿意適應(yīng)度的解，大大提高了解的精度。對(duì)于人工免疫系統(tǒng)算法的研究，國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)人工免疫系統(tǒng)算法的研究遲于國(guó)外，直到1998年才出版了《免疫的非線性模型》（漆安慎等）一書(shū)，此后國(guó)內(nèi)的學(xué)者也相繼提出了自己的人工免疫系統(tǒng)算法，他們的算法對(duì)于解決早熟、陷入局部收斂問(wèn)題以及加快收斂速度問(wèn)題具有較大作用，如周偉良[3]、王煦法[4]、王維博[5]等等。對(duì)于基于遺傳智能算法的研究，國(guó)學(xué)者在近幾年也取得了一些的成果。如武漢大學(xué)的康立山、閏震宇等人的研究，提出了基于進(jìn)化算法的島嶼遷移問(wèn)題;中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)的李森、崔遜學(xué)等人的研究，較滿意地解決了遺傳算法在處理高維多目標(biāo)優(yōu)化中存在的問(wèn)題。國(guó)內(nèi)比較常見(jiàn)的遺傳智能算法有：向量評(píng)估遺傳算法、多性別遺傳算法、多目標(biāo)遺傳算法、非劣分層遺傳算法、小組決勝遺傳算法等等。綜上，人工智能優(yōu)化方法理論及實(shí)踐目前已經(jīng)發(fā)展地相對(duì)成熟，但鮮少有學(xué)者將此方法應(yīng)用到流域治理項(xiàng)目中涉及到的工程方案選擇問(wèn)題上。

三、研究方法

粒子群優(yōu)化算法[6-8]（PSO）是近幾年來(lái)發(fā)展迅速的一種基于群體智能的優(yōu)化算法，其基本思想源于對(duì)鳥(niǎo)類(lèi)的群體行為建模及仿真研究結(jié)果。鳥(niǎo)群復(fù)雜群體行為的三條簡(jiǎn)單準(zhǔn)則是：（1）為避免碰撞而遠(yuǎn)離最近的個(gè)體;（2）盡量向目標(biāo)靠近;（3）盡量向群體的中心靠近。鳥(niǎo)群內(nèi)的每個(gè)個(gè)體采用上述規(guī)則所描述的行為，這就是PSO的基本概念之一。PSO的另一基本概念是人們決策是依靠自身的經(jīng)驗(yàn)及他人的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行的。PSO在更新粒子時(shí)沒(méi)有交叉、變異等進(jìn)化操作，而是依據(jù)自身的速度決定搜索，且每個(gè)粒子都有記憶。在優(yōu)化過(guò)程中，只有當(dāng)前最佳的個(gè)體（即離目標(biāo)最近的粒子）能給其他粒子提供信息，這是信息的單向流動(dòng)過(guò)程，粒子更新過(guò)程都跟隨當(dāng)前最優(yōu)解的過(guò)程。與遺傳算法相比，粒子群算法在多數(shù)情況下所有粒子都能更快收斂于全局最優(yōu)解，因此，粒子群算法比遺傳算法的計(jì)算要簡(jiǎn)單高效。

四、總結(jié)

本文以石川河綜合整治項(xiàng)目為例，通過(guò)閱讀大量文獻(xiàn)，總結(jié)了流域工程方案智能優(yōu)化的研究現(xiàn)狀，并提出了研究方法，以期為類(lèi)似流域治理項(xiàng)目覆土工程方案選擇提供借鑒。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介：牛巖（1989–），女，山西運(yùn)城人，碩士，主要從事土地工程方面研究

基金項(xiàng)目：陜西地建土地工程技術(shù)研究院內(nèi)部預(yù)研項(xiàng)目2019-NBYY-04