遺傳算法（GA）是一種優(yōu)化研究技術(shù)，它利用遺傳算子，從眾多的可能解中，選擇出優(yōu)秀的解決方法。在與自然選擇類似的過(guò)程中，篩選出每一代最適應(yīng)度的解，再一起生成最適應(yīng)的下一代解決方案cGA研究方法非常有效，能很快找到解決問(wèn)題的最佳組合。

一、什么是GA優(yōu)化法

　　1990年南澳大利亞阿德萊德大學(xué)的兩位教授開(kāi)始將GA優(yōu)化用于配水系統(tǒng)，作為其研究課題。Simpson和Dandy博土開(kāi)始研究如何利用GA優(yōu)化法為壓力管網(wǎng)建模。
　　Simpon，Dandy和Mmphy的早期工作是為快速水力管網(wǎng)解算機(jī)編程，下一步是開(kāi)發(fā)求解字串格式，以便程序能掌握，解釋GA優(yōu)化程序庫(kù)準(zhǔn)備的解決辦法。1992年GA管網(wǎng)技術(shù)在管線尺寸問(wèn)題上得到驗(yàn)證。1993年，他們?nèi)斯餐瓿闪硕嗥撐?，解釋GA優(yōu)化技術(shù)及在管網(wǎng)實(shí)際問(wèn)題中的應(yīng)用，包括在已有管網(wǎng)布局的條件下，選擇最佳管徑。
　　1994－95年，此研究小組就已能解決越來(lái)越復(fù)雜的管網(wǎng)規(guī)劃及設(shè)計(jì)問(wèn)題。
問(wèn)題涉及確定新水庫(kù)及管線的位置及尺寸，選擇敷設(shè)平行管線或清洗現(xiàn)有管線的方法，改建現(xiàn)有泵站。GA成功地確定了管線，水庫(kù)，泵的運(yùn)行進(jìn)度表最佳組合設(shè)計(jì)，費(fèi)用低，且能滿足將來(lái)高峰時(shí)段及消防用水的要求。

二、應(yīng)用GA優(yōu)化法的步驟

　　準(zhǔn)備和運(yùn)作GA分析法的步驟如下。舉例是相對(duì)簡(jiǎn)單的，關(guān)于敷設(shè)平行管線，優(yōu)化管徑（為管線、水庫(kù)、泵和網(wǎng)的定位，大小及設(shè)定的優(yōu)化研究將較復(fù)雜）基本步驟如下：
　　1．確定目標(biāo)：為盡量減少管線安裝費(fèi)，所有節(jié)點(diǎn)滿足需求，同時(shí)符合設(shè)計(jì)指標(biāo)，首先為新管線及平行敷設(shè)的管線定位，選擇管徑。從6英寸到30英寸的7種管徑，費(fèi)用及C值列在表1中。
　　2．建立求解字串格式：準(zhǔn)備一種格式來(lái)代表起決定作用變量（這里只有管徑人表1是基本二進(jìn)制字串格式。21條待定徑管線由63位二進(jìn)制字串反映出來(lái)。
　　3．形成最初的種群：100個(gè)字串隨機(jī)生成，每個(gè)代表1種解決方法。二進(jìn)制的子字串組成的每個(gè)字串代表有待變換的染色體。

表一 代碼格式及一種解決方案的字串 二進(jìn)制代碼 管徑英寸 費(fèi)用
美元/英尺 C值 000 0 0 - 001 8 20 115 010 10 25 115 011 12 30 115 100 16 45 120 101 20 60 120 110 24 80 120 111 30 110 120 表一 代碼格式及一種解決方案的字串 二制字串 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 110 111 111 111 111 001 100 011 011 000 010 管子序號(hào) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 管徑（英寸） 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 24 30 30 30 30 8 16 12 12 0 10

　　4．利用表1底部的管線查尋表，給100個(gè)字串的每個(gè)字串制碼。利用表中的單價(jià)及管線長(zhǎng)度可計(jì)算每種解決方案的總費(fèi)用。
　　5．分析管網(wǎng)水力狀況：按已知的需求方式，給管網(wǎng)進(jìn)行水力模似，壓力水頭與最小水頭比較，注意差額。
　　6．計(jì)算補(bǔ)償費(fèi)用，每種解決方法都有補(bǔ)償費(fèi)，做為差量值的函數(shù)，來(lái)達(dá)到規(guī)定的壓力指標(biāo)。
　　7．計(jì)算總費(fèi)用和適應(yīng)度，每種解法的總費(fèi)用為管網(wǎng)費(fèi)用加上補(bǔ)償費(fèi)。適應(yīng)度是總費(fèi)用的反量。適應(yīng)度最好的解決辦法是有好的水力狀況，而費(fèi)用低。
　　8．根據(jù)現(xiàn)有種群概率，生成一套新的ito種解法。適應(yīng)度越高，被選擇的概率越高。適應(yīng)度最小的不能存在，會(huì)被淘汰。
　　9．使用效操作符搭配每對(duì)字串：100個(gè)字串分成50對(duì)。每種解決辦法的任意部分與其搭配的相應(yīng)部分交換，產(chǎn)生兩個(gè)次級(jí)字串，代表兩個(gè)新的解決辦法。
　　10．使用突變基因操作符：改變字串中隨機(jī)選擇的染色體，從一種管徑變到另一種管徑，成為引進(jìn)并保留有價(jià)值遺傳資料的方法。
　　11．反復(fù)評(píng)價(jià)字串及連續(xù)產(chǎn)生數(shù)據(jù)組的過(guò)程：從第4－10步反復(fù)500－1000規(guī)次，或更多。每次復(fù)重過(guò)程中，將前20種或費(fèi)用最少的解決辦法貯存并修正，為設(shè)計(jì)者提供可行的，低費(fèi)用的選擇方案。

三、GA優(yōu)化的應(yīng)用

　　GA管網(wǎng)優(yōu)化技術(shù)應(yīng)用于配水系統(tǒng)的規(guī)劃和設(shè)計(jì)可確定可行的低費(fèi)用的解決方案：
　　1．新的配水系統(tǒng)：因?yàn)檐娛禄氐姆忾]，重新劃分，開(kāi)發(fā)一新區(qū)域。
　　2．現(xiàn)存系統(tǒng)擴(kuò)大：做為專家規(guī)劃研究的一部分，或基本建設(shè)改進(jìn)規(guī)劃的準(zhǔn)備工作。
　　3．老系統(tǒng)的改建包括管線更換，定徑，改建水池、泵、閥，改進(jìn)系統(tǒng)運(yùn)行。
　　4．分階段改進(jìn)基本建設(shè)規(guī)劃：直接尋找最優(yōu)年改進(jìn)方案，最大程度減小每年基建的費(fèi)用。
　　使用GA確定的近似優(yōu)化方案，可確保系統(tǒng)設(shè)計(jì)、運(yùn)行以最有效方式進(jìn)行。系統(tǒng)不斷改進(jìn)達(dá)到近似優(yōu)化的結(jié)構(gòu)越快，節(jié)省的費(fèi)用就越多。
　　GA技術(shù)還可優(yōu)化配水系統(tǒng)的正常運(yùn)行，或規(guī)劃異常事件。這兩種情況的目的都是減少運(yùn)行成本，同時(shí)滿足運(yùn)行要求。GA可分析的運(yùn)行問(wèn)題類型如下：
　　1．泵送進(jìn)度表：大型或復(fù)雜的配水系統(tǒng)。
　　2．確定系統(tǒng)貯水能力，達(dá)到均衡，滿足消防及緊急情況供水。
　　3．均衡不同水源的取水，費(fèi)用因季節(jié)及費(fèi)用率的不同而有變化。
　　4．混合多種水源，利用最小成本，達(dá)到水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。
　　5．為水庫(kù)，泵及壓力閥設(shè)運(yùn)行點(diǎn)。
　　6．干管破裂，設(shè)備故障及斷電，緊急情況應(yīng)付。
　　GA還可為相關(guān)水資源規(guī)劃，設(shè)計(jì)運(yùn)行問(wèn)題提供方案。將已知問(wèn)題以適當(dāng)格式表達(dá)，便可為以下問(wèn)題提供低成本的優(yōu)化方案：
　　·配水系統(tǒng)運(yùn)行，達(dá)到水質(zhì)目標(biāo)。
　　·多水庫(kù)系統(tǒng)的運(yùn)行。
　　·為管子定路線，最大限度減小使用期費(fèi)用。
　　幾乎所有問(wèn)題都可由GA優(yōu)化分析。成功的GA研究將找到最佳輸入組合，生成所需的輸出內(nèi)容直到找到費(fèi)用更低的解決方案為止。

四、GA分析法的優(yōu)點(diǎn)和益處

　　GA技術(shù)能從上百種起決定作用的變量中篩分管線、水庫(kù)、泵、閥等的最佳組合，達(dá)到最大限度減少基建及使用期費(fèi)用的目標(biāo)。在降低費(fèi)用的同時(shí)，系統(tǒng)的水力運(yùn)行狀良好。
　　設(shè)計(jì)中起決定作用的變量涉及至少以下方面：
　　●管網(wǎng)布置：
　　1．合并新管線
　　2．拆除現(xiàn)有管線
　　3．給現(xiàn)有管線平行敷設(shè)新管
　　4．為新的及附加水庫(kù)選擇位置
　　5.新泵選擇位置，或改良現(xiàn)有泵站
　　6．減壓閥選擇位置
　　●定尺寸
　　1．新管線的口徑、材質(zhì)
　　2．平行管線的口徑、材質(zhì)
　　3．新泵的大小，改良現(xiàn)有泵站
　　4.新的及附加水庫(kù)的大小
　　5．貯水池最佳正常運(yùn)行水位的選擇
　　● 改造
　　1．現(xiàn)有管線是否需清洗
　　2．現(xiàn)有泵是否需重新裝備
　　●運(yùn)行
　　1．泵的數(shù)量及運(yùn)行泵的組合
　　2．泵送進(jìn)度及運(yùn)行，確保水池不空，臨界期后補(bǔ)償水GA優(yōu)化法的益處很明顯，主要有：
　　1．GA優(yōu)化設(shè)計(jì)比常規(guī)設(shè)計(jì)費(fèi)用低，管線安裝費(fèi)預(yù)計(jì)可節(jié)省15％－30％，復(fù)雜設(shè)計(jì)會(huì)更多。
　　2．在相同費(fèi)用的情況下，GA確定可選擇的設(shè)計(jì)方案，其實(shí)際特性及結(jié)構(gòu)有很大不同。決策者可選擇可行的方案。
　　3．GA優(yōu)化選擇設(shè)計(jì)滿足所有負(fù)荷條件下的特定水力設(shè)計(jì)指標(biāo)。將GA設(shè)計(jì)法輸入原有摸擬模型的可得到確認(rèn)。
　　4，GA優(yōu)化設(shè)計(jì)符合管線口徑、泵的大小及特性、水庫(kù)大小。還可為管線清洗選擇方案。
　　GA優(yōu)化法已經(jīng)有許多成功應(yīng)用的實(shí)例，例如：澳大利亞阿德萊德的SeafordRise區(qū)域，修復(fù)了27條管線，應(yīng)用GA技術(shù)，節(jié)約費(fèi)用12％。美國(guó)科羅拉多柯林斯堡供水區(qū)域，其系統(tǒng)內(nèi)有326條管線，3座泵站，14個(gè)減壓閥和5個(gè)加壓區(qū)，利用GA法，為其確定了管線位置、管徑及減壓閥的最佳解決辦法，節(jié)省費(fèi)用49.2％，受到供水公司的好評(píng)。

馮 新 譯
何 玲 校