專利名稱：城市雨水管道的設計方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及一種城市雨水管道的設計方法，特別是涉及一種采用約束穩(wěn)定收斂加速遺傳算法計算城市雨水管道的管徑設計中重要設計參數(shù)----城市暴雨強度公式的方法，是對城市暴雨強度公式的傳統(tǒng)計算方法的改進，屬于市政排水及計算機應用技術(shù)領域，可廣泛應用于各地區(qū)的城市暴雨強度公式的計算及城市雨水管道的管徑設計中。
背景技術(shù)：
目前城市排水體制的潮流是分流制。即污水和雨水分別由污水管道和雨水管道收集和輸送，污水進入城市污水處理廠，雨水直接排入水體。因此，雨水管道設計指導思想是及時、迅速地排除降雨形成的地面徑流。據(jù)測定城市中的降雨量的90％將形成徑流。因此，隨著城市發(fā)展，雨水徑流量將大大增加，如果城市雨水管道的管徑設計不當，則雨水徑流將不能快速排出，從而給城市建設和人民生活造成損失。
作為城市防洪和排水設計的基礎依據(jù)是暴雨強度預測，其準確與否直接關系到和城市基礎設施建設的科學性和經(jīng)濟合理性。而作為暴雨強度預測的核心是城市暴雨強度公式，傳統(tǒng)的建立城市暴雨強度公式，一般根據(jù)當?shù)貧庀笈_(站)自計雨量資料，采用統(tǒng)計計算方法確定，存在著費時費力、準確性差、統(tǒng)計資料多和計算工作量大的缺點。
為快速和精確地建立城市暴雨強度公式提供先進可靠的方法，近幾年在城市暴雨公式推求中很多人提出了用遺傳算法解決參數(shù)尋優(yōu)的一般過程，但大部分人都只重視遺傳算法形式，而沒有真正地從遺傳算法的本質(zhì)上去考慮問題，而且基本遺傳算法收斂速度慢，易陷入局部最優(yōu)問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，通過對現(xiàn)有用基本遺傳算法推求城市暴雨公式的方法進行改進，給出了一種采用約束穩(wěn)定收斂加速遺傳算法推求城市暴雨公式的設計城市雨水管道的方法。本發(fā)明是在基本遺傳算法的基礎上，通過改變以往遺傳算法的終止條件，構(gòu)成了一種改進的推求暴雨強度公式新方法，有效地解決了基本遺傳算法存在的收斂速度慢，容易陷入局部最優(yōu)的問題，并具有收斂速度快、數(shù)值穩(wěn)定性好等特點。
本發(fā)明給出的技術(shù)方案是這種城市雨水管道的設計方法，包括有下列步驟1.使用能夠支持Visual Basic 6.0的計算機，將所掌握的城市降雨原始資料以數(shù)據(jù)庫或文本的形式輸入到計算機中并在儲存器中保存；2.調(diào)用硬盤中的原始降雨數(shù)據(jù)到計算機內(nèi)存RAM中，在中央處理器CPU中進行數(shù)據(jù)整理；3.對經(jīng)過初步處理后的數(shù)據(jù)進行頻率分析，得出i-t-P表，傳達給計算機終端的顯示器；4.通過計算機中央處理器調(diào)用“約束穩(wěn)定收斂加速遺傳算法程序”，并對已有的i-t-P表進行計算，進而推求出城市暴雨強度公式；5.使用已得的暴雨強度公式計算出城市雨水管道的管徑并用計算機終端的打印機輸出。
為更好的實現(xiàn)本發(fā)明的目的，當采用約束穩(wěn)定收斂加速遺傳算法程序推求出城市暴雨強度公式時，包括有下列步驟(1).輸入?yún)?shù)A1、b、C、n的取值范圍；并設定種群規(guī)模mc；交叉率pc；變異率pm；(2).設置后一次內(nèi)循環(huán)誤差小于前一次內(nèi)循環(huán)誤差的連續(xù)次數(shù)LEF，即計數(shù)器的初始值為0；并設置加速遺傳進化的次數(shù)TT值為0；
(3).均勻隨機生成參數(shù)初始父代種群樣本，并規(guī)定此進化代數(shù)Tc為1；(4).計算父代種群樣本的適應度SYD和累積概率，并按照累積概率選擇新一代個體；(5).計算新一代個體的適應度SYD(1)，并與父代種群樣本的適應度SYD進行比較；(6).結(jié)果為是，則把新一代個體的適應度SYD(1)賦值給父代種群樣本的適應度SYD，并令二者代數(shù)連續(xù)接近的次數(shù)LTC為0；(7).判斷家屬參數(shù)遺傳進化的次數(shù)TT的值是否大于25代；(8).結(jié)果為是，則計算該參數(shù)下的暴雨強度公式的誤差EF；(9).判斷公式計算誤差EF是否大于前一次的計算誤差EF0；(10).結(jié)果為是，則把計數(shù)器LEF的值加1，并判斷LEF是否大于10；(11).結(jié)果為是，則結(jié)果符合要求，返回參數(shù)值A1、b、C、n以及城市暴雨強度公式，結(jié)束；(12).步驟(5)的結(jié)果為否，則令代數(shù)連續(xù)接近的次數(shù)LTC值加1，并判斷LTC值是否大于10代；(13).結(jié)果為是，則進入步驟(8)的開始端；結(jié)果為否，則把加速遺傳進化的次數(shù)TT值加1；(14).雜交生成下一代個體種群，并對此種群做變異操作，再判斷進化代數(shù)Tc是否為2；結(jié)果為是，則選擇10個最優(yōu)秀的個體，再與另外10個優(yōu)秀個體組成新的參數(shù)變化空間，進入步驟(3)的開始端；步驟(14)的結(jié)果為否，則選擇最優(yōu)秀的10個個體，返回步驟(4)的開始端；步驟(7)的結(jié)果為否，則進入步驟(13)的開始端；步驟(9)的結(jié)果為否，則把公式計算誤差EF賦值給前一次的計算誤差EF0，并重設計數(shù)器LEF為0，返回步驟(3)的開始端；步驟(10)的結(jié)果為否，則返回步驟(3)的開始端。
本發(fā)明的原理是提出了內(nèi)、外循環(huán)處于約束穩(wěn)定收斂作為算法的終止條件。內(nèi)循環(huán)約束穩(wěn)定收斂是指前一代種群的平均適應度與后一代種群的平均適應度接近的連續(xù)次數(shù)超過預先設定值，或遺傳進化的代數(shù)超過預先設定值終止條件；外循環(huán)約束穩(wěn)定收斂是指把多次內(nèi)循環(huán)結(jié)果的誤差進行比較，當后一次內(nèi)循環(huán)誤差小于前一次內(nèi)循環(huán)誤差的連續(xù)次數(shù)超過預先設定值時，退出程序，并將該次內(nèi)循環(huán)的結(jié)果作為問題的最優(yōu)解。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是在基本遺傳算法的基礎上，通過改變以往遺傳算法的終止條件，提出了一種改進的推求暴雨強度公式新方法，有效地解決了基本遺傳算法存在的收斂速度慢，容易陷入局部最優(yōu)的問題，并具有收斂速度快、數(shù)值穩(wěn)定性好等特點。


圖1為本發(fā)明給出實施例的工藝流程圖；圖2為圖1中采用約束穩(wěn)定收斂加速遺傳算法程序推求出城市暴雨強度公式時的程序框圖。
圖中判斷選擇部分的箭頭方向，橫向表示否，豎向表示是。
具體實施例方式
如圖1所示，這種城市雨水管道的設計方法，包括有下列步驟1.使用能夠支持Visual Basic6.0的計算機，將所掌握的城市降雨原始資料以數(shù)據(jù)庫或文本的形式手動輸入到計算機中，并在硬盤中儲存，根據(jù)原始降雨資料年數(shù)的不同來決定硬盤剩余空間的大小，一般不小于20M；2.調(diào)用硬盤中的原始降雨數(shù)據(jù)到計算機內(nèi)存RAM中，應用計算機本身的數(shù)據(jù)處理功能，在中央處理器CPU中進行數(shù)據(jù)整理，由于運算速度的需要，原則上要求奔騰三以上的處理器；3.對經(jīng)過初步處理后的數(shù)據(jù)進行頻率分析，得出i-t-P表，傳達給計算機終端的顯示器，并將i-t-P表存儲到硬盤中，以備使用；4.通過計算機中央處理器調(diào)用“約束穩(wěn)定收斂加速遺傳算法程序”，并對已有的i-t-P表進行計算，進而推求出城市暴雨強度公式，并將所得數(shù)據(jù)在硬盤中做備份；5.使用已得的暴雨強度公式計算出城市雨水管道的管徑，并用計算機終端的打印機輸出。
如圖2所示，當采用約束穩(wěn)定收斂加速遺傳算法程序推求出城市暴雨強度公式時，包括有下列步驟(1).輸入?yún)?shù)A1、b、C、n的取值范圍；并設定種群規(guī)模mc；交叉率pc；變異率pm；(2).設置后一次內(nèi)循環(huán)誤差小于前一次內(nèi)循環(huán)誤差的連續(xù)次數(shù)LEF，即計數(shù)器的初始值為0；并設置加速遺傳進化的次數(shù)TT值為0；(3).均勻隨機生成參數(shù)初始父代種群樣本，并規(guī)定此進化代數(shù)Tc為1；(4).計算父代種群樣本的適應度SYD和累積概率，并按照累積概率選擇新一代個體；(5).計算新一代個體的適應度SYD(1)，并與父代種群樣本的適應度SYD進行比較；(6).結(jié)果為是，則把新一代個體的適應度SYD(1)賦值給父代種群樣本的適應度SYD，并令二者代數(shù)連續(xù)接近的次數(shù)LTC為0；(7).判斷家屬參數(shù)遺傳進化的次數(shù)TT的值是否大于25代；(8).結(jié)果為是，則計算該參數(shù)下的暴雨強度公式的誤差EF；(9).判斷公式計算誤差EF是否大于前一次的計算誤差EF0；(10).結(jié)果為是，則把計數(shù)器LEF的值加1，并判斷LEF是否大于10；(11).結(jié)果為是，則結(jié)果符合要求，返回參數(shù)值A1、b、C、n以及城市暴雨強度公式，結(jié)束；(12).步驟(5)的結(jié)果為否，則令代數(shù)連續(xù)接近的次數(shù)LTC值加1，并判斷LTC值是否大于10代；(13).結(jié)果為是，則進入步驟(8)的開始端；結(jié)果為否，則把加速遺傳進化的次數(shù)TT值加1；(14).雜交生成下一代個體種群，并對此種群做變異操作，再判斷進化代數(shù)Tc是否為2；結(jié)果為是，則選擇10個最優(yōu)秀的個體，再與另外10個優(yōu)秀個體組成新的參數(shù)變化空間，進入步驟(3)的開始端；步驟(14)的結(jié)果為否，則選擇最優(yōu)秀的10個個體，返回步驟(4)的開始端；步驟(7)的結(jié)果為否，則進入步驟(13)的開始端；步驟(9)的結(jié)果為否，則把公式計算誤差EF賦值給前一次的計算誤差EF0，并重設計數(shù)器LEF為0，返回步驟(3)的開始端；步驟(10)的結(jié)果為否，則返回步驟(3)的開始端。
本發(fā)明推求城市暴雨強度公式參數(shù)的具體過程，也可用下列步驟來描述第一步編碼。采用二進制數(shù)編碼，為保證A1、C、b、n的計算結(jié)果至少有3位有效數(shù)字，每個個體對應的二進制數(shù)字串長度為47。
第二步均勻隨機生成初始父代個體，群體規(guī)模M＝400。
第三步解碼。按公式x=a+(b-a)Σk=1egk·2e-k2e-1]]>把父代個體解碼。
第四步計算概率和累積概率。按下式Q(x)=Σi=1iΣj=1m[A1(ClogTi)/(tj+b)n-ij]2]]>計算每個個體對應的目標函數(shù)值，并按下式Fit(Pos)=2-SP+2(SP-1)(Pos-1)N-1,SP∈[1.0,2.0]]]>計算適應度。再按下式pi=1N[η+-(η+-η-)i-1N-1]]]>計算選擇概率，然后計算累積概率。
第五步選擇。采用輪盤賭選擇法，按照累積概率選擇個體，群體規(guī)模M＝400。
第六步交叉。采用雙點交叉算子。交叉概率pc＝0.8。
第七步變異。采用雙點變異算子。變異概率pa＝0.025。
第八步由上步得到的400個子代個體作為下一輪進化過程的父代，算法轉(zhuǎn)入第三步，如此反復迭代，直到滿足程序運行終止條件。
第九步，即在內(nèi)循環(huán)情況下，把第一代、第二代所產(chǎn)生的優(yōu)秀個體的參數(shù)變化空間作為模型參數(shù)的新的變化空間，然后轉(zhuǎn)入第一步。
權(quán)利要求
1.一種城市雨水管道的設計方法，其特征在于包括有下列步驟①.使用能夠支持Visual Basic 6.0的計算機，將所掌握的城市降雨原始資料以數(shù)據(jù)庫或文本的形式輸入到計算機中并在儲存器中保存；②.調(diào)用硬盤中的原始降雨數(shù)據(jù)到計算機內(nèi)存RAM中，在中央處理器CPU中進行數(shù)據(jù)整理；③.對經(jīng)過初步處理后的數(shù)據(jù)進行頻率分析，得出i-t-P表，傳達給計算機終端的顯示器；④.通過計算機中央處理器調(diào)用“約束穩(wěn)定收斂加速遺傳算法程序”，并對已有的i-t-P表進行計算，進而推求出城市暴雨強度公式；⑤.使用已得的暴雨強度公式計算出城市雨水管道的管徑并用計算機終端的打印機輸出。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的城市雨水管道的設計方法，其特征在于當采用約束穩(wěn)定收斂加速遺傳算法程序推求出城市暴雨強度公式時，包括有下列步驟(1).輸入?yún)?shù)A1、b、C、n的取值范圍；并設定種群規(guī)模mc；交叉率pc；變異率pm；(2).設置后一次內(nèi)循環(huán)誤差小于前一次內(nèi)循環(huán)誤差的連續(xù)次數(shù)LEF，即計數(shù)器的初始值為0；并設置加速遺傳進化的次數(shù)TT值為0；(3).均勻隨機生成參數(shù)初始父代種群樣本，并規(guī)定此進化代數(shù)Tc為1；(4).計算父代種群樣本的適應度SYD和累積概率，并按照累積概率選擇新一代個體；(5).計算新一代個體的適應度SYD(1)，并與父代種群樣本的適應度SYD進行比較；(6).結(jié)果為是，則把新一代個體的適應度SYD(1)賦值給父代種群樣本的適應度SYD，并令二者代數(shù)連續(xù)接近的次數(shù)LTC為0；(7).判斷家屬參數(shù)遺傳進化的次數(shù)TT的值是否大于25代；(8).結(jié)果為是，則計算該參數(shù)下的暴雨強度公式的誤差EF；(9).判斷公式計算誤差EF是否大于前一次的計算誤差EF0；(10).結(jié)果為是，則把計數(shù)器LEF的值加1，并判斷LEF是否大于10；(11).結(jié)果為是，則結(jié)果符合要求，返回參數(shù)值A1、b、C、n以及城市暴雨強度公式，結(jié)束；(12).步驟(5)的結(jié)果為否，則令代數(shù)連續(xù)接近的次數(shù)LTC值加1，并判斷LTC值是否大于10代；(13).結(jié)果為是，則進入步驟(8)的開始端；結(jié)果為否，則把加速遺傳進化的次數(shù)TT值加1；(14).雜交生成下一代個體種群，并對此種群做變異操作，再判斷進化代數(shù)Tc是否為2；結(jié)果為是，則選擇10個最優(yōu)秀的個體，再與另外10個優(yōu)秀個體組成新的參數(shù)變化空間，進入步驟(3)的開始端；步驟(14)的結(jié)果為否，則選擇最優(yōu)秀的10個個體，返回步驟(4)的開始端；步驟(7)的結(jié)果為否，則進入步驟(13)的開始端；步驟(9)的結(jié)果為否，則把公式計算誤差EF賦值給前一次的計算誤差EF0，并重設計數(shù)器LEF為0，返回步驟(3)的開始端；步驟(10)的結(jié)果為否，則返回步驟(3)的開始端。
全文摘要
一種城市雨水管道的設計方法，包括有下列步驟1.將所掌握的城市降雨原始資料以數(shù)據(jù)庫或文本的形式輸入到計算機中；2.調(diào)用硬盤中的原始降雨數(shù)據(jù)到計算機中央處理器CPU中進行數(shù)據(jù)整理；3.對經(jīng)過初步處理后的數(shù)據(jù)進行頻率分析，得出i－t－P表；4.通過計算機中央處理器調(diào)用“約束穩(wěn)定收斂加速遺傳算法程序”，并對已有的i－t－P表進行計算，進而推求出城市暴雨強度公式；5.使用已得的暴雨強度公式計算出城市雨水管道的管徑。本發(fā)明通過改變以往遺傳算法的終止條件，提出了一種改進的推求暴雨強度公式新方法，有效地解決了基本遺傳算法存在的收斂速度慢，容易陷入局部最優(yōu)的問題，并具有收斂速度快、數(shù)值穩(wěn)定性好等特點。
文檔編號G06N3/00GK1790345SQ200510048079
公開日2006年6月21日 申請日期2005年12月20日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月20日
發(fā)明者傅金祥, 林齊 申請人:沈陽建筑大學