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

一、什么是GA優化法

　　1990年南澳大利亞阿德萊德大學的兩位教授開始將GA優化用于配水系統，作為其研究課題。Simpson和Dandy博土開始研究如何利用GA優化法為壓力管網建模。
　　Simpon，Dandy和Mmphy的早期工作是為快速水力管網解算機編程，下一步是開發求解字串格式，以便程序能掌握，解釋GA優化程序庫準備的解決辦法。1992年GA管網技術在管線尺寸問題上得到驗證。1993年，他們三人共同完成了多篇論文，解釋GA優化技術及在管網實際問題中的應用，包括在已有管網布局的條件下，選擇最佳管徑。
　　1994－95年，此研究小組就已能解決越來越復雜的管網規劃及設計問題。
問題涉及確定新水庫及管線的位置及尺寸，選擇敷設平行管線或清洗現有管線的方法，改建現有泵站。GA成功地確定了管線，水庫，泵的運行進度表最佳組合設計，費用低，且能滿足將來高峰時段及消防用水的要求。

二、應用GA優化法的步驟

　　準備和運作GA分析法的步驟如下。舉例是相對簡單的，關于敷設平行管線，優化管徑（為管線、水庫、泵和網的定位，大小及設定的優化研究將較復雜）基本步驟如下：
　　1．確定目標：為盡量減少管線安裝費，所有節點滿足需求，同時符合設計指標，首先為新管線及平行敷設的管線定位，選擇管徑。從6英寸到30英寸的7種管徑，費用及C值列在表1中。
　　2．建立求解字串格式：準備一種格式來代表起決定作用變量（這里只有管徑人表1是基本二進制字串格式。21條待定徑管線由63位二進制字串反映出來。
　　3．形成最初的種群：100個字串隨機生成，每個代表1種解決方法。二進制的子字串組成的每個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 二進制代碼 管徑英寸 費用
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 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個字串的每個字串制碼。利用表中的單價及管線長度可計算每種解決方案的總費用。
　　5．分析管網水力狀況：按已知的需求方式，給管網進行水力模似，壓力水頭與最小水頭比較，注意差額。
　　6．計算補償費用，每種解決方法都有補償費，做為差量值的函數，來達到規定的壓力指標。
　　7．計算總費用和適應度，每種解法的總費用為管網費用加上補償費。適應度是總費用的反量。適應度最好的解決辦法是有好的水力狀況，而費用低。
　　8．根據現有種群概率，生成一套新的ito種解法。適應度越高，被選擇的概率越高。適應度最小的不能存在，會被淘汰。
　　9．使用效操作符搭配每對字串：100個字串分成50對。每種解決辦法的任意部分與其搭配的相應部分交換，產生兩個次級字串，代表兩個新的解決辦法。
　　10．使用突變基因操作符：改變字串中隨機選擇的染色體，從一種管徑變到另一種管徑，成為引進并保留有價值遺傳資料的方法。
　　11．反復評價字串及連續產生數據組的過程：從第4－10步反復500－1000規次，或更多。每次復重過程中，將前20種或費用最少的解決辦法貯存并修正，為設計者提供可行的，低費用的選擇方案。

三、GA優化的應用

　　GA管網優化技術應用于配水系統的規劃和設計可確定可行的低費用的解決方案：
　　1．新的配水系統：因為軍事基地的封閉，重新劃分，開發一新區域。
　　2．現存系統擴大：做為專家規劃研究的一部分，或基本建設改進規劃的準備工作。
　　3．老系統的改建包括管線更換，定徑，改建水池、泵、閥，改進系統運行。
　　4．分階段改進基本建設規劃：直接尋找最優年改進方案，最大程度減小每年基建的費用。
　　使用GA確定的近似優化方案，可確保系統設計、運行以最有效方式進行。系統不斷改進達到近似優化的結構越快，節省的費用就越多。
　　GA技術還可優化配水系統的正常運行，或規劃異常事件。這兩種情況的目的都是減少運行成本，同時滿足運行要求。GA可分析的運行問題類型如下：
　　1．泵送進度表：大型或復雜的配水系統。
　　2．確定系統貯水能力，達到均衡，滿足消防及緊急情況供水。
　　3．均衡不同水源的取水，費用因季節及費用率的不同而有變化。
　　4．混合多種水源，利用最小成本，達到水質標準。
　　5．為水庫，泵及壓力閥設運行點。
　　6．干管破裂，設備故障及斷電，緊急情況應付。
　　GA還可為相關水資源規劃，設計運行問題提供方案。將已知問題以適當格式表達，便可為以下問題提供低成本的優化方案：
　　·配水系統運行，達到水質目標。
　　·多水庫系統的運行。
　　·為管子定路線，最大限度減小使用期費用。
　　幾乎所有問題都可由GA優化分析。成功的GA研究將找到最佳輸入組合，生成所需的輸出內容直到找到費用更低的解決方案為止。

四、GA分析法的優點和益處

　　GA技術能從上百種起決定作用的變量中篩分管線、水庫、泵、閥等的最佳組合，達到最大限度減少基建及使用期費用的目標。在降低費用的同時，系統的水力運行狀良好。
　　設計中起決定作用的變量涉及至少以下方面：
　　●管網布置：
　　1．合并新管線
　　2．拆除現有管線
　　3．給現有管線平行敷設新管
　　4．為新的及附加水庫選擇位置
　　5.新泵選擇位置，或改良現有泵站
　　6．減壓閥選擇位置
　　●定尺寸
　　1．新管線的口徑、材質
　　2．平行管線的口徑、材質
　　3．新泵的大小，改良現有泵站
　　4.新的及附加水庫的大小
　　5．貯水池最佳正常運行水位的選擇
　　● 改造
　　1．現有管線是否需清洗
　　2．現有泵是否需重新裝備
　　●運行
　　1．泵的數量及運行泵的組合
　　2．泵送進度及運行，確保水池不空，臨界期后補償水GA優化法的益處很明顯，主要有：
　　1．GA優化設計比常規設計費用低，管線安裝費預計可節省15％－30％，復雜設計會更多。
　　2．在相同費用的情況下，GA確定可選擇的設計方案，其實際特性及結構有很大不同。決策者可選擇可行的方案。
　　3．GA優化選擇設計滿足所有負荷條件下的特定水力設計指標。將GA設計法輸入原有摸擬模型的可得到確認。
　　4，GA優化設計符合管線口徑、泵的大小及特性、水庫大小。還可為管線清洗選擇方案。
　　GA優化法已經有許多成功應用的實例，例如：澳大利亞阿德萊德的SeafordRise區域，修復了27條管線，應用GA技術，節約費用12％。美國科羅拉多柯林斯堡供水區域，其系統內有326條管線，3座泵站，14個減壓閥和5個加壓區，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，節省費用49.2％，受到供水公司的好評。

馮 新 譯
何 玲 校