[发明专利]一种基于遗传算法的矩形渠道断面参数优化计算方法

说明书

本发明提供一种基于遗传算法的矩形渠道断面参数优化计算方法，该计算方法包括以下步骤：步骤一：MATLAB遗传算法工具箱中设定遗传算法主要参数；步骤二：MATLAB遗传算法生成设计变量，渠道底宽、混凝土衬砌厚度，传递数据给COMSOL；步骤三：COMSOL软件建立参数化灌溉渠道断面模型，进行仿真计算，将混凝土衬砌稳定计算结果传回MATLAB；步骤四：MATLAB中分析混凝土衬砌稳定计算结果是否满足要求；步骤五：MATLAB中计算目标函数；步骤六：MATLAB中进行选择、交叉、变异操作，生成下一代种群，通过MATLAB与COMSOL联合仿真进行灌溉渠道断面参数优化设计，即可充分利用MATLAB强大的数据处理和优化设计能力，又可充分利用COMSOL计算能力强和计算结果精准的优点。

技术领域

本发明是一种基于遗传算法的矩形渠道断面参数优化计算方法，属于农业水利工程技术领域。

背景技术

灌溉渠道是高标准农田采用的主要输水方式，在高寒地区，混凝土衬砌渠道极易发生冻胀破坏，造成渠道输水的过程中大部分水都发生了渗漏，导致灌溉水利用系数低下。所以，寻求合理的渠道断面参数设计方法，将直接影响到灌溉渠道是否可以安全可靠运行。

传统的混凝土衬砌渠道断面优化设计仅以优化水力断面为目标，使用MATLAB运行优化算法，求解渠道断面几何参数。但是灌溉渠道冻胀安全涉及到温度、固体、流体等多物理场，传统的数学模型难以准确计算渠道断面参数。灌溉渠道断面设计过程中还存在诸多问题亟待解决，如数学模型精度低、计算时间长等。因此，提出一种改进的技术方案以解决上述问题就显得迫在眉睫。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明目的是提供一种基于遗传算法的矩形渠道断面参数优化计算方法，以解决上述背景技术中提出的问题，本发明利用MATLAB与COMSOL进行联合仿真，快速、准确的求解灌溉渠道断面最优参数。

为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：一种基于遗传算法的矩形渠道断面参数优化计算方法，该计算方法包括以下步骤：

步骤一：MATLAB遗传算法工具箱中设定遗传算法主要参数；

步骤二：MATLAB遗传算法生成设计变量，渠道底宽、混凝土衬砌厚度，传递数据给COMSOL；

步骤三：COMSOL软件建立参数化灌溉渠道断面模型，进行仿真计算，将混凝土衬砌稳定计算结果传回MATLAB；

步骤四：MATLAB中分析混凝土衬砌稳定计算结果是否满足要求；

步骤五：MATLAB中计算目标函数；

步骤六：MATLAB中进行选择、交叉、变异操作，生成下一代种群。

进一步地，所述步骤一的具体方法为：调用MATLAB软件遗传算法工具箱，设定遗传算法主要参数：初始种群规模为100，遗传终止代数MAXGEN=100；选择算子采用锦标赛方式，选择概率为4；交叉算子采用中间交叉算子，交叉概率为1，变异算子采用均一变异，变异概率为1。

进一步地，所述步骤二的具体方法为：在MATLAB中运行遗传算法，初始化种群，将渠道底宽、设计水深、混凝土衬砌厚度作为设计变量，MATLAB利用COMSOL Multiphysicswith MATLAB数据接口，传递初始条件、设计变量给COMSOL进行建模。

进一步地，所述步骤三的具体方法为：在COMSOL软件中，建立矩形灌溉渠道矩形断面参数化模型，根据MATLAB传递过来的数据，生成几何图形，建立网格，设置边界条件，完成仿真计算后，再通过COMSOL Multiphysics with MATLAB数据接口将混凝土衬砌稳定计算结果传回MATLAB。

进一步地，所述步骤四的具体方法为：在MATLAB中分析混凝土衬砌稳定计算结果，不满足要求进入步骤六，满足要求则进入步骤五计算目标函数f，目标函数如式（1）所示，

（1）