基于C#和Mat1ab混合編程遺傳算法的平原區水閘優化設計

馬 超

(河北省水利水電第二勘測設計研究院，河北石家莊050021)

基于C#和Mat1ab混合編程遺傳算法的平原區水閘優化設計

馬 超

(河北省水利水電第二勘測設計研究院，河北石家莊050021)

以某平原區水閘為例，采用遺傳算法對水閘進行優化研究。以水閘工程造價最小為目標，以過流總凈寬、閘墩厚度、閘室長度、閘門位置、閘底板厚度與鋪蓋長度為設計變量，以水閘幾何尺寸為幾何約束，以穩定安全系數、基底大小應力比及防滲長度作為性態約束，建立了水閘的數學優化模型，并介紹了遺傳算法、C#和Mat1ab混合編程遺傳算法的原理。通過優化水閘布置，減少了工程造價。計算結果表明該優化設計方法可以提高設計效率，是合理可行的。

水閘；遺傳算法；優化設計；工程造價；C#和Mat1ab混合編程

水閘是一種利用閘門擋水和泄水的多建于河道、渠系及水庫的低水頭水工建筑物。水閘在水利工程中的應用十分廣泛，但許多水閘的設計依舊停留在經驗設計階段，存在不經濟、不合理等許多問題，所以水閘設計的合理性和經濟性就成為亟待解決的問題，進行水閘優化設計十分必要。

1 優化設計數學模型

水閘設計很復雜，數學模型的建立需要對設計過程進行必要簡化［5］，最終選取水閘過流總凈寬、閘墩厚度、閘室段長度、閘門位置、閘底板厚度與鋪蓋長度作為優化變量。

1.1 目標函數

以工程造價為目標函數，設第i種材料的單位綜合造價為Ci，在設計中所占的體積為Vi，則目標函數可表示為：

1.2 約束條件

(1)幾何約束：x1≤xi≤xu，xi為變量的下限；xu為變量的上限。

(2)性態約束：①閘室穩定安全系數：Fs≥②基底大小應力比：③防滲長度：L≥CΔH。

1.3 最終優化的數學模型

設計變量在滿足給定的約束條件的情況下，求得目標函數最小。

2 設計方法

2.1 遺傳算法

遺傳算法首先用隨機方式產生一個初始群體，群體中的每一個個體稱為染色體，對應優化問題中變量空間中的一個點；組成染色體的元素稱為一個基因，對應優化問題中的設計變量。染色體的適應度反映可能解的優劣，根據優勝劣汰的原則進行選擇，適應度大的被選擇的機會大，通過連續遺傳操作不斷產生新的群體，經過若干代進化以后，就可能生成最佳個體。

基于對自然界中生物遺傳與進化機制的模仿，Go1dberg［6］總結出了一種統一的最基本的遺傳算法——基本遺傳算法(Simp1e GeneticA1gorithms，簡稱SGA)。其遺傳進化操作過程簡單，容易理解，是各種遺傳算法的基本框架，可不依賴于問題的領域和種類，具有一定的應用價值。

2.2 C#與MATLAB混合編程

C#與MATLAB混合編程采用動態鏈接庫技術實現C#對MATLAB函數的調用。動態鏈接庫是由MATLAB的Dep1oyment Too1將編寫好的m文件或m腳本文件編譯成動態鏈接庫，C#通過調用動態鏈接庫中的函數來完成與MATLAB的參數調用。

2.2.1 MATLAB創建動態鏈接庫（DLL）

在MATLAB中根據向導新建Dep1oyment工程后把已經編寫好的m函數添加進去進行編譯，生成DLL文件即可被C#引用。具體步驟如下：

(1)按照遺傳算法的計算原理，根據需要編寫創建動態鏈接庫時所需的文件，遺傳算法主函數文件(ycsf.m)、目標函數文件(mbhs.m)和約束條件函數文件(ystj.m)。其中ycsf.m文件主要代碼如下：

(2)創建DLL。在MATLAB中創建DLL工程，編譯完成之后在上面輸入的存儲位置下即可找到創建完成的ycsf.d11文件。

2.2.2 C#調用DLL

首先我們應該把上述生成的DLL引入計算程序才能調用。引入后在使用之前實例化該DLL類，具體如下：

2.2.3 數據類型轉換

完成C#對ycsf.d11的引用之后，如何實現將計算參數從C#傳遞到MATLAB，并且如何將MATLAB的計算結果返回給C#，并通過C#把計算結果展示出來，就成了C#與MATLAB混合編程的關鍵。由于C#與MATLAB的數據類型不同，所以為實現2者之間數據類型的相互轉換，主要要用到MATLAB提供的MWA rray接口。因此，還需要添加對MWArray的引用，并在C#的頭文件中添加。

(1)C#數據向MATLAB數據轉換。若是數據類型不需要轉換，如是數組類型則通過MWArray轉換。如：MWNumericArray A1=A，其中A為C#中的doub1e型數組，經過賦值之后A被轉換為MATLAB中的doub1e型數組A1。

(2)MATLAB數據向C#數據轉換。

訪問resu1t數組中的元素時還需要做相應的強制類型轉換。轉換如下：

上句轉換中0表示resu1t數組的第一個元素，訪問resu1t［0］中的某一元素時可用out_Arr［i］表示，代碼如下：

2.3 C#與M ATLAB混合編程的其他方法

因為MATLAB提供了C#可以直接調用的接口文件，所以C#與MATLAB混合編程除采用上述方法外，還可以采用C#直接調用MATLAB可執行文件進行計算。

對2種方法的計算結果進行了對比，發現結果一致，只與輸入的參數有關系。在本優化算法中采用前述方法進行優化設計。

3 工程算例

3.1 工程概況

某干渠位于武邑縣城南約6.3km，其中某水閘位于清涼江側江河干渠渠首，設計流量45m3/s，閘下設計水位17.731m。上游設計擋水位為10年一遇洪水位17.88m。

3.2 基本資料

(1)綜合比價：閘室：閘墩：鋪蓋：擋土墻= 900∶800∶700∶900。

(2)幾何約束：①總凈寬≤x1≤建閘寬度；②0.9≤x2≤1.5；③2.0ΔH≤x3≤3.5ΔH；④0.2≤x4≤0.8；⑤0.7≤x5≤2.0；⑥3.0ΔH≤x6≤5.0ΔH，ΔH為上下游水位差。

(3)性態約束為：①穩定安全系數不小于1.3；②基底大小應力比不小于1.5；③防滲長度不小于CΔH。

3.3 優化結果

經過遺傳算法初擬計算后得到的優化結果見表1。

表1 優化前后結果

4 結論

本文計算中采用的Mat1ab是一個功能強大的計算工具，利用C#和Mat1ab混合編程遺傳算法效果好，結果準確，對于優化設計提供了新思路，對其他水利工程的優化設計具有一定的實際應用和推廣價值。優化設計前后工程造價相差23.5%，表明水閘優化設計十分必要。由于水閘設計本身十分復雜，所以本優化算法進行了適當的簡化，但用于水閘的初擬設計、初擬布置是可行的，具有很好的參考價值。

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TV66

B

1672-2469(2017)03-0083-03

DO I：10.3969/j.issn.1672-2469.2017.03.030

2017-01-17

馬 超(1984年—)，男，工程師。