一种新的用于换热网络全局优化的强制进化随机游走算法

应用启发式方法在换热网络全局优化上的优点,提出了一种全新的强制进化随机游走算法（random walk algorithm with compulsive evolution,RWCE）,算法以目标函数减小为强制方向,通过各换热单元面积的随机扩大或缩小,同时实现了整型变量（换热单元数）和连续变量（换热单元面积）的同步优化。另外,算法能够以一定的概率选择接受差解,使其具备极强的跳出局部最优解的能力和全局搜索能力。算例验证表明,RWCE算法相比于其他启发式方法具有程序简单、更易实现、算法适应性及全局搜索能力更强的优点,使优化质量得到进一步提升。     

应用于换热网络优化的并行双层RWCE算法

换热网络规模越大,其解空间内极值点呈指数性增长,优化时不仅要求算法具有强大的全局寻优能力,局部解空间的高精度搜索也不可或缺。鉴于强制进化随机游走算法（RWCE）优化换热网络时难以兼顾局部搜索能力、易导致遗漏最优解的现象,同时为增大算法优化大规模换热网络的种群数量,本文将精细搜索和并行计算相结合提出了并行双层RWCE算法。算法基于多核并行技术,通过并行线程分配建立基础层和精细层,基础层在并行计算技术加持下,算法全局搜索能力大幅提升,精细层将基础层当前最优解实时精细搜索,避免了原算法差解代替优解现象。最后通过两个算例进行验证,结果表明并行双层RWCE算法不仅具有更强的全局搜索能力,且兼具高精度的局部搜索能力,在优化进程中有效保护了最优解。     

具有步长调整策略的强制进化随机游走算法优化换热网络

强制进化随机游走算法(random walking algorithm with compulsive evolution,RWCE)是一种优化换热网络的新方法,具有程序简单、算法适应性和全局搜索能力较强等优点。本文研究了最大步长对RWCE算法优化性能的影响,提出了抛物线函数的最大步长递减调整策略来平衡RWCE算法的全局搜索与局部搜索能力。将引入策略的RWCE算法与基础算法比较,发现加入最大步长递减调整策略的RWCE算法与基础RWCE算法相比,在进化后期能够跳出局部极小值,具有更强的局部搜索能力。采用10SP2、9SP和15SP换热网络实例检验加入此策略RWCE算法的有效性,其中10SP2和9SP算例的优化结果均好于文献最好结果,相比算例原始文献下降了20.98%和1.11%。对15SP算例优化找到了新的换热网络匹配结构,并好于多数无分流换热网络优化结果,且低于文献结果 4.60%,证明了此方法在换热网络优化中具有较强的优化能力。     

采用结构保护策略的强制进化随机游走算法优化换热网络

鉴于强制进化随机游走算法(random walk algorithm with compulsive evolution,RWCE)在优化换热网络时可能出现有潜力结构被差解代替,提出了一种结构保护策略,增加一个与原种群平行进化的新种群,新种群执行结构保护,个体与原种群一一对应并接收其当前最优解,同时采用一种降维邻域搜索的进化方式,设置个体各维变量更新概率确定搜索维数,充分挖掘个体结构进化潜力,提升了算法的局部搜索能力;原种群则沿用RWCE的主要操作,保留了较强的全局搜索能力。将采用结构保护策略的RWCE算法用于有分流换热网络优化,取得了优于现有文献的结果。     

一种大步长激励的结构进化策略应用于换热网络优化

强制进化随机游走算法(random walk algorithm with compulsive evolution,RWCE)具有进化策略简单、控制参数少、全局搜索能力强等特点,是换热网络优化的一种有效方法。鉴于步长对RWCE算法跳出局部最优解有重要的影响,针对RWCE算法的步长分布进行研究,通过分析大步长在局部极值跳出中的作用机理,建立了一种全新的步长组合生成方法,并据此提出了一种大步长激励的结构进化策略。最后,通过3个算例验证了结构进化策略的有效性,与文献结果进行对比,结果表明大步长激励的结构进化策略提高了算法的全局搜索能力。     

采用结构保护策略的强制进化随机游走算法优化换热网络

鉴于强制进化随机游走算法（random walk algorithm with compulsive evolution, RWCE）在优化换热网络时可能出现有潜力结构被差解代替,提出了一种结构保护策略,增加一个与原种群平行进化的新种群,新种群执行结构保护,个体与原种群一一对应并接收其当前最优解,同时采用一种降维邻域搜索的进化方式,设置个体各维变量更新概率确定搜索维数,充分挖掘个体结构进化潜力,提升了算法的局部搜索能力;原种群则沿用RWCE的主要操作,保留了较强的全局搜索能力。将采用结构保护策略的RWCE算法用于有分流换热网络优化,取得了优于现有文献的结果。     

一种大步长激励的结构进化策略应用于换热网络优化

强制进化随机游走算法（random walk algorithm with compulsive evolution,RWCE）具有进化策略简单、控制参数少、全局搜索能力强等特点,是换热网络优化的一种有效方法。鉴于步长对RWCE算法跳出局部最优解有重要的影响,针对RWCE算法的步长分布进行研究,通过分析大步长在局部极值跳出中的作用机理,建立了一种全新的步长组合生成方法,并据此提出了一种大步长激励的结构进化策略。最后,通过3个算例验证了结构进化策略的有效性,与文献结果进行对比,结果表明大步长激励的结构进化策略提高了算法的全局搜索能力。     

RWCE优化换热网络的不可行解影响分析及强化策略

换热网络优化问题常以外罚函数法处理约束，赋予违反约束的不可行解较大的罚值。强制进化随机游走算法(RWCE)优化换热网络时，其非贪婪搜索机制使不可行解以一定概率被保留，从而改变全局寻优过程。本文首先分析不可行解对优化进程的影响，揭示偏移量较小的不可行解对结构进化的促进作用；然后提出差解概率动态调整策略，合理利用不可行解的正面作用，强化结构进化能力；最后，鉴于上述优化结果中偏移量较小的不可行解居多，提出一种可行化策略，通过分段罚指数和双种群优化技术促使过程中有潜力的不可行解快速返回可行域，并提升优化质量。将结合两条强化策略的改进算法应用于16股流与15股流算例，优化结果较文献最优解分别节省了0.35%、0.48%，表明改进后的算法较原算法全局搜索能力得到了显著提升。     

RWCE算法中采用单元重构策略激励换热网络结构优化

应用强制进化随机游走算法优化换热网络的过程中,通过监测最优结构中换热单元优化进程,探究总体结构进化特点,发现存在换热单元先入为主的现象,主体结构稳固难以被突破,导致换热网络优化进入“停滞”状态。基于此,提出了换热单元重构策略,该策略旨在增强结构变异能力,经过一定阶段概率性消除结构中既有换热单元,腾出结构进化空间,再依据约束条件重新构建换热单元,既丰富了结构多样性又扩大了搜索域。此外建立优化状态监测指标,维持结构较高的变异活性,增强算法全局寻优能力。最后将该策略加入算法流程优化多个换热网络实例,总结分析其作用机理,所得结果均优于现有文献结果,证实了该策略的有效性。     

一种基于并行计算的混合算法优化有分流换热网络

换热网络优化是化工过程系统工程领域的研究难点,其数学模型具有高度的非凸、非线性,在使用单一启发式算法优化时,往往具有局限性。研究以换热网络的年综合费用最小为目标,针对强制进化随机游走（RWCE）算法在优化时由于个体间独立进化,导致优化过程中信息缺乏交流的问题,提出将遗传算法（GA）与其混合。混合后的算法在保持前一半优势种群中的个体单独进化的基础上,通过周期性的交叉、变异等操作产生子代来替换掉劣势种群,从而增强了原有算法的整型变量优化能力,并弥补了弱势个体无法更新的不足。为了兼顾算法在大种群下优化有分流换热网络的计算效率,节约时间成本,使用OpenMP系统将混合算法实现了并行化设计。通过三个不同规模的换热网络问题对并行后的混合算法进行验证,结果表明该算法能在有效提升优化质量的前提下相比串行算法大幅缩短计算时间,其中两个算例突破了目前文献最优解。     

改进生物地理学优化算法及其在汽油调合调度中的应用

汽油调合和调度优化问题中含有典型的非线性约束(NLP)问题。针对一般智能优化算法在解决此类优化问题中易陷于局部极值,提出了一种改进的生物地理学优化算法(HMBBO)。该算法设计了一种基于种群个体差异信息的启发式变异算子,弥补了Gauss变异、Cauchy变异算子缺乏启发式信息的不足,以解决原算法在局部搜索时易出现的早熟问题,提高算法的全局搜索能力,并且采用非线性物种迁移模型以适应不同的自然环境。采用4个测试函数进行仿真,结果表明:HMBBO算法与标准BBO算法、基于Gauss变异及基于Cauchy变异的BBO算法比较,其收敛速度和全局寻优能力有明显改善。汽油调合和调度优化实例表明,该算法能够快速有效地找到全局最优解。     

改进萤火虫算法应用于换热网络最优化

换热网络全局最优化目前已经成为系统工程领域的一个难点和热点,将萤火虫算法(Fire-fly Algorithm,FA)引入换热网络最优化并对其进行改进,提高算法在混合整数非线性规划中的效能。首先对换热网络中表示换热单元有无的整型变量作连续化处理,简化求解模型,更好发挥FA算法强大的连续变量搜索能力;然后,建立了光吸收系数自适应策略和最优个体的随机摄动策略,增强算法全局搜索能力的同时保证收敛精度;最后,将改进算法应用于换热网络综合的10SP和10SP1实例,优化结果表明,改进算法能够获得很好的结果,验证了该算法及改进策略的有效性。     

基于局部搜索策略的混合算法同步综合换热网络

针对复杂换热网络混合整数非线性问题,提出了一种由混沌蚁群算法、局部搜索策略和结构进化策略组成的混合算法,同步综合换热网络。首先采用混沌蚁群算法初步优化换热网络,蚂蚁个体根据混沌搜索机制遍历整个求解域。随后引入Powell法作为局部搜索策略,加强蚂蚁个体的局部搜索能力。最后结合结构进化策略,限制算法的搜索空间,优化蚂蚁个体表示的换热网络结构,并将优化后的信息反馈。蚂蚁会根据自身、邻居和反馈的信息作进一步搜索,直到算法收敛于全局最优解。通过算例对算法进行验证,结果表明,混沌搜索机制使混合算法具有很好的全局搜索能力;Powell法加强了算法的局部搜索能力,提高了求解精度;结构进化策略能够有效地缩减搜索区间,提高搜索效率。所以混合算法能够很好地兼顾处理连续变量和整型变量,适用于换热网络综合。     

基于AEA和PSO的双层同步换热网络综合方法研究

换热网络优化是一个多维、非凸、非线性、不连续的复杂混合整数非线性规划问题,传统的优化方法很难寻找到全局最优解。针对该问题研究建立了换热网络分级超结构非等温混合模型,提出了一种双层同步优化算法。该算法外层使用Alopex Evaluation Algorithm(AEA)算法优化结构变量分流比,内层使用Particle Swarm Optimizer(PSO)算法优化换热量。还提出了一种改进的不可行解修复策略,改善了算法的搜索能力。三个案例研究用以说明算法可以稳定寻找到较好的优化结果。     

精细搜索策略应用于质量交换网络综合

质量交换网络是化工过程系统的重要组成部分,其优化设计对降低污染排放具有重要意义。采用启发式算法优化质量交换网络时,存在难以兼顾全局搜索和局部搜索的问题。通过分析不同精度优化参数下的优化结果,揭示了该问题的成因,并提出一种精细搜索策略用于基础算法所得结构的深度优化。该策略包含两种方法,方法1采用具有个体回代与分化的高精度强制进化随机游走算法,可保留个体结构变异能力;方法2采用确定性方法依次对多维目标函数中的每个变量进行一维搜索,具有精度高收敛快的优点。将该策略应用于焦炉气脱硫和空气除氨算例,得到的结果分别为407308 USD·a^-1和127807 USD·a^-1,经济性优于现有文献中的结果,验证了本策略的有效性。     

精细搜索策略应用于质量交换网络综合

质量交换网络是化工过程系统的重要组成部分,其优化设计对降低污染排放具有重要意义。采用启发式算法优化质量交换网络时,存在难以兼顾全局搜索和局部搜索的问题。通过分析不同精度优化参数下的优化结果,揭示了该问题的成因,并提出一种精细搜索策略用于基础算法所得结构的深度优化。该策略包含两种方法,方法1采用具有个体回代与分化的高精度强制进化随机游走算法,可保留个体结构变异能力;方法2采用确定性方法依次对多维目标函数中的每个变量进行一维搜索,具有精度高收敛快的优点。将该策略应用于焦炉气脱硫和空气除氨算例,得到的结果分别为407308 USD·a^-1和127807 USD·a^-1,经济性优于现有文献中的结果,验证了本策略的有效性。     

基于自适应粒子群优化算法的节点定位研究

针对粒子群优化定位算法易陷入局部极值的缺点,提出了一种基于自适应粒子群优化算法的无线传感器节点定位方法。该方法在迭代前期ω取较大值实现快速收敛到最优解附近,后期取较小值求高精度解。在适应度值越大时全局搜索能力越强,加快向全局最优位置的聚集速度;适应度值越小局部搜索能力越强,可得到高精度的解,并通过对全局最优位置进行自适应变异操作,保证算法能跳出当前的搜索区域。仿真结果表明:与常用的极大似然估计对比,该算法具有收敛快、能耗小、精度高和稳定性好的优点,适合应用在无线传感器网络的定位中。     

极大极小值交替优化算法实现换热网络全局热集成

针对确定性方法应用于换热网络全局热集成时易陷入局部极值的问题,采用乘子法建立辅助函数,将原来的换热网络有约束问题转化为无约束问题,在此基础上提出了基于牛顿法的极大、极小值交替优化算法应用于换热网络优化。该算法通过优化进程中极大值、极小值的交替计算,不断跳出当前的局部极小值并继续通过局部优化方法求解新一轮的局部极小值,从而实现换热网络的全局热集成。同时提出防止"回跳"策略,避免该算法计算过程中在某个区域重复优化的问题。将算法应用于两个经典换热网络实例,取得了较好的结果,验证了极大、极小值交替优化算法能够有效地改善确定性方法易陷入局部极值的问题,具有较强的全局搜索能力,使优化质量较文献得到了进一步提升。     

基于蒙特卡罗微分算法优化大规模换热网络

在换热网络数学模型及分级超结构基础上,提出蒙特卡罗结合微分进化算法,双层优化换热网络。外层利用蒙特卡罗算法全局范围内搜索最佳的换热网络结构;内层用微分进化算法优化换热器面积;通过设定合理的预期换热器个数,控制Grossmann超结构下产生换热器的个数,不但能提高求解效率,而且可以有效地解决大规模换热网络问题。最后,算例结果表明,基于蒙特卡罗微分算法能保证在全局搜索能力的前提下,混合求解策略能够获得较优的结果。     

全局校正的可变容差法及其在化工过程在线优化中的应用

传统在线优化算法在寻优时未考虑全局最优点对寻优的指导作用,且没有对优化搜索区域进行约束,因此,具有一定的盲目性,很难保证最终能够搜索到全局最优点,且优化解难以在线应用。针对传统优化算法的局限性,本文提出了一种全局优化指导局部优化的两层优化方法——全局校正的可变容差法,以遗传算法作为全局优化算法,可变容差法作为局部优化算法,以全局优化解调整局部优化算法的寻优方向,保证在线优化向全局最优点方向前进,指出全局优化算法和局部优化算法分别具有不同的优化周期和约束区域。将全局校正的可变容差法在数值函数中验证并应用于乙炔加氢反应器的在线优化,结果表明,与传统在线优化算法相比,这种方法不但能够减少寻优时间,也提高了寻优的精确度和有效性。