计算机智能优化技术在大型复杂钢结构项目中的应用

实际工程的构件数量和约束条件限制了计算机优化技术的应用。特别是在大型复杂钢结构设计中，除了强度、刚度和稳定问题外，还要考虑大规模优化计算问题，传统的优化方程有大量的非线性约束，对于有10 000个杆件的结构，该约束条件可能达到20万条以上，这些约束条件对优化计算的收敛影响很大，进而限制了优化技术在实际工程的应用。笔者团队通过构建的新型结构优化模型和发明的智能求解方法建立隐形函数，简化了非线性约束条件的建立过程；并发明建筑特殊约束条件的处理技术，使优化算法具有优化钢结构的能力；研究开发了“AI结构师”V1.0软件系统，成功解决了大型钢结构设计的优化问题。通过多个项目的实际应用，证明该系统能适应大规模钢结构项目的各种约束要求，而且优化结果能满足设计要求，优化率皆达到10%以上，具有很高的经济价值和使用价值。     

基于改进粒子群算法的海洋钻机系统布局优化

为提高海洋钻机的工作效率和平台的空间利用率,应用改进的粒子群算法对海洋钻机系统进行布局优化研究。针对多目标、多约束的钻机系统布局优化问题,建立钻机系统布局优化数学模型,应用多目标粒子群算法直接求解,得出相应的最优解集。利用线性加权法将多目标转变为单目标进行求解分析,针对单目标粒子群算法的缺点,基于约束条件、惯性权重以及遗传算法的选择和杂交对粒子群算法进行改进,完成不同改进算法的测试实验。结果表明,在应用粒子群算法求解布局问题时将约束条件作为目标函数、单独引入遗传算法的杂交思想求解速度和精度更好。提出的基于杂交的动态惯性权重粒子群算法的布局优化问题求解性能更优,得到的优化方案符合海洋钻井作业要求且占用甲板面积较小。     

基于NSGA-Ⅱ的给水管网压力监测点多目标优化布置

针对给水管网压力监测点优化布置过程中采用单目标函数得到的优化结果不能代表多方面综合因素的问题,以监测点压力监测范围及监测点覆盖节点需水量作为目标函数,管网水力连通性、管网节点压力相关性、管网节点水量影响条件作为约束条件建立多目标压力监测点优化布置数学模型,并利用Matlab平台通过非支配排序遗传算法(NSGA-Ⅱ)求解。将该模型应用于某园区实际管网中,并分析不同约束条件的参数取值对模型所得优化结果的影响程度,以提高监测点布设方案的代表性,同时也验证了NSGA-Ⅱ求解多目标给水管网压力监测点优化布置模型的有效性。     

基于启发式算法的悬臂式挡土墙尺寸优化

悬臂式挡土墙结构在工程中应用广泛,但传统的trial-and-error设计方法比较依赖设计师的经验,且称不上优化。选取9个尺寸设计变量来描述悬臂式挡土墙结构,以墙体结构造价最优为目标函数,以结构尺寸限制和挡墙稳定性条件为约束条件,建立了悬臂式挡土墙结构尺寸约束最优化模型,通过模型求解,高效、智能的输出悬臂式挡土墙尺寸。结合工程实例,利用内点罚函数处理约束条件,采用3种启发式算法,包括遗传算法(GA)、粒子群算法(PSO)以及模拟退火(SA)对该约束最优化模型进行了求解。结果表明:启发式算法能有效的应用于悬臂式挡土墙的尺寸最优化,通过效率和可靠性分析比较,粒子群算法(PSO)在3种方法中具有优势。     

索穹顶结构预应力多目标优化的小生境遗传算法

根据索穹顶结构的柔性结构特点和力学特性,探索以质量最小、刚度最大和支座反力最小为目标函数,以预应力整体可行性准则、荷载态应力控制和位移限值为约束条件的多目标优化模型。结合自适应技术、预选择机制和共享函数小生境技术对传统遗传算法进行改进,利用加权系数法将多目标优化问题转换为单目标Pareto最优解问题。利用向量式有限元对不同预应力水平的结构进行静力分析。最后通过两个不同类型索穹顶算例,采用自编程序的计算结果证明所提出的方法是有效的,为索穹顶结构预应力优化分析提供了新的计算方法。     

导流隧洞体型系统规划数学模型

本文采用系统工程分析方法研究导流隧洞的体型优化设计,发展了一套隧洞最优设计的非线性规划数学模型,该模型以隧洞造价最小做为设计的目标函数,考虑了几何约束、流动约束、强度约束、受力约束和限裂约束的影响,将隧洞设计归纳为求解复合约束条件下的非线性规划问题.在求解非线性规划问题的过程中,采用了变量变换法和广义拉格朗日乘子法等新方法将复合约束条件下的非线性规划问题转化为无约束非线性规划问题.为了克服受力约束中存在非线性常微分方程组不能解析列出目标函数的梯度方程的限制,采用了一阶差分方法计算目标函数的梯度.为了提高计算效率,采用了DFP变度量算法求解无约束隧洞体型非线性规划问题.采用这一模型,可以同时求出隧洞断面几何参数、衬砌厚度、钢筋配量的最优值.工程实例计算表明采用这一方法可以获得显著的经济效益.这一模型不仅适用于导流隧洞,也适用于其它用途的水工隧洞.     

基于Lagrange乘数法的钢筋混凝土矩形截面单筋梁截面优化

以工程成本为目标函数,以截面有效高度为设计变量,考虑弯矩设计值、截面尺寸、配筋率等约束条件,建立了钢筋混凝土矩形截面单筋梁的优化模型.采用Lagrange乘数法对优化模型进行求解,通过算例证明该方法的有效性,为优化提供新的思路.     

关于城市道路网络设计问题的高效双层方法

为了对城市道路网络的最优化问题进行确定,该论文提出了一种基于计算的有效方法,整个过程包括网络流的分配确定以及各条边参数值的确定,以此来求得基于资金预算约束的交通拥挤最优化,最后问题转化为一个非线性的优化问题。通过对单一约束问题进行二元化,最终的双目标函数可以通过解决交通分配问题进行评价,考虑到双目标函数是包含一个变量的凹函数,因此可以采用基于梯度的高效一维搜索方法来解决对偶问题,同时考虑到改网络设计问题旨在解决若干个交通分配问题,因此原则上它应该跟现实中大的交通网络相融合,在该计算过程中,所有问题总共包含553个约束条件跟1862个变量。     

确定斜拉桥合理成桥状态的应力优化法

通过调整斜拉索索力,得到斜拉桥的合理成桥状态是斜拉桥设计中的核心问题之一。笔者在总结现有索力优化方法的基础上,以全桥主梁所配预应力筋总量最少为目标函数,以恒、活载共同作用下的塔、梁、索的应力作为约束条件建立了优化数学模型,并采用约束变尺度法进行求解。计算结果表明:该优化方法切实可行,结果更趋合理,具有较高的工程应用价值。     

概率约束评估的功能度量法及其MATLAB实现

基于可靠性的结构优化通常表述为在概率约束下最小化目标函数,其中概率约束的评定可以通过两种方法进行——传统的可靠指标法和最近被提出的功能度量法.本文简单介绍了功能度量法,明确概率功能度量的求解表述为许可可靠指标下功能函数极小值的优化问题.然后利用MATLAB强大的优化功能求解该优化模型,从而得到概率功能度量.最后给出算例,证明了可靠指标法与功能度量法在评价概率约束时的等效性,同时验证了功能度量法比可靠指标法更稳定,较少依赖于随机变量的概率分布类型.可靠指标求解的正确性都用Monte-Carlo模拟进行了验证.     

A multi-attribute model for construction site layout using intuitionistic fuzzy logic

Most researchers have concentrated on studying optimization models to produce optimal construction site layout plans using different algorithms, while the overall method for evaluating and selecting the best site layout generated from optimization models has received less attention. In an optimization model, construction cost is generally considered in the objective function. However, several objectives, such as security and tie-in with external transportation, are difficult to quantify in the objective function and were not considered in previous studies. This paper focuses on evaluating and selecting the construction site layout considering qualitative objectives. An intuitionistic fuzzy multi-attribute decision-making model is developed that combines intuitionistic fuzzy set theory and the technique for order preference by similarity to the ideal solution (TOPSIS). This model overcomes the shortcomings of a traditional fuzzy set when describing ambiguous and unclear circumstances by using membership functions. The application of this model for site layout selection is shown to be reasonable and effective based on data from a real construction project.     

基于全局优化设计的桁架结构优化设计研究

桁架结构优化设计中普遍存在约束的作用.现有优化设计一般采用满应力法和遗传优化等优化方法,编程复杂.本文介绍了优化设计软件LINGO10.0的功能、特点、使用方法和使用注意事项等,建立了桁架结构优化设计的数学模型.采用LINGO软件的全局优化方法求解.实例计算表明,采用LINGO的全局优化方法能获得全局优化解,且方法简单,值得推广应用.     

多目标遗传算法用于给水管网优化设计的研究

建立了一个基于经济性和可靠性的多目标数学模型用于给水管网优化设计。利用惩罚函数法对遗传算法进行改进后,应用其对多目标数学模型进行求解,并将该优化方法运用于实际工程。结果表明,采用多目标遗传算法得出的结果优于常规优化方法。     

钢箱梁斜拉桥成桥索力优化分析

基于最优化理论,建立了斜拉桥索力约束优化数学模型。以斜拉桥空间有限元模型为基础,以成桥线形为目标函数,通过转化次要目标函数为约束条件等措施,采用无约束的共轭梯度法,对成桥索力进行了优化计算,并应用该法对红岛航道桥这一独塔双索面钢箱梁斜拉桥进行了索力调整计算。通过设置不同的目标函数,比较了索力调整方法的差异和适用性。计算结果表明:不同类型的斜拉桥,其索力调整的主要目标也不尽相同,钢箱梁斜拉桥的索力调整主要以成桥线形为首要目标;该优化计算方法简便有效,计算精度高,成桥线形拟合好,具有较高的实用价值。     

Numerical Procedure for Evaluating Geodesics on a Surface

A new numerical method for evaluating goedesics on surfaces is presented in this paper. The method transforms a traditional goedesics problem into an initial-value problem, which can easily be solved by using Euler's forward integration. Numerical examples are provided to illustrate the proposed method.     

基于宏观模型的给水管网优化运行研究

采用分级寻优建立了大规模城市给水管网系统优化运行决策模型。第一级寻优以能耗、制水成本等为目标函数,以各泵站流量为决策变量建模,采用约束变尺度法(WHP)求解;第二级寻优是在满足第一级寻优所要求的泵站流量和出口压力的前提下,求解泵站内的水泵组合优化方案,采用简约梯度算法(RG)求解,并将水泵分为定速泵、调速泵和混合泵分别建立模型并求解各水泵运行方案,提高了计算速度和实用性。采用所建模型对天津市给水管网系统进行优化取得了较为可观的经济效益。     

型钢混凝土柱多目标优化设计方法研究

为探讨适用于组合结构构件的多目标优化设计方法,以型钢混凝土柱多目标优化设计为研究背景,在工程结构优化理论及组合结构设计理论的基础上,将优化目标设定为工程造价最小化和斜截面抗剪承载力最大化,采用线性加权法构造评价函数,通过调整加权系数来改变两个优化目标在优化中的重要程度,同时选择灵敏度较高的设计变量,综合考虑各种约束条件,给出了型钢混凝土柱多目标优化设计的数学模型,并借助复形法的优化思想,利用MATLAB编程求解有约束条件的非线性优化问题。优化设计实例表明,所采取的优化方法和优化思路对型钢混凝土柱优化设计是可行、有效的,可为组合结构构件的优化设计及工程应用提供参考。     

双轴对称张弦穹顶结构的优化设计

传统的优化设计仅以最低造价为目标函数,没有考虑结构的受力性能指标。在对穹顶结构的最低造价目标函数进行修正的同时,综合考虑施工、杆件的制作加工等的要求,提出了操作性较强的改进满应力优化法,该法在整个优化过程中能使上述两个目标函数保持高度的统一。采用文中提出的优化方法对武汉体育中心体育馆大跨度张弦穹顶结构进行了优化设计,取得了比较好的经济效益和结构性能。文中的方法对同类大跨度张弦穹顶结构的设计有较好的参考价值。     

基于模糊优选理论的工程评标方法

运用模糊优选理论建立工程评标模型 ,结合实例介绍了模型的具体运用。实例研究表明 ,运用模糊优选理论进行工程评标能有效减少主观因素的影响 ,计算方法简便实用 ,评标结果准确可靠     

基础隔震结构参数优化分析

本文采用简化的两质点模型建立基础隔震结构的振动方程,通过分析各质点位移传递函数的幅频特性,提出了隔震层阻尼比及刚度系数的优化方法,并给出了实用的参数计算公式。以某7层框架基础隔震结构为例进行数值仿真分析,结果表明,提出的基础隔震结构参数优化设计方法能同时有效降低主体结构的地震响应及隔震层的层间位移。