[發明專利]基于雙目標模擬退火算法及非劣分層的通信電纜絞合節距優化方法

在審

• 申請號: 201510826716.1
• 申請日: 2015-11-25
• 公開（公告）號: CN105303061A
• 公開（公告）日: 2016-02-03
• 發明（設計）人: 李鵬;劉遠;王裕華;鄒添;彭嘉潮
• 申請（專利權）人: 華東交通大學
• 主分類號: G06F19/00
• 分類號: G06F19/00
• 代理公司: 南昌新天下專利商標代理有限公司 36115
• 代理人: 施秀瑾

1.一種基于雙目標模擬退火算法及非劣分層的通信電纜絞合節距優化方法，其特征在于：在初始化通信電纜設計參數的基礎上，設計了通信電纜導體用量和近端串音衰減兩個優化目標函數，并結合雙目標模擬退火算法和非劣分層思想獲取絞合節距的可行解集。

2.根據權利要求1所述的一種基于雙目標模擬退火算法及非劣分層的通信電纜絞合節距優化方法，其特征在于：設計了通信電纜導體用量的優化目標函數，導體用量的計算公式為：

式中，d為單根導體直徑，為導體密度，n為導體絞合對數，為絞入系數。

3.根據權利要求1所述的一種基于雙目標模擬退火算法及非劣分層的通信電纜絞合節距優化方法，其特征在于：通信電纜近端串音衰減的優化目標函數，近端串音衰減的計算公式為：

式中Z為它們的特性阻抗，Y為串音耦合矢量。

4.根據權利要求1所述的一種基于雙目標模擬退火算法及非劣分層的通信電纜絞合節距優化方法，其特征在于：雙目標模擬退火算法的具體步驟如下：

步驟一：優化參數設定，設定初始溫度T，衰減因子c，終止溫度，

步驟二：隨機生成規模為m的初始解集，即，第一代當前解集：

，

，，其中i為迭代次數，j為解集中各解向量的編號，n為通信電纜中待優化的導體絞合對數；

步驟三：構造鄰域解集，鄰域解集通過交叉和變異產生，

其中交叉是指由當前解集，隨機選擇并構成m/2對解向量，任意交叉各對解向量中20%的元素，

其中變異是指隨機選擇當前解集，并對各解向量中8%的元素進行變異；

步驟四：產生新解集，新解集規模仍為m，新解集由兩部分組成：

1）第一部分：對鄰域解集與當前解集與當前解集進行非劣分層，選取屬于第一非劣層的解向量構建新解集；

2）第二部分：如果新解集規模小于m，則計算鄰域解集中除第一非劣解向量外的解向量的內能增量：

（9）

式中，和分別為第i次迭代第一非劣解的目標函數導體用量W和近端串音衰減N的平均值，若，則根據Metropolis準則，計算接受概率P，當P大于或小于在0到1之間的隨機數，則表示不接收或接收，P的計算公式如下：

（10）

式中，T為當前溫度值；

步驟五：判斷終止條件，滿足則結束程序，新解集中的第一非劣解集即為可行解集；否則，按更新溫度值T，轉步驟三。

5.一種基于雙目標模擬退火算法及非劣分層的通信電纜絞合節距優化方法，其特征在于：

技術方案主要包含以下內容：

一、通信電纜設計參數初始化

優化對象是通信電纜的絞合節距，選取通信電纜的長度為L，直徑為D，線對數為n，通信電纜中各線對的排列方式根據行業標準進行排列，由已確定通信電纜的長度、直徑和排列方式參數確定通信電纜的等效常數、相對導磁系數及耦合頻率F等參數；

二、設計優化目標函數

導體用量

絞合節距與導體用量的關系如下：

（1）

式中，d為單根導體直徑，為導體密度，n為導體絞合根數，為絞入系數，絞入系數是在一個節距中，展開的單線長度與節距長度h之比，

近端串音衰減

近端串音衰減的計算公式如下：

（2）

式中Z為它們的特性阻抗，Y為近端串音耦合矢量，近端串音耦合矢量的計算公式為：

，（3）

其中，，，

式中，，，為通信電纜的等效介質常數，為通信電纜的相對導磁系數，（）為主被串線對間存在的其它導線的屏蔽作用所需的修正系數，修正系數同主/被串線對的距離有關，即當主/被串線對間不存在其它導線時，=1；而當存在許多導線時，→0，為線對中心到導線中心的距離，為導線半徑，為線芯i與線芯j之間的距離，1和2為對絞線對a，3和4為對絞線對b，為主被串線對的傳播常數，為沿通信電纜軸端的距離，

和的計算公式如下所示：

（4）

（5）

式中，，為不含的常數，其數值可忽略，為線對a的中心與線對b的中心之間的距離，為線對a的鏡像中心與線對b的中心之間的距離，為的空間波動周期，為的空間波動周期，和的計算公式如下：

（6）

（7）

式中，和為線對a和線對b在時絞入單位層時的旋轉角，和的計算公式如下：

，（8）

式中分別為線對a與線對b的絞合節距；

三、非劣解集

對于解集中任意一個解向量，在該解集中不存在解向量可同時滿足（1）；（2），或；

四、雙目標模擬退火算法

步驟一：優化參數設定，設定初始溫度T，衰減因子c，終止溫度，

步驟二：隨機生成規模為m的初始解集，即，第一代當前解集：

，

，，其中i為迭代次數，j為解集中各解向量的編號，n為通信電纜中待優化的導體絞合對數；

步驟三：構造鄰域解集，鄰域解集通過交叉和變異產生，

其中交叉是指由當前解集，隨機選擇并構成m/2對解向量，任意交叉各對解向量中20%的元素，

其中變異是指隨機選擇當前解集，并對各解向量中8%的元素進行變異；

步驟四：產生新解集，新解集規模仍為m，新解集由兩部分組成：

1）第一部分：對鄰域解集與當前解集與當前解集進行非劣分層，選取屬于第一非劣層的解向量構建新解集；

2）第二部分：如果新解集規模小于m，則計算鄰域解集中除第一非劣解向量外的解向量的內能增量：

（9）

式中，和分別為第i次迭代第一非劣解的目標函數導體用量W和近端串音衰減N的平均值，若，則根據Metropolis準則，計算接受概率P，當P大于或小于在0到1之間的隨機數，則表示不接收或接收，P的計算公式如下：

（10）

式中，T為當前溫度值；

步驟五：判斷終止條件，滿足則結束程序，新解集中的第一非劣解集即為可行解集；否則，按更新溫度值T，轉步驟三。