[發(fā)明專(zhuān)利]一種懸浮隧道參數(shù)化橫斷面幾何優(yōu)化形狀及參數(shù)尋優(yōu)算法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202010550681.4
• 申請(qǐng)日: 2020-06-16
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN111709079B
• 公開(kāi)（公告）日: 2022-02-11
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 鄒鵬旭;陳良志;朱峰;楊藝平;李家華;錢(qián)原銘
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司
• 主分類(lèi)號(hào): G06F30/13
• 分類(lèi)號(hào): G06F30/13;G06F30/27;G06F30/28;G06N3/00;G06N3/02;G06N3/12;G06F113/08;G06F119/14
• 代理公司: 廣州市智遠(yuǎn)創(chuàng)達(dá)專(zhuān)利代理有限公司 44619
• 代理人: 李麗麗

1.一種懸浮隧道參數(shù)化橫斷面幾何優(yōu)化形狀及參數(shù)尋優(yōu)算法，其特征在于：包括以下步驟：

(1)根據(jù)工程建設(shè)需要，確定懸浮隧道橫斷面的幾何尺度；

(2)構(gòu)建Bézier參數(shù)化曲線函數(shù)用以描述滿足尺寸限制要求的組合斷面形狀，并運(yùn)用混合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與遺傳算法綜合算法對(duì)Bézier曲線函數(shù)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化；Bézier參數(shù)化曲線分為四段，每段曲線由四個(gè)控制點(diǎn)組成，并包含多個(gè)參數(shù)變量；

(3)在優(yōu)化變量約束條件范圍內(nèi)隨機(jī)生成n組優(yōu)化變量，通過(guò)物理模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)、或計(jì)算流體力學(xué)CFD代碼仿真模擬、或勢(shì)流理論數(shù)值計(jì)算方法，得出一系列不同參數(shù)組合下懸浮隧道橫斷面的水動(dòng)力學(xué)及結(jié)構(gòu)屬性指標(biāo)，即目標(biāo)子函數(shù)，用以建立尋優(yōu)算法樣本集；

(4)確立初始訓(xùn)練集及測(cè)試集，即在n組樣本中隨機(jī)選擇m組樣本作為初始訓(xùn)練集，剩余n-m個(gè)樣本作為測(cè)試集執(zhí)行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練過(guò)程；

(5)建立初始種群模型，對(duì)所有父代個(gè)體進(jìn)行編碼，經(jīng)選擇、交叉、變異算子產(chǎn)生子代，將輪盤(pán)賭選擇法實(shí)現(xiàn)的遺傳算法應(yīng)用于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的閾值和權(quán)值優(yōu)化，如此循環(huán)；在混合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與遺傳算法訓(xùn)練和學(xué)習(xí)過(guò)程后，建立由Bézier參數(shù)優(yōu)化變量組成的輸入?yún)?shù)與目標(biāo)優(yōu)化函數(shù)之間的相關(guān)關(guān)系；將預(yù)測(cè)結(jié)果與測(cè)試集進(jìn)行比較，均方誤差A(yù)RMSE和Pearson相關(guān)系數(shù)R²作為判別指標(biāo)；若預(yù)測(cè)誤差超過(guò)設(shè)定值，則重新隨機(jī)選擇m組樣本作為初始訓(xùn)練集，直至預(yù)測(cè)誤差滿足設(shè)定要求；

(6)在確定滿足設(shè)定誤差范圍內(nèi)的訓(xùn)練集之后，利用混合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與遺傳算法結(jié)構(gòu)中的訓(xùn)練集預(yù)測(cè)滿足約束條件的任意Bézier曲線參數(shù)的隨機(jī)組合對(duì)應(yīng)的懸浮隧道橫斷面的優(yōu)化子函數(shù)，經(jīng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)、計(jì)算流體力學(xué)CFD代碼仿真模擬、或勢(shì)流理論驗(yàn)證后，若優(yōu)化目標(biāo)子函數(shù)性能得到改善，且小于樣本內(nèi)所有優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)值，則輸出優(yōu)化的懸浮隧道橫斷面Bézier參數(shù)變量組合值，終止預(yù)測(cè)過(guò)程；若未滿足性能改善條件或預(yù)測(cè)結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)、計(jì)算流體力學(xué)CFD代碼仿真模擬、或勢(shì)流理論結(jié)果偏差較大，則需重復(fù)進(jìn)行迭代過(guò)程，直至滿足斷面優(yōu)化設(shè)計(jì)要求，并通過(guò)優(yōu)化算法流程，確定最優(yōu)水動(dòng)力學(xué)性能或結(jié)構(gòu)屬性的懸浮隧道橫斷面參數(shù)組合及斷面形狀。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的懸浮隧道參數(shù)化橫斷面幾何優(yōu)化形狀及參數(shù)尋優(yōu)算法，其特征在于：步驟(2)所述的參數(shù)化函數(shù)曲線基于Bézier參數(shù)化曲線，分為前緣厚度或后緣厚度函數(shù)，參數(shù)變量包括有x，y,b,r,β；根據(jù)懸浮隧道橫斷面的幾何尺度及幾何限制，合理確定各參數(shù)變量的區(qū)間范圍。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的懸浮隧道參數(shù)化橫斷面幾何優(yōu)化形狀及參數(shù)尋優(yōu)算法，其特征在于：步驟(3)所述的水動(dòng)力學(xué)及結(jié)構(gòu)屬性指標(biāo)為多目標(biāo)子函數(shù)，選取如下多目標(biāo)子函數(shù)組合形式：

f(x)＝f[C_l(x),C_d(x),C_p(x),C_m(x),P(x),A(x),...],x＝b,x,y,r,β

其中，C_l為斷面升力系數(shù)，C_d為斷面阻力系數(shù)，C_p為斷面壓力系數(shù)，C_m為斷面附加質(zhì)量系數(shù)，P為斷面周長(zhǎng)，A為斷面面積。

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的懸浮隧道參數(shù)化橫斷面幾何優(yōu)化形狀及參數(shù)尋優(yōu)算法，其特征在于：所述多目標(biāo)子函數(shù)在斷面優(yōu)化過(guò)程中，在確定截面高度、寬度或斷面凈空高度、凈空寬度的條件下，以斷面最小阻力系數(shù)C_d，min、斷面最小升力系數(shù)幅值C_l，min、斷面最小周長(zhǎng)P_min、斷面最大面積A_max作為優(yōu)化目標(biāo)；若依斷面各水動(dòng)力性能及結(jié)構(gòu)屬性指標(biāo)的重要性不同進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，則斷面參數(shù)優(yōu)化函數(shù)采用如下權(quán)重求和的表達(dá)形式：

f(x)＝w₁C_l(x)+w₂C_d(x)+w₃C_p(x)+w₄C_m(x)+w₅P(x)+w₆A(x)+...+w_nf(x)_n

其中w_i為權(quán)重系數(shù)，且滿足