[發明專利]基于向量角粒子群的農田多目標控制排水模型的求解方法

有效

• 申請號: 202011088524.2
• 申請日: 2020-10-13
• 公開（公告）號: CN112182948B
• 公開（公告）日: 2023-03-03
• 發明（設計）人: 楊磊;胡鑫;黃康
• 申請（專利權）人: 華南農業大學
• 主分類號: G06F30/25
• 分類號: G06F30/25;G06F111/06;G06F119/12
• 代理公司: 佛山市君創知識產權代理事務所(普通合伙) 44675
• 代理人: 杜鵬飛

本發明公開了一種基于向量角粒子群的農田多目標控制排水模型的求解方法，包括：獲取待求解的農田多目標控制排水模型；基于粒子群算法，隨機生成初始種群，并初始化種群參數；使用克隆操作外部存檔，以生成新的解集；對外部存檔和解集的并集進行存檔更新操作，在完成存檔更新后，更新種群；更新完成后，得到新的外部存檔，至此完成一次循環；達到設定的循環條件后，輸出最終的外部存檔作為決策者參考的對象，該外部存檔中包含控制時間及其對應的所述目標控制排水模型的解。相比于傳統多目標粒子群優化算法，本發明處理了早熟收斂和難以選擇引導種群引導者這兩大問題，從而有效地模擬出最佳控制排水時間，為農田排水方法提供了科學管理的方法。

技術領域

本發明涉及農田排水與智能計算兩大領域，主要涉及一種基于向量角粒子群的農田多目標控制排水模型的求解方法。

背景技術

農田排水是指將農田中過多的地面水、土壤水和地下水排除，改善土壤的水、肥、氣、熱關系，以利于作物生長的人工措施；農業排水最直接的目的就是去除田間多余的水分。由于水文規律的隨機性，短歷時的暴雨和連陰雨極易造成田間積水過多，影響作物正常生長，繼而造成減產。要保持土地的可耕作性以及提高農田的單位產量，排水系統是關鍵。良好的農田排水性能可以增加土壤通風，減少礦物失衡并能防止大幅減少土壤鹽度，從而有效改善土壤條件。故對于農田排水的科學管理方法的研究是非常必要且迫切的。

減少礦物失衡是農業排水的基本任務與目標。在中國南方丘陵地區的地表排水過程中，氮、磷流失的主要途徑有兩種：一、由于對流和擴散作用，農田表層可溶性氮、磷遷移到地表徑流中流失。二、雨滴擊濺侵蝕、徑流沖刷和細溝侵蝕，會使得泥沙顆粒和土壤團聚體中的氮和磷流失。雖然可以通過降低徑流速度，地表控制排水使得排水中的懸移質和推移質易于沉淀，降低排水中的氮、磷濃度，從而減少農田的氮、磷流失量。但是控制排水也增加了土壤入滲量，減少了地表徑流量，然而土壤入滲量的增加有可能會導致漬害。

經過學者驗證降低農田的氮、磷濃度與減少入滲量是互相競爭的排水目標，無法找到能使所有目標同時達到最優的排水控制時間。這種多個目標函數相互沖突的問題便被稱為多目標優化問題，對于這種問題有傳統的規劃方法和基于達爾文進化理論的智能計算方法；粒子群優化算法能夠在很大程度上提高求解農田排水模型的準確度，但傳統粒子群算法本身在理論和應用技術上也有一些不足，從實際應用的角度看，比較突出的有兩點：一、容易陷入局部最優，即很容易收斂到局部最優而不是全局最優。二、難以選擇引導粒子群的引導者，因為在多目標優化問題中粒子群里面的解大部分都是無法簡單進行比較的非支配解。

早熟現象產生的根本原因在于進化算法后期未能有效維護種群多樣性，導致算法搜索停滯不前，最后只能收斂到局部解。因此，如何維持種群多樣性是解決早熟問題的關鍵。外部存檔通過存儲在進化過程中一些相互不支配的解。雖然，它們無法進行直接的比較，但是這些非支配解不能隨便丟棄，因為它們大多儲存了非常重要的歷史信息，對于維持粒子群的多樣性性非常重要。同時計算資源有限，如何有效維護外部存檔的大小也是關鍵。

在采用傳統粒子群優化算法處理多目標優化問題時，無法通過單個目標的值來比較選擇個體最優和全局最優。雖然通過帕累托支配關系進行比較是可行的，但是大多數解決方案都是非支配解(即非支配解無法被直接地比較好壞)，這就使得選擇合適的解成為粒子群速度更新公式里面的個體最優和全局最優變得愈加困難。

發明內容

為了克服現有技術的缺點與不足，本發明的目的在于提供一種求解農田排水模型的基于向量角的粒子群優化算法，解決傳統粒子群算法存在的易早熟和難以選擇全局最優和局部最優的兩大缺陷，然后將算法用于求解農田排水模型，以得到具有較高魯棒性和可靠性的準確度。

為了實現上述任務，本發明采用以下技術方案：

一種基于向量角粒子群的農田多目標控制排水模型的求解方法，包括以下步驟：

獲取待求解的農田多目標控制排水模型；