本發(fā)明涉及農(nóng)業(yè)和園林灌溉技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種輪灌組劃分方法。

背景技術(shù)：

節(jié)水灌溉(主要是噴滴灌)設(shè)計(jì)工作主要包括管網(wǎng)布置和輪灌方案劃分兩個(gè)階段，一般地，兩者是相輔相成的，然而考慮到施工的方便以及管道的規(guī)格，近些年來很多地方管網(wǎng)采用固定模式，因此目前節(jié)水灌溉設(shè)計(jì)的主要工作在于輪灌方案的劃分。輪灌的實(shí)現(xiàn)主要是控制地面支管或者噴灑支管入口的閥門開閉，達(dá)到系統(tǒng)各支管輪流灌溉的目的，從而分散流量，節(jié)約工程投資成本。

輪灌方案的劃分，決定著系統(tǒng)運(yùn)行成本、運(yùn)行穩(wěn)定性及灌溉均勻度等。但現(xiàn)今的劃分方法往往通過人工調(diào)整方法，通過excel逐級(jí)推算到系統(tǒng)首部，對(duì)于500畝以下的規(guī)則小規(guī)模系統(tǒng)來說，人工方法一般能夠滿足設(shè)計(jì)要求，但對(duì)于中大規(guī)模及不規(guī)則系統(tǒng)，人工劃分輪灌方案需要進(jìn)行不斷的嘗試，耗時(shí)耗力，而且由于人為因素影響較大，很多情況下很難得到比較合理的方案。節(jié)水灌溉設(shè)計(jì)相比大多數(shù)水利工程要簡單很多，輪灌方案劃分主要工作是管網(wǎng)水力計(jì)算，從管網(wǎng)最末端逐級(jí)推到首部計(jì)算出揚(yáng)程和流量，方案的優(yōu)劣根據(jù)各個(gè)輪灌組流量和揚(yáng)程的均衡程度及管網(wǎng)節(jié)點(diǎn)壓力的均衡性進(jìn)行判斷。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對(duì)現(xiàn)有輪灌組劃分的問題，提供一種輪灌組劃分方法，采用冒泡排序算法和貪婪算法相結(jié)合的方式，處理輪灌組流量及揚(yáng)程綜合均衡的問題，改進(jìn)管網(wǎng)優(yōu)化水平，縮短管網(wǎng)設(shè)計(jì)中輪灌組劃分時(shí)間，提高管網(wǎng)設(shè)計(jì)效率。

本發(fā)明解決上述技術(shù)問題的技術(shù)方案如下：

一種輪灌組劃分方法，包括以下步驟：

步驟1：建立輪灌組劃分?jǐn)?shù)學(xué)模型；

步驟2：對(duì)所有的輪灌支管進(jìn)行分配，使得所述步驟1中建立的數(shù)學(xué)模型的目標(biāo)函數(shù)最小，即各輪灌組的揚(yáng)程和流量達(dá)到綜合均衡。

在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本發(fā)明還可以做如下改進(jìn)。

進(jìn)一步：所述步驟1中建立的數(shù)學(xué)模型為，

min

s.t.

其中，n為待劃分輪灌支管的根數(shù)，m為輪灌組數(shù)；xij表示第i根支管在第j個(gè)輪灌組中的開閉狀態(tài)，當(dāng)xij＝1時(shí)，表示第i根支管在第j個(gè)輪灌組中為打開狀態(tài)，當(dāng)xij＝0時(shí)，表示第i根支管在第j個(gè)輪灌組中為關(guān)閉狀態(tài)；hi和qi分別為第i根支管進(jìn)口的進(jìn)口需求壓力和進(jìn)口需求流量；hj和qj分別為第j個(gè)輪灌組的揚(yáng)程和流量；μh和μq分別為各輪灌組揚(yáng)程和流量的平均值；σh和σq分別為各輪灌組揚(yáng)程和流量的標(biāo)準(zhǔn)差。

進(jìn)一步：所述數(shù)學(xué)模型中，目標(biāo)函數(shù)為

其中，cvh和cvq分別為各輪灌組揚(yáng)程和流量的變異系數(shù)，

目標(biāo)函數(shù)最小時(shí)，各輪灌組之間的揚(yáng)程和流量達(dá)到綜合均衡。

進(jìn)一步：所述m、n均為自然數(shù)。

進(jìn)一步：所述步驟2采用貪婪算法和冒泡算法相結(jié)合的方式，其具體步驟為，

步驟2.1：將所有輪灌支管采用冒泡排序法按支管流量大小進(jìn)行排序；

步驟2.2：采用貪婪算法將排序后的支管分配到各個(gè)輪灌組；

步驟2.3：采用冒泡算法，對(duì)所述步驟2.2中分配完成的輪灌組進(jìn)行調(diào)整，使得各個(gè)輪灌組之間的揚(yáng)程和流量達(dá)到綜合均衡。

進(jìn)一步：所述步驟2.1中冒泡排序法的具體步驟為，

步驟2.1.1：對(duì)所有的輪灌支管進(jìn)行編號(hào)，并計(jì)算每個(gè)輪灌支管的流量；

步驟2.1.2：比較相鄰編號(hào)的兩個(gè)輪灌支管的流量大小，按流量的大小交換輪灌支管的位置；

步驟2.1.3：對(duì)剩下的輪灌支管重復(fù)所述步驟2.1.2，直至所有的輪灌支管按流量的大小重新排序。

進(jìn)一步：所述步驟2.1.2和所述步驟2.1.3中輪灌支管按流量從大至小或者從小至大的順序進(jìn)行排序，最后得到流量最小或者最大的輪灌支管，方便后面步驟的進(jìn)行。

進(jìn)一步：所述步驟2.2中采用貪婪算法的具體分配步驟為，

步驟2.2.1：將按流量從大至小或者從小至大的順序排序完的輪灌支管分配到m個(gè)輪灌組中，從流量最大或者最小的輪灌支管開始分配；

步驟2.2.2：分別計(jì)算待分配的輪灌支管分配到第m個(gè)輪灌組中時(shí)，該輪灌組目標(biāo)函數(shù)的值，并進(jìn)行比較，以目標(biāo)函數(shù)的值最小時(shí)的輪灌組為最佳分配方案；

步驟2.2.3：重復(fù)所述步驟2.2.1和步驟2.2.2，直至所有的輪灌支管分配完成。

進(jìn)一步：所述步驟2.2.2中的目標(biāo)函數(shù)為輪灌組的流量偏差最小。

進(jìn)一步：所述步驟2.3中采用冒泡算法的輪灌組具體調(diào)整步驟為，

步驟2.3.1：將所述步驟2.2中分配好的輪灌組以揚(yáng)程和流量綜合均衡為目標(biāo)函數(shù)，按照所述數(shù)學(xué)模型進(jìn)行計(jì)算；

步驟2.3.2：將第一個(gè)輪灌組中的第n個(gè)輪灌支管，與其他輪灌組的輪灌支管進(jìn)行位置對(duì)調(diào)，按照所述數(shù)學(xué)模型計(jì)算對(duì)調(diào)后的所述目標(biāo)函數(shù)，并與對(duì)調(diào)前的目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行對(duì)比，如果對(duì)調(diào)后分配方案更優(yōu)，則將該輪灌支管對(duì)調(diào)；

步驟2.3.3：重復(fù)上述步驟，按順序依次調(diào)整所有輪灌組中的輪灌支管，得到輪灌組劃分最優(yōu)方案。

本發(fā)明的有益效果是：通過建立有效的輪灌組劃分?jǐn)?shù)學(xué)模型，將抽象的輪灌組劃分以定量的方式直觀表示，方便進(jìn)行輪灌組劃分最優(yōu)方案的設(shè)計(jì)；采用貪婪算法與冒泡算法相結(jié)合的方式，通過冒泡排序法對(duì)輪灌支管進(jìn)行排序，通過貪婪算法將排序好的支管分配到各輪灌組，然后通過冒泡算法對(duì)輪灌組進(jìn)行調(diào)整，從而得到最優(yōu)的輪灌組劃分方案，使得各輪灌組之間的揚(yáng)程和流量均衡，達(dá)到分散流量、節(jié)約投資成本的目的，并能縮短管網(wǎng)設(shè)計(jì)中輪灌組劃分時(shí)間，提高管網(wǎng)設(shè)計(jì)效率。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的方法流程圖。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的原理和特征進(jìn)行描述，所舉實(shí)例只用于解釋本發(fā)明，并非用于限定本發(fā)明的范圍。

如圖1所示，一種輪灌組劃分方法，其包括以下步驟：

步驟1：建立輪灌組劃分?jǐn)?shù)學(xué)模型；

步驟2：對(duì)所有的輪灌支管進(jìn)行分配，使得所述步驟1中建立的數(shù)學(xué)模型的目標(biāo)函數(shù)最小，即各輪灌組的揚(yáng)程和流量達(dá)到綜合均衡。

n為待劃分輪灌支管的根數(shù)，m為輪灌組數(shù)；xij表示第i根支管在第j個(gè)輪灌組中的開閉狀態(tài)，當(dāng)xij＝1時(shí)，表示第i根支管在第j個(gè)輪灌組中為打開狀態(tài)，當(dāng)xij＝0時(shí)，表示第i根支管在第j個(gè)輪灌組中為關(guān)閉狀態(tài)。所述m、n均為自然數(shù)。

實(shí)際上，輪灌劃分方案就是求解最合理的矩陣x，且

約束條件為同一根輪灌支管在所有的輪灌組中僅打開一次，即

hi(m)和qi(m³/h)分別為第i根支管進(jìn)口的進(jìn)口需求壓力和進(jìn)口需求流量；hj(m)和qj(m³/h)分別為第j個(gè)輪灌組的揚(yáng)程和流量；μh(m)和μq(m³/h)分別為各輪灌組揚(yáng)程和流量的平均值；σh和σq分別為各輪灌組揚(yáng)程和流量的標(biāo)準(zhǔn)差；cvh和cvq分別為各輪灌組揚(yáng)程和流量的變異系數(shù)，則

合理的輪灌組劃分方案要求各輪灌組之間的揚(yáng)程和流量綜合均衡，也即是cvh和cvq較小，該問題為雙目標(biāo)問題，即為

傳統(tǒng)的人工經(jīng)驗(yàn)法是人工結(jié)合excel表格，通過人工試算進(jìn)行輪灌組的劃分，其效率由輪灌組的數(shù)量、輪灌支管的數(shù)量、灌區(qū)劃分的復(fù)雜程度、人工經(jīng)驗(yàn)所決定的，當(dāng)輪灌支管的數(shù)量達(dá)到百位數(shù)時(shí)，其往往需要數(shù)小時(shí)甚至數(shù)天來完成，且得到的結(jié)果并非最優(yōu)解。而采用本發(fā)明的劃分方法，通過程序計(jì)算，幾秒中的時(shí)間便可得到輪灌組劃分的最優(yōu)結(jié)果，從而極大縮短了管網(wǎng)設(shè)計(jì)中輪灌組劃分時(shí)間，提高管網(wǎng)設(shè)計(jì)的效率。

所述步驟1中建立的數(shù)學(xué)模型為，

min

s.t.

具體的，所述步驟2采用貪婪算法和冒泡算法相結(jié)合的方式，其具體步驟為，

步驟2.1：將所有輪灌支管采用冒泡排序法按支管流量大小進(jìn)行排序；

步驟2.2：采用貪婪算法將排序后的支管分配到各個(gè)輪灌組；

步驟2.3：采用冒泡算法，對(duì)所述步驟2.2中分配完成的輪灌組進(jìn)行調(diào)整，使得各個(gè)輪灌組之間的揚(yáng)程和流量達(dá)到綜合均衡。

采用冒泡排序算法和貪婪算法相結(jié)合的方式處理數(shù)學(xué)模型中輪灌組設(shè)計(jì)中流量及揚(yáng)程均衡的問題。

具體的，所述步驟2.1中冒泡排序法的具體步驟為，

步驟2.1.1：對(duì)所有的輪灌支管進(jìn)行編號(hào)，并計(jì)算每個(gè)輪灌支管的流量；

步驟2.1.2：比較相鄰編號(hào)的兩個(gè)輪灌支管的流量大小，按流量的大小交換輪灌支管的位置；

步驟2.1.3：對(duì)剩下的輪灌支管重復(fù)所述步驟2.1.2，直至所有的輪灌支管按流量的大小重新排序。

所述步驟2.1.2和所述步驟2.1.3中輪灌支管按流量從大至小或者從小至大的順序進(jìn)行排序，最后得到流量最小或者最大的輪灌支管，方便后面步驟的進(jìn)行。

具體的，所述步驟2.2中采用貪婪算法的具體分配步驟為，

步驟2.2.1：將按流量從大至小或者從小至大的順序排序完的輪灌支管分配到m個(gè)輪灌組中，從流量最大或者最小的輪灌支管開始分配；

步驟2.2.2：分別計(jì)算待分配的輪灌支管分配到第m個(gè)輪灌組中時(shí)，該輪灌組目標(biāo)函數(shù)的值，并進(jìn)行比較，以目標(biāo)函數(shù)的值最小時(shí)的輪灌組為最佳分配方案；

步驟2.2.3：重復(fù)所述步驟2.2.1和步驟2.2.2，直至所有的輪灌支管分配完成。

所述步驟2.2.2中的目標(biāo)函數(shù)為輪灌組的流量偏差最小。

具體的，所述步驟2.3中采用冒泡算法的輪灌組具體調(diào)整步驟為，

步驟2.3.1：將所述步驟2.2中分配好的輪灌組以揚(yáng)程和流量綜合均衡為目標(biāo)函數(shù)，按照所述數(shù)學(xué)模型進(jìn)行計(jì)算；

步驟2.3.2：將第一個(gè)輪灌組中的第n個(gè)輪灌支管，與其他輪灌組的輪灌支管進(jìn)行位置對(duì)調(diào)，按照所述數(shù)學(xué)模型計(jì)算對(duì)調(diào)后的所述目標(biāo)函數(shù)，并與對(duì)調(diào)前的目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行對(duì)比，如果對(duì)調(diào)后分配方案更優(yōu)，則將該輪灌支管對(duì)調(diào)；

步驟2.3.3：重復(fù)上述步驟，按順序依次調(diào)整所有輪灌組中的輪灌支管，得到輪灌組劃分最優(yōu)方案。

具體實(shí)施方式，取n＝149、m＝24，即輪灌支管的數(shù)量為149根，輪灌組的數(shù)量為24個(gè)，則共有24¹+24²+24³+...+24^(149-24)種分配方案，通過計(jì)算機(jī)枚舉法計(jì)算，也幾乎是不可能；采用人工經(jīng)驗(yàn)法，并結(jié)合excel表格，需要1天至2天的時(shí)間得到可行的方案，且不一定為最優(yōu)方案；而采用本發(fā)明的輪灌組劃分方法，通過程序?qū)崿F(xiàn)只需要數(shù)秒就可以得到最優(yōu)解，即輪灌組劃分的最佳方案。

具體計(jì)算結(jié)果如下表1所示：

表1輪灌組計(jì)算結(jié)果表

計(jì)算結(jié)果表明輪灌支管中的最大流量為261.66m³/h，輪灌組的最大揚(yáng)程為13.39m，輪灌組具體分配方案見上表1，目標(biāo)函數(shù)的最優(yōu)解為0.08272，即cvh＝0.06682和cvq＝0.01590時(shí)，α＝1，β＝1，此時(shí)目標(biāo)函數(shù)min最優(yōu)，用時(shí)10秒。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。