应用于换热网络优化的RWCE算法接受差解策略分析与改进

以一定的概率接受差解是强制进化随机游走算法（RWCE）换热网络结构进化、跳出局部最优的关键.首先分析接受差解策略对算法的优化作用,通过设置不同的接受差解概率,对比RWCE算法优化换热网络的结构进化过程,基于分析结论,提出以换热器数目为导向的接受差解概率控制策略,提升算法的计算效率和结构进化能力.通过算例验证,表明引入该策略的RWCE算法具有更强的全局搜索能力,优化质量得到有效提升.     

智能调整接受差解几率的RWCE算法

强制进化随机游走算法（RWCE）应用于换热网络优化,具有算法流程简洁、结构进化能力强等特点。其中接受差解几率对个体跳出局部最优有重要的影响。本文统计优化后期连续变量和结构变量使得年综合费用下降的次数,分析二者对优化进程的影响,讨论接受差解几率在个体优化进程中所起的作用,提出一种通过判别差解结构与原结构的异同来智能调整接受差解几率的换热网络优化方法。该策略进一步强化个体的结构进化与跳出局部极值的能力,通过算例证明了策略的有效性。     

一种适用于复杂换热网络优化的耦合联动进化策略

针对启发式算法在优化换热网络后期由于种群多样性消失等原因造成难以找到使年综合费用进一步下降的进化方向，本文提出换热器耦合联动进化策略.该策略在一般启发式算法优化后期通过按一定概率分布抽取部分换热量不为零的换热器参与联动进化，以找到使费用下降的耦合匹配.算例验证表明，该策略效果明显.将该策略与RWCE算法相结合组成一种混合算法.首先采用RWCE算法对求解域进行初步探索，利用该算法强大的全局搜索能力找到求解域内各个潜力结构.然后再用耦合联动进化策略对各潜力结构进行深入搜索，搜索完成后再经变异反馈给RWCE算法.将该混合算法应用于10SP2和15SP算例，得到了较好的优化结果.     

采用三层保护策略的强制进化随机游走算法同步综合换热网络

强制进化随机游走算法（RWCE）同步综合换热网络时,存在个体最优解的进化路径被接受差解打乱而不接受差解又很难跳出局部最优的问题.提出一种采用三层保护策略的RWCE算法,将种群中个体分为三层,底层采用基本RWCE进行优化,以保护个体的全局搜索能力;中层读取底层各个体的历史最优解,并采用带微调功能的RWCE进行优化,以保护各个体最优解的进化路径不被打乱;顶层所有个体以中层最优个体的解为初始点,采用带自动精细搜索功能的RWCE进行优化,以保证最优个体得到充分的搜索;最后将顶层搜索到的结果传递给底层对应个体.实例表明,算法在允许接受差解的同时保护了个体最优解的进化路径,并实现了全局搜索能力与局部搜索能力的兼顾.     

垂直非结构模型应用于换热网络优化

节点非结构模型优化换热网络时会出现换热器交叉排列的情况，分析发现在相同传热负荷下交叉结构比垂直结构换热单元总传热面积增大，同时明显降低算法的计算效率.基于此，建立垂直非结构模型.与节点非结构模型相比，垂直非结构模型降低了优化过程中的计算复杂度，并且能够消除交叉结构带来的不利影响，有效提升了优化的效率及求解精度.应用两个算例对基于垂直非结构模型的强制进化随机游走算法（RWCE）进行优化性能分析，取得了优于文献的结果.     

加权差分进化算法应用于换热网络综合

针对差分进化算法应用于换热网络受控制参数影响和后期种群多样性丧失进化乏力的不足,引入加权差分进化算法提升优化性能,算法的有效性已经在连续变量优化得到证明.本研究将其引入属于混合整型变量的换热网络综合,实现差分进化算法无控制参数调节.使用三个小到中等规模网络算例进行验证,其中两个算例取得目前公开文献最优年综合费用.通过建...     

基于节点非结构模型的换热网络结构多样性分析及改进优化策略

强制进化随机游走算法优化换热网络过程中会出现个体结构相似现象,导致种群结构多样性下降,算法全局搜索能力不足,难以进一步优化换热网络结构。针对基于节点非结构模型的换热网络结构相似现象展开研究,制定两个评价指标衡量优化过程中个体结构相似水平,发现个体结构内相似换热单元数逐步增加,而相似换热单元的热负荷差距逐步减小,个体结构相似水平越来越高。基于此,以提升种群多样性为指导,提出换热单元排斥性进化策略,通过增大相似换热单元的热负荷差距,激励相似换热单元的差异性进化,从而改变结构进化方向,降低相似结构规模。最后应用20SP和15SP两个算例验证该策略的有效性,结构年综合费用与文献最优结果相比分别下降了12 105＄·a^-1和52 535＄·a^-1,说明该策略可以有效提升算法全局搜索能力。     

一种热集成系统的动态多智能体微分进化算法

针对热集成系统换热网络存在的严重非凸非线性与多维多极值问题,提出动态多智能体微分进化算法.结合动态更新策略,并引入多智能体算法的环境感知能力,改进微分进化算法的种群生成方式与变异机制,并增强在大规模复杂非线性系统中的全局搜索能力.通过10SP2与9SP1换热网络经典算例优化,得到最佳年综合费用,体现出了改进算法更优的全局搜索能力.     

应用于换热网络的RWCE算法参数匹配研究与策略

换热网络优化属于混合整数非线性规划问题,具有严重的非凸非线性特征,是过程系统优化的重点和难点。文章介绍了强制进化随机游走算法(RWCE)的基本原理,以有固定投资,计算规模相对较大的H13C7换热网络算例为例,从计算效率和精度等方面综合考虑算法在不同参数设置下对结构进化和连续变量优化进程的影响,提出了对应策略。经证明,参数的组合优化设置有助于提高算法的效能,取得较好的优化结果。     

周期优势结构提炼与搜索路径强化结合提升换热网络结构进化能力

针对强制进化随机游走算法（RWCE）在优化后期会陷入局部最优而使搜索能力下降的问题，提出周期优势结构提炼与搜索路径强化结合策略.首先对系统种群初步优化，每隔一定周期进行一次优势个体提炼，然后采用多重路径复制的方法将这些优势个体给其他个体，最后根据搜索机制遍布整个求解域.以优势个体为中心进行多重路径搜索策略，提高了局部寻优精度，增加了种群多样性，进而增强了全局搜索能力，优化效率和质量得以提高.     

应用结构摄动策略的有分流换热网络优化

有分流节点非结构模型（NNM-SS）应用于换热网络优化时，因难以生成合适的分流结构而使优化陷入局部极值.根据NNM-SS的优化特点及网络结构中分流次数对费用的影响，提出结构摄动策略，并将其引入强制进化随机游走算法（RWCE-SS）.策略的主要思想为：在优化过程中，以一定的概率随机抽取一个无分流结构的换热器，并在该位置上生成一组新的分流结构以增加网络中的分流次数，通过对结构的摄动实现对算法搜索能力的提升.算例验证表明应用该策略改进的算法可获得更好的优化结果.     

保护有效结构的整型/连续变量分离优化策略改进RWCE算法

强制进化随机游走算法优化换热网络时,连续变量进化阶段产生年综合费用更低的结构会被整型变量进化操作所破坏,导致连续变量进化后形成的结构未能充分发挥优势,制约了连续变量进化。本文提出保护有效结构的整型/连续变量分离优化策略,将连续变量进化与整型变量进化两个阶段的结构费用分别进行判断,从而保护具有发展潜力的结构,使年综合费用进一步降低。通过算例研究,取得优于文献的结果,并有效提升了算法计算精度,验证了策略的有效性。     

基于公用工程内置策略的换热网络优化

传统换热网络分级超结构模型（SWS）只允许公用工程布置在流股末端,限制了网络结构的灵活发展.提出一种公用工程内置策略,允许公用工程布置在结构内部的各流股分支上.采用具有结构保护策略的强制进化随机游走算法（SP-RWCE）.并提出一种伪最优解生成策略,通过扩大长期未更新个体的年综合费用,促使有潜力的伪最优解产生并接受保护和开发.三个基准算例的优化结果均优于文献最优解,且均包含内部公用工程.表明改进SWS相比原SWS模型扩大了求解空间,改进SP-RWCE具有更强的搜索能力,验证了布置内部公用工程能有效减少换热面积.     

应用固定投资费用松弛策略的换热网络优化

启发式算法优化有固定投资费用的换热网络时，由于存在整型变量而造成结构进化困难，提出固定投资费用松弛策略.对固定投资费用进行松弛处理实现对数学模型的简化，当换热器换热量很小时固定投资费用几乎为零，随着换热量的增大，固定投资费用以一定斜率逐步增大最终等于实际值.通过松弛强度系数控制变化斜率，在保证优化结果可靠性的基础上引导存在结构进化障碍的换热器生成或消去.对文献中两个算例的优化结果进行分析，考察不同松弛强度下对换热器生成、消去的作用.提出基于固定投资费用松弛策略的强制进化随机游走算法，并应用于换热网络实例.     

换热网络中温度交叉结构的分析与处理

在以换热量作为待优化连续变量的换热网络优化问题中，流股匹配可能出现温度交叉，常以惩罚函数法处理存在温度交叉的不可行结构.然而，当采用强制进化随机游走算法时，由于其接受差解的变异操作，温度交叉结构可能以差解的形式被接受，对优化进程产生负面影响而降低优化效率.因此，首先分析换热网络中温度交叉结构的成因，接着分析该不可行结构对算法优化进程的消极作用，然后提出一种处理方法，当种群中个体随机游走到不可行域时，强制使其回到可行域内的原位重新优化，从而提升算法优化效率.     

RWCE算法中选择性接受差解策略优化换热网络

强制进化随机游走算法优化换热网络时,以一定的概率接受差解可有效促进结构进化,非贪婪性的差解搜索机制是目标函数跳出局部极值的关键。本文分析接受差解机制的作用,探究不同优化阶段的差解结构来源,观察年综合费用变化,发现大多数被接受的差解结构在后续的优化中又回归到原结构,存在较多无效的参数传递过程。我们提出选择性接受差解策略,只接受具有新个体产生的差解,基于指数函数建立接受差解概率递增公式,并对结构中的新个体加以保护以增强其在结构中的存活率。最后选用9SP₂、20SP算例进行验证,取得了优于已发表文献的最优结果,证明了该策略的可行性。