基于多目标规划的流体加热融雪系统运行参数的优化方法与流程

本发明涉及交通运输工程领域，具体涉及流体加热融雪系统运行参数的优化方法。

背景技术

在我国北方地区，降雪天气下的融雪问题严重制约着道路、桥梁以及机场等场所的安全高效运行。目前采用的除冰雪方式如撒融雪剂、除雪车辆或人工除雪等均体现出一定的局限性，撒融雪剂对环境以及建筑构筑物有一定的危害，并且其使用性能受环境影响因素较大；机械除雪和人工除雪需要占道工作，影响到了道路桥梁或者机场的正常运行，且除雪效率低下，伴随着降雪的进行往往需要多次反复除雪。针对以上问题，学者开发出了流体加热路面融雪系统，该系统以其良好的融雪适用性，系统可控性，热能来源广泛性，在各除雪敏感性场所具有广阔的应用前景。

现阶段国内外学者对于流体加热系统的研究主要集中在试验观测和理论模拟分析方面，对系统传热机理以及影响运行能力的参数进行了广泛的研究，但在系统融雪策略方面的研究较少；目前系统的建设及运行大多依靠设计(使用)者的经验而确定，缺乏理论基础，这在一定程度上增加了初期设计及后期运行的盲目性，极大影响了该项技术的实际使用效果；同时，现阶段关于系统融雪效果和融雪成本的研究较为匮乏，对于系统运行融雪能力及优化运行策略的计算预测都缺乏科学性与系统性，在一定程度上制约了该项技术的工程实际应用。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决现有技术无法计算系统融雪效果和运行成本以及无法确定最优运行参数的问题，而提出基于多目标规划的流体加热融雪系统运行参数的优化方法。

基于多目标规划的流体加热融雪系统运行参数的优化方法包括以下步骤：

步骤一：建立流体加热融雪系统融雪效果数据库；

步骤二：根据步骤一建立的流体加热融雪系统融雪效果数据库，计算某一工况条件下流体加热融雪系统融雪效果f，所述工况条件包括环境温度、太阳辐射强度、风速和降雪速率；

步骤三：通过建立传递热流密度的控制方程，计算传递热流密度q，根据传递热流密度q得到单位面积路体范围内流体加热融雪系统运行费用m；

步骤四：确定经济指数r，根据经济指数r对步骤三得到的单位面积路体范围内流体加热融雪系统运行费用m进行评价；

步骤五：根据步骤二和步骤四，采用多目标规划的方法建立流体加热融雪系统运行策略的优化模型；

步骤六：对步骤五建立的流体加热融雪系统运行策略的优化模型进行求解，得到某一工况条件下流体加热融雪系统最优运行参数，所述流体加热融雪系统运行参数为流体加热融雪系统的预热时间tyr和流体温度tf；

步骤七：重复执行步骤六，得到全工况条件下流体加热融雪系统最优运行参数集合，根据最优运行参数集合得到全工况条件下流体加热融雪系统运行参数的控制图。

为了更直观地输出系统优化策略，根据多工况试算结果绘制了优化策略控制图谱，用于系统管理者针对不同的运行环境条件适时调整系统的运行策略。

本发明的有益效果为：

本发明针对目前流体加热路面融雪系统融雪效果和运行成本的预测缺乏科学性，而在实际运行中，系统运行策略的选择存在极大的盲目性的问题，提出了一种预测流体加热路面融雪系统融雪效果和运行成本的方法，并提出了系统优化运行策略。

针对现有技术的问题，本发明基于自行开发的流体加热道面融雪系统仿真模型实现了系统运行融雪效果的计算，并提出了系统运行经济效益的评价方法，实现了运行成本的预测，基于融雪效果与经济效益双目标优化方法，提出了系统优化运行策略。

本发明具有以下优点：

1)基于仿真模型的试算，实现了多工况全策略融雪效果数据库的构建，该方法可以快速计算并输出特定工况条件以及特定运行策略下的系统融雪效果。

2)基于回归分析，建立了系统运行传递热流密度的控制方程，并通过物理分析，揭示了传递热流密度与系统消耗热量的内在物理联系，并通过电价的转化方式计算系统的运行成本。

3)提出了系统运行成本的评价方法，可以供用户在特定的运行环境中比较不同的策略所产生的经济成本。

4)基于多目标规划方法，建立了系统运行策略的优化模型，并提出了系统运行策略优度的评价方法。

5)基于智能遗传算法，实现了策略优化模型的求解，并提出了不同运行条件下最优的系统运行策略。

6)采用优化策略控制图的方式实现了优化策略的输出，其使用方便直观，可供系统管理者适时调整运行策略。

本发明能够快速、准确地输出流体加热系统的融雪效果，并计算系统运行经济费用，提出了针对二者进行优化后的系统最优运行参数，使系统运行的经济成本控制在较低水平，同时保证了系统的融雪效果，使系统的运行和控制具有更高的科学性。

附图说明

图1为工况一条件下融雪效果输出曲面图；

图2为工况二条件下融雪效果输出曲面图；

图3为工况三条件下融雪效果输出曲面图；

图4为工况一条件下适应度曲面图；

图5为工况二条件下适应度曲面图；

图6为工况三条件下适应度曲面图；

图7为环境温度263k，考量比例为60:40的流体温度控制图；

图8为环境温度263k，考量比例为60:40的预热时间控制图。

图中a-e分别代表了降雪速率为0.2mm/h、0.4mm/h、0.6mm/h、0.8mm/h、1.0mm/h的曲线。

具体实施方式

具体实施方式一：基于多目标规划的流体加热融雪系统运行参数的优化方法包括以下步骤：

步骤一：建立流体加热融雪系统融雪效果数据库；

步骤二：根据步骤一建立的流体加热融雪系统融雪效果数据库，计算某一工况条件下流体加热融雪系统融雪效果f，所述工况条件包括环境温度、太阳辐射强度、风速和降雪速率；

步骤三：通过建立传递热流密度的控制方程，计算传递热流密度q，根据传递热流密度q得到单位面积路体范围内流体加热融雪系统运行费用m；

步骤四：确定经济指数r，根据经济指数r对步骤三得到的单位面积路体范围内流体加热融雪系统运行费用m进行评价；

步骤五：根据步骤二和步骤四，采用多目标规划的方法建立流体加热融雪系统运行策略的优化模型；

步骤六：对步骤五建立的流体加热融雪系统运行策略的优化模型进行求解，得到某一工况条件下流体加热融雪系统最优运行参数，所述流体加热融雪系统运行参数为流体加热融雪系统的预热时间tyr和流体温度tf；

步骤七：重复执行步骤六，得到全工况条件下流体加热融雪系统最优运行参数集合，根据最优运行参数集合得到全工况条件下流体加热融雪系统运行参数的控制图。

为了更直观地输出系统优化策略，根据多工况试算结果绘制了优化策略控制图谱，用于系统管理者针对不同的运行环境条件适时调整系统的运行策略。

本发明公开了一种针对流体加热道面融雪系统的双目标优化运行策略，其涉及到系统融雪效果的评价、运行经济效益的评价、策略优度的评价以及优化策略的提出，可实现系统在多工况条件下，提出满足融雪需求并拥有合理经济效益的优化运行策略。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述步骤一中建立流体加热融雪系统融雪效果数据库的具体过程为：

将4个环境参数和2个运行参数根据当地气候条件进行等梯度选取试算值，形成6维的融雪效果试算网格，利用自行开发的流体加热路面融雪系统仿真计算软件(软件名称：流体加热路面融雪系统融雪性能仿真软件；软件简称：融雪性能计算软件；登记号：2018sr439618)对流体加热融雪系统的运行状态进行模拟预测，获得不同工况条件及流体加热融雪系统运行参数下的道路表面雪层厚度数据，采用目标无雪率为100％的无雪时间比(目标无雪时间比)作为评价流体加热融雪系统融雪效果的指标，进行融雪效果的计算；所述4个环境参数为环境温度、太阳辐射强度、风速和降雪速率，2个运行参数为预热时间tyr和流体温度tf；

无雪时间比的计算如公式(1)所示：

其中w为目标无雪时间比(％)，tmelt为路表无雪时长(h)，tsnowfall为降雪时长(h)；

最终构建6维的全工况流体加热融雪系统融雪效果数据库。

对于北京机场参数的梯度选择见表1所示。

表1融雪效果敏感性参数梯度取值

其它步骤及参数与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：所述步骤二中根据步骤一建立的流体加热融雪系统融雪效果数据库，计算某一工况条件下流体加热融雪系统融雪效果f的具体过程为：

根据步骤一建立的流体加热融雪系统融雪效果数据库，利用线性插值函数进行某一工况条件及系统运行参数的融雪效果的计算。在流体加热路面融雪系统仿真计算软件中，需要输入路体结构的热力学参数及系统建设几何参数，其参数的取值需根据所研究系统的实际设定进行确定。在特定环境条件下的融雪效果如图1-图3所示。

其它步骤及参数与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：所述步骤三中通过建立传递热流密度的控制方程，计算传递热流密度q，根据传递热流密度q得到单位面积路体范围内流体加热融雪系统运行费用m的具体过程为：

利用自行开发的流体加热路面融雪系统仿真计算软件对流体加热融雪系统的运行状态进行模拟预测，得到由流体传递至道路的传递热流密度q随时间的变化曲线；基于此，对经济效益的敏感性参数包括环境温度、太阳辐射强度、风速3个环境参数、流体温度及预热时间2个策略参数进行参数回归分析，建立传递热流密度的控制方程，对于北京机场的的热流密度控制方程如式(2)所示：

其中p1和p2为太阳辐射强度的修正参数，t为系统运行时间，k为风速修正系数，tamb为环境温度；

当太阳辐射强度为0w/m²时：

当太阳辐射强度为50w/m²时：

当太阳辐射强度为100w/m²时：

当太阳辐射强度为200w/m²时：

通过式(3)和式(4)将热流密度转化为系统的运行成本；

q＝∫qd(s)d(t)(3)

m＝q/μ×m(4)

其中q为系统运行中消耗的热量(j)，s为传热面积(m²)，μ为热量转化效率，m为当地电价(元/度)。

由此建立了系统运行的经济模型。

其它步骤及参数与具体实施方式一至三之一相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：所述步骤四中确定经济指数r，根据经济指数r对步骤三得到的单位面积路体范围内流体加热融雪系统运行费用m进行评价的具体过程为：

采用公式(5)确定经济指数r：

r(tf,tyr)＝100-(m(tf,tyr)-mmin)/(mmax-mmin)×100(5)

其中mmax为所有运行参数中经济费用最大值，mmin为所有运行参数中经济费用最小值；

将经济指数作为评价系统运行经济效益的指标，当系统运行费用达到最小值时的经济指数r(tf，tyr)＝100，当系统运行费用达到最大值时，r(tf，tyr)＝0。

其它步骤及参数与具体实施方式一至四之一相同。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：所述步骤五中根据步骤二和步骤四，采用多目标规划的方法建立流体加热融雪系统运行策略的优化模型的具体过程为：

基于前面融雪效果和运行成本的计算，采用多目标规划的方法建立系统运行策略的优化模型，如公式(6)所示：

maxo＝w1f(tf,tyr)+w2r(tf,tyr)

s.t.0≤tyr≤6

293≤tf≤323(6)

其中o为评价运行参数的适应度值，w1和w2为运行参数中对系统运行融雪效果和运行成本的考量比例，f为系统运行融雪效果。

模型中，考虑到系统运行的经济效益，将预热时间控制在了6h以内，考虑到路体结构内部的温度次内力，将流体温度控制在了293-323k(20-50℃)之间。

该模型提出了评价系统运行策略优度的指标：适应度值，模型计算的适应度值越大，表征该运行策略的优度越高。

其它步骤及参数与具体实施方式一至五之一相同。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是：所述步骤六中对步骤五建立的流体加热融雪系统运行策略的优化模型进行求解，得到某一工况条件下流体加热融雪系统最优运行参数得具体过程为：

采用遗传算法对步骤五建立的流体加热融雪系统运行策略的优化模型进行求解，遗传算法中基因操作包括基因交叉和基因变异，采用随机生成操作点位的方法；遗传算法选择方式采用锦标赛法。

其它步骤及参数与具体实施方式一至五之一相同。

采用以下实施例验证本发明的有益效果：

实施例一：

对于计算工况如表2所示的参数条件。

表2策略优化模型求解工况条件

如图4—图6，对于工况三条件下的优化策略输出，可以查找对应工况条件下的优化策略控制图如图7和图8所示。针对不同的运行考量比例w1，w2以及不同的环境温度，共绘制了30张策略控制图，分别输出优化流体温度和优化预热时间，图7和图8仅展示了其中两幅。其读图方式为根据环境温度和策略侧重比例寻找对应的策略控制图，在图中底坐标寻找对应的太阳辐射强度，然后向上延伸交于对应的风速斜线，然后水平方向延伸交于降雪速率曲线，在交点处向上延伸，获得了该工况条件下的优化运行策略。

本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，本领域技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。