一种基于双层优化模型的集中供热隧道规划设计方法

1.本发明属于供热技术领域，具体涉及一种基于双层优化模型的集中供热隧道规划设计方法。


背景技术：

2.随着我国北方城市快速发展，集中供热成为市区居民取暖的主要方式，集中供热能有效提高能源利用率、降低能耗，减少城市污染，保护生态环境。热电厂往往位于市郊，供热管道需经过长距离运输才能到达市区，供热管道由于其输水功能的特殊性，不适宜穿越河流，采用隧道方式通过的优点主要有降低管道施工难度、减少管道长度、减少地表植被破坏、节约土地资源、方便后期运营管理等。
3.隧道内敷设热力管道,需要综合考虑经济性、安全性和安装、运行检修需要；而且供热管道穿越隧道在我国尚无相关规范标准，也鲜有相关工程实例，在设计过程中如何充分运用隧道功能特点，充分考虑供热管道穿越隧道可能出现的实际问题，结合工程实际工况，对集中供热隧道进行合理规划设计是目前急需解决的问题。
4.基于上述技术问题，需要设计一种新的基于双层优化模型的集中供热隧道规划设计方法。


技术实现要素：

5.本发明所要解决的技术问题是，克服现有技术的不足，提供一种基于双层优化模型的集中供热隧道规划设计方法。
6.为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是：
7.本发明提供了一种基于双层优化模型的集中供热隧道规划设计方法，它包括：
8.当供热管道在穿越河流、山体、湖泊时，依据供热区域内的实际工况进行供热隧道多种方案的初步设计；
9.建立双层供热隧道优化设计模型：
10.第一层为供热隧道穿越位置优化模型，以投资费用最优为优化设计目标函数，采用第一优化算法对供热隧道穿越位置优化模型进行求解后，获得初步设计的供热隧道多种方案中最优供热隧道穿越位置；
11.在最优供热隧道穿越位置的基础上，第二层为供热隧道盾构结构优化模型，以供热隧道盾构管道施工成本、运行成本和管道增压水泵运行能耗成本最优为优化设计目标函数，采用第二优化算法对供热隧道盾构结构优化模型进行求解后，获得初步设计的供热隧道多种方案中最优隧道盾构结构，包括隧道盾构的规格和管径。
12.上述技术方案中，进一步地，所述当供热管道在穿越河流、山体、湖泊时，依据供热区域内的实际工况进行供热隧道多种方案的初步设计，具体包括：
13.当供热管道在穿越河流、山体、湖泊时，采用盾构法进行隧道穿越，在隧道始末端各修建一个工作井，供热管道在盾构隧道内采用钢结构支架水平敷设，盾构设备在工作井
内沿竖直方向敷设，且盾构设备在设计衔接标高处与滩涂地直埋方式的供热管道相连接；
14.依据供热区域内供热隧道与周边环境的关系和隧道工程可实施性、隧道穿越长度和成本，以供热管网总体路由和隧道功能定位为基础，为供热管道的运行、维护保养提供操作空间，初步设计供热隧道多种位置敷设方案和不同规格和管径的隧道盾构结构方案；
15.当管道管径局部缩小时，该管段出现局部压力损失，通过增设管道增压泵弥补压力损失；
16.通过管道运行所需的压力和管道压力损失，计算增压泵的最小扬程和流量，并根据增压泵的最小扬程和流量确定增压泵的选型。
17.进一步地，所述第一层为供热隧道穿越位置优化模型，以投资费用最优为优化设计目标函数，具体为：
18.所述投资费用是由不同穿越位置所跨越河道宽度、隧道穿越长度、施工工期、与供热管网规划路由不一致时变更管网路由带来的各类投资费用计算获得；约束条件为河道主河槽摆动范围与河流走向，河势稳定；
19.目标函数表示为：minf1＝c1+c2+c3；c1为依据不同穿越位置跨越河道一定宽度和长度时供热隧道的投资费用，河道宽度越宽和长度越长，供热隧道的投资费用越大；c2为依据不同穿越位置不同施工工期的投资费用；c3为依据不同穿越位置，当与供热管网规划路由不一致时，需要变更管网路由造成的投资费用。
20.进一步地，所述的第一优化算法为改进的鲸鱼优化算法，采用改进的鲸鱼优化算法对供热隧道穿越位置优化模型进行求解，具体为：
21.设置供热隧道穿越位置优化模型的初始参数和鲸鱼优化算法的相关参数，至少包括河道长度、宽度、施工工期、供热管网规划参数和鲸鱼种群规模、迭代次数、初始位置；
22.将供热隧道穿越位置最优解转化为选取最优搜索代理的位置；
23.初始化鲸鱼种群，将鲸鱼位置视为个体，通过差分操作及变异因子的选取，完成变异操作，更新鲸鱼种群；所述变异操作后新的个体v
i,g+1
表示为：v
i,g+1
＝x
r1,g
+f*(x
r2,g-x
r3,g
)，x
r1,g
、x
r2,g
和x
r3,g
为鲸鱼种群中互异的个体；r1、r2和r3是[1,n]内互异且不同于i的正整数，n为正整数；g为迭代次数；f为变异因子；i＝1,2,3,...,np，np为个体总数量；
[0024]
根据供热隧道穿越位置优化模型的目标函数计算种群中每个搜索代理当前的适应度值，并依据适应度值选取最优搜索代理的位置；
[0025]
采用环形收缩和螺旋上升机制更新当前搜索代理的位置；
[0026]
检查是否有搜索代理超出搜索范围，若有，则对当前搜索代理计算其适应度值，并更新当前最优位置；否则，输出当前最优位置；
[0027]
判断迭代次数是否达到设置的最大迭代次数，若达到，则输出最优解，即为初步设计的供热隧道多种方案中最优供热隧道穿越位置方案；否则，返回采用环形收缩和螺旋上升机制更新当前搜索代理的位置。
[0028]
进一步地，所述在最优供热隧道穿越位置的基础上，第二层为供热隧道盾构结构优化模型，以供热隧道盾构管道施工成本、运行成本和管道增压水泵运行能耗成本最优为优化设计目标函数，具体为：
[0029]
以不同隧道盾构结构的盾构设备开挖出的土方量和填充空隙所需要的注浆量、消耗材料价格，以及结合盾构设备的安装费用计算供热隧道盾构管道施工成本s1；以不同隧
道盾构结构在运行过程中盾构设备的掘进费用、人工费用、生产成本、设备折旧费用、运行维护费用计算供热盾构管道运行成本s2；通过不同隧道盾构结构选型的增压水泵运行控制策略，根据水泵的开关状态、控制时段和水泵的运行参数计算管道增压水泵的运行能耗成本s3；
[0030]
以供热隧道盾构管道施工成本、运行成本和管道增压水泵的运行能耗成本最优建立优化设计目标函数，表示为：minf2＝s1+s2+s3；s1为供热隧道盾构管道施工成本；s2为供热盾构管道运行成本；s3为管道增压水泵的运行能耗成本。
[0031]
进一步地，所述第二优化算法为遗传算法和粒子群算法的混合算法；采用遗传算法和粒子群算法的混合算法对供热隧道盾构结构优化模型进行求解，具体为：
[0032]
设定遗传算法和粒子群算法和混合算法基本参数，包括种群数量，交叉、变异概率，粒子维度，约束矩阵，不同隧道盾构结构信息；
[0033]
对初始种群进行合规化处理，并根据供热隧道盾构结构优化模型的目标函数计算适应度值，选取个体最优解和全局最优解；
[0034]
判断是否满足终止条件，若满足，则结束迭代；否则，继续执行下一过程；所述终止条件设定为达到设置的最大迭代次数或达到所要求的适应度值；
[0035]
将各个粒子先后与个体最优解和全局最优解进行交叉操作，获得新的子代；所述交叉操作是随机确定一个或几个交叉点的位置，再将两个染色体的基因进行交换获得新的子代；
[0036]
对每条染色体随机选取两点，将所选取的两点间的基因倒序排列，获得变异后新的子代；
[0037]
对变异后的染色体再进行合规化处理，返回计算适应度值，直至满足终止条件输出最优解，即为初步设计的供热隧道多种方案中最优隧道盾构结构，包括隧道盾构的规格和管径。
[0038]
针对本发明方法确定的供热隧道最优设计方案，在执行前可对其进行效果验证、安全评估和健康监测，若符合预期效果即可进行方案的下发执行，具体包括：
[0039]
采用模拟仿真分析平台对供热隧道最优设计方案进行隧道位置敷设和隧道盾构开挖模拟，进行盾构隧道结构变形分析、应力分析和内力分析，以及进行技术经济分析，判断盾构隧道的方案设计是否合理；
[0040]
通过模拟仿真分析平台分析在隧道结构建设运营期间，由于环境因素和设备运行因素的影响，当隧道结构材料性能不断发生退化和老化时，采集供热隧道的运行数据，进行供热隧道的健康诊断监测与安全评估，判断健康诊断监测与安全评估结果是否满足预期效果，若满足，则个供热隧道设计方案的下发执行；否则，重新调整供热隧道设计方案的参数。
[0041]
在进行健康诊断监测时划分健康等级分类，包括：结构轻微破损，采取监视观测；结构存在破坏，采取应对措施；结构存在比较严重破坏，尽早采取应对措施；结构已严重破坏，立即采取紧急应对措施。
[0042]
本发明的有益效果是：
[0043]
(1)本发明通过增加管道增压泵弥补隧道盾构施工时管道管径局部缩小造成的压力损失，能够在供热隧道结构上进行优化设计，提升供热隧道的安全有效性，避免影响后续盾构施工的顺利进行；建立双层供热隧道优化设计模型：第一层为供热隧道穿越位置优化
模型，以投资费用最优为优化设计目标函数对供热隧道穿越位置优化模型进行求解后，获得最优供热隧道穿越位置；在最优供热隧道穿越位置的基础上，第二层为供热隧道盾构结构优化模型，以供热隧道盾构管道施工成本、运行成本和管道增压水泵运行能耗成本最优为优化设计目标函数，对供热隧道盾构结构优化模型进行求解后，获得最优隧道盾构结构，包括隧道盾构的规格和管径；能够通过双层优化设计模型分别对供热隧道穿越位置和隧道盾构结构进行优化设计，获得合理经济的供热隧道规划设计方案，减少费用支出并且合理化布局设计；
[0044]
(2)本发明通过采用模拟差分进化算法的变异和选择操作对鲸鱼优化算法进行改进，搜索速度更快，快速收敛和全局寻优能力更强，解决了原有鲸鱼算法容易陷入局部最优的问题，能够快速有效地对供热隧道穿越位置优化模型进行求解，获得全局最优解，即最优供热隧道穿越位置方案；
[0045]
(3)本发明通过交叉操作和倒序式变异，对遗传算法进行优化，再将遗传算法和粒子群算法相结合，改进了粒子群算法容易陷入局部最优的问题，能够快速有效地对供热隧道盾构结构优化模型进行求解，获得最优隧道盾构结构。
[0046]
其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点在说明书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
[0047]
为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
[0048]
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0049]
图1为本发明一种基于双层优化模型的集中供热隧道规划设计方法流程图；
[0050]
图2为本发明供热隧道盾构结构示意图。
具体实施方式
[0051]
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0052]
实施例1
[0053]
图1是本发明所涉及的一种基于双层优化模型的集中供热隧道规划设计方法流程图。
[0054]
图2是本发明所涉及的供热隧道盾构结构示意图。
[0055]
如图1，本实施例1提供了一种基于双层优化模型的集中供热隧道规划设计方法，包括：
[0056]
当供热管道在穿越河流、山体、湖泊时，依据供热区域内的实际工况进行供热隧道多种方案的初步设计；
[0057]
建立双层供热隧道优化设计模型：
[0058]
第一层为供热隧道穿越位置优化模型，以投资费用最优为优化设计目标函数，采用第一优化算法对供热隧道穿越位置优化模型进行求解后，获得初步设计的供热隧道多种方案中最优供热隧道穿越位置；
[0059]
在最优供热隧道穿越位置的基础上，第二层为供热隧道盾构结构优化模型，以供热隧道盾构管道施工成本、运行成本和管道增压水泵运行能耗成本最优为优化设计目标函数，采用第二优化算法对供热隧道盾构结构优化模型进行求解后，获得初步设计的供热隧道多种方案中最优隧道盾构结构，包括隧道盾构的规格和管径；
[0060]
依据最优供热隧道穿越位置和盾构隧道结构确定供热隧道最优设计方案，并对其最优设计方案进行效果验证、安全评估和健康监测，符合预期效果后进行方案的下发执行。
[0061]
如图2，供热隧道内敷设有2供2回共4根dn1400的供热管道，供热隧道盾构结构采用1根外径为φw8.7m(内径为φn7.9m)，在供热隧道起始端设置始发井，在末端设置接收井，同时为了减小供热隧道内火灾危险区域，尽量将危险性控制在较小的范围内，在水平供热隧道中间位置处采用特殊防火门和防火隔断装置，将整个供热隧道划分为两个防火区域，平时防火门处于开启状态，可正常通风；火灾时防火门自动关闭，但可以就地开启，作为巡检人员逃生通道；火灾后防火门可远程开启，作为火灾区域排烟补风。
[0062]
在本实施例中，所述当供热管道在穿越河流、山体、湖泊时，依据供热区域内的实际工况进行供热隧道多种方案的初步设计，具体包括：
[0063]
当供热管道在穿越河流、山体、湖泊时，采用盾构法隧道进行穿越，在隧道始末端各修建一个工作井，供热管道在盾构隧道内采用钢结构支架水平敷设，盾构设备在工作井内沿竖直方向敷设，且盾构设备在设计衔接标高处与滩涂地直埋方式的供热管道相连接；
[0064]
依据供热区域内供热隧道与周边环境的关系和隧道工程可实施性、隧道穿越长度和成本，以供热管网总体路由和隧道功能定位为基础，为供热管道的运行、维护保养提供操作空间，初步设计供热隧道多种位置敷设方案和不同规格和管径的隧道盾构结构方案；
[0065]
当管道管径局部缩小时，该管段出现局部压力损失，通过增设管道增压泵弥补压力损失；
[0066]
通过管道运行所需的压力和管道压力损失，计算增压泵的最小扬程和流量，并根据增压泵的最小扬程和流量确定增压泵的选型。
[0067]
需要说明的是，开挖隧道的基本原则是：在保证围岩稳定和减少对围岩扰动的前提下，选择合适的开挖掘进方法，并应尽可能的提高隧道的掘进速度，在选择开挖方法时，应该对隧道断面的大小及形状、支护条件、围岩的工程地质条件、工区长度、工期要求、机械配备、经济等因素进行全面分析、综合考虑，采用适当的施工方法。盾构是一种新兴的隧道施工机具，随着盾构机的不断发展，越来越多的隧道采用盾构的方法进行施工。盾构机外壳是一个强大的临时支护结构，在盾壳的保护下，既可以进行开挖，又能进行衬砌结构的施工，由盾构机开挖切削围岩掌子面，并将预先预制好的管片安装起来，经过灌浆和二衬的施作修建盾构隧道，提高了施工效率和速度，是一种高效的隧道施工方法。隧道结构施工方法的选择需要综合考虑工程地质条件和水文地质条件，并结合隧道结构的功能要求，如隧道
断面尺寸、衬砌类型、隧道的使用、隧道长度和施工技术水平等。
[0068]
盾构法施工过程为先在隧道两端开挖竖井或基坑，在隧道一端竖井处将盾构机安装就位，盾构机沿着轴线开挖、向另一端推进。在盾构推进过程中，掘进刀盘切削掌子面破岩，并将破碎岩块通过排土器排出，盾构由千斤顶向前推进。盾构每推进一环，拼装一环衬砌(预制管片)，衬砌管片一般由标准块、邻接块和封顶块三部分组成，管片定位后由螺栓连接，最下一排预制管片为封顶块，下数第二排为邻接块，最上面一排为标准块。衬砌和天然土层之间会留有空隙，一般为厚度100mm左右的环形，这一空隙若不及时采取措施就会造成地表沉降等问题，所以在当盾构机向前推进(即脱环)的同时，要通过预留注浆孔对管片和这一空隙进行注浆。由此循环交替挖土、掘进，拼环，再掘进，直至贯通整条隧道。
[0069]
在本实施例中，所述第一层为供热隧道穿越位置优化模型，以投资费用最优为优化设计目标函数，采用第一优化算法对供热隧道穿越位置优化模型进行求解后，获得初步设计的供热隧道多种方案中最优供热隧道穿越位置，具体包括：
[0070]
建立双层供热隧道优化设计模型，第一层为供热隧道穿越位置优化模型，以投资费用最优为优化设计目标函数；所述投资费用是由不同穿越位置所跨越河道宽度、隧道穿越长度、施工工期、与供热管网规划路由不一致时变更管网路由带来的各类投资费用计算获得；约束条件为优化后的供热隧道穿越位置可约束河道主河槽摆动范围与河流走向，河势稳定；
[0071]
所述以投资费用最优为优化设计目标函数，表示为：minf1＝c1+c2+c3；c1为依据不同穿越位置跨越河道一定宽度和长度时供热隧道的投资费用，河道宽度越宽和长度越长，供热隧道的投资费用越大；c2为依据不同穿越位置不同施工工期的投资费用；c3为依据不同穿越位置，当与供热管网规划路由不一致时，需要变更管网路由造成的投资费用；
[0072]
采用改进的鲸鱼优化算法对供热隧道穿越位置优化模型进行求解后，获得初步设计的供热隧道多种方案中最优供热隧道穿越位置。
[0073]
在实际的应用中，在规划隧道穿越位置的时候需要综合考虑穿越河流的供热隧道所处位置地形，地貌，河道长度，河道周围是否有建筑物、农耕地，河道土地受水冲刷的幅度，河势稳定性，以及穿河位置地下范围内有无通信管道、燃气管道以及电力管道等市政管线或障碍物；
[0074]
穿越位置的确定需要考虑以下因素：
[0075]
(1)需与集中供热项目规划要求相适应，合理使用土地资源，处理好隧道与周边环境的关系，并综合服务对象的需求特征，确定合理的隧道穿越位置，做到隧道与周边环境自然协调、和谐统一；
[0076]
(2)隧道设计要在确保运营的安全性的同时兼顾高效性；
[0077]
(3)提高工程可实施性；
[0078]
(4)隧道总体布置要尽可能减小隧道建设对相关工程和周边建筑物的影响；
[0079]
(5)在满足隧道功能的前提下，尽可能降低施工难度和成本。
[0080]
在本实施例中，采用改进的鲸鱼优化算法对供热隧道穿越位置优化模型进行求解，具体包括：
[0081]
设置供热隧道穿越位置优化模型的初始参数和鲸鱼优化算法的相关参数，至少包括河道长度、宽度、施工工期、供热管网规划参数和鲸鱼种群规模、迭代次数、初始位置；
[0082]
将供热隧道穿越位置最优解转化为选取最优搜索代理的位置；
[0083]
初始化鲸鱼种群，将鲸鱼位置视为个体，通过差分操作及变异因子的选取，完成变异操作，更新鲸鱼种群；所述变异操作后新的个体v
i,g+1
表示为：v
i,g+1
＝x
r1,g
+f*(x
r2,g-x
r3,g
)，x
r1,g
、x
r2,g
和x
r3,g
为鲸鱼种群中互异的个体；r1、r2和r3是[1,n]内互异且不同于i的正整数，n为正整数；g为迭代次数；f为变异因子；i＝1,2,3,...,np，np为个体总数量；
[0084]
根据供热隧道穿越位置优化模型的目标函数计算种群中每个搜索代理当前的适应度值，并依据适应度值选取最优搜索代理的位置；
[0085]
采用环形收缩和螺旋上升机制更新当前搜索代理的位置，可有效加快搜索速度；
[0086]
检查是否有搜索代理超出搜索范围，对当前搜索代理计算其适应度值，并更新当前最优位置；
[0087]
判断迭代次数是否达到最大，若达到，则输出最优解，即为初步设计的供热隧道多种方案中最优供热隧道穿越位置方案；否则，返回采用环形收缩和螺旋上升机制更新当前搜索代理的位置。
[0088]
需要说明的是，差分进化算法根据差分策略进行变异操作，通过对当前个体进行差分操作，发生变异，此方法对群体分布进行有效利用，从而改善其寻优能力。算法最突出的特点是其变异因子，变异因子中选择父代的方式对差分进化算法最优解的搜索速度有重要的影响。由于鲸鱼优化算法具有结构简单，容易实现的特点，但是存在局部最优的问题，所以，模拟差分进化算法的变异和选择操作对鲸鱼优化算法进行改进，使改进后的算法不仅具有快速收敛能力，更能全局寻优。通过算法中鲸鱼位置更新方式的改进，使得种群更加具有代表性，搜索速度更快，更能全局寻优。
[0089]
在本实施例中，所述在最优供热隧道穿越位置的基础上，第二层为供热隧道盾构结构优化模型，以供热隧道盾构管道施工成本、运行成本和管道增压水泵运行能耗成本最优为优化设计目标函数，采用第二优化算法对供热隧道盾构结构优化模型进行求解后，获得初步设计的供热隧道多种方案中最优隧道盾构结构，包括隧道盾构的规格和管径，具体包括：
[0090]
在确定最优供热隧道穿越位置的基础上，建立第二层优化模型为供热隧道盾构结构优化模型，以不同隧道盾构结构的盾构设备开挖出的土方量不同和填充空隙所需要的的注浆量不同、消耗材料价格的不同，以及结合盾构设备的安装费用计算供热隧道盾构管道施工成本；以不同隧道盾构结构在运行过程中盾构设备的掘进费用、人工费用、生产成本、设备折旧费用、运行维护费用计算运行成本；通过不同隧道盾构结构选型的增压水泵运行控制策略，根据水泵的开关状态、控制时段和水泵的运行参数计算管道增压水泵运行能耗成本；
[0091]
以供热隧道盾构管道施工成本、运行成本和管道增压水泵的运行能耗成本最优建立优化设计目标函数，表示为：minf2＝s1+s2+s3；s1为供热隧道盾构管道施工成本；s2为供热盾构管道运行成本；s3为管道增压水泵的运行能耗成本；
[0092]
采用遗传算法和粒子群算法的混合算法对供热隧道盾构结构优化模型进行求解后，获得初步设计的供热隧道多种方案中最优隧道盾构结构，包括隧道盾构的规格和管径。
[0093]
在实际的应用中，隧道工程为供热管道下穿河流提供通道，连通河流两岸，同时为供热管道的运营、维护和保养提供操作空间的功能，是整体智能化集中供热项目中热力管
道的重要组成部分；在经济允许的情况下，可以考虑预留管线空间，用于服务后期供热项目整体扩容，以及其他市政管线穿越河流。隧道盾构结构的设计对于整个供热起着关键性的作用，首先集中供热整体规划供热管道的规格和管径，比如需要几根，管径多大的供热管道，再综合考虑热力管道尺寸、施工设备、检修要求等因素，考虑选取管径多大、规格多少的盾构结构设计，能够合理将供热管道布置容纳。
[0094]
在本实施例中，所述采用遗传算法和粒子群算法的混合算法对供热隧道盾构结构优化模型进行求解后，获得初步设计的供热隧道多种方案中最优隧道盾构结构，包括隧道盾构的规格和管径，具体包括：
[0095]
设定遗传算法和粒子群算法和混合算法基本参数，包括种群数量，交叉、变异概率，粒子维度，约束矩阵，不同隧道盾构结构信息；
[0096]
对初始种群进行合规化处理，并根据供热隧道盾构结构优化模型的目标函数计算适应度值，选取个体和全局最优；
[0097]
判断是否满足终止条件，若满足，则结束迭代；否则，继续执行下一过程；所述终止条件设定为达到设置的最大迭代次数或达到所要求的适应度值；
[0098]
将各个粒子先后与个体最优解和全局最优解进行交叉操作，获得新的子代；所述交叉操作是随机确定一个或几个交叉点的位置，再将两个染色体的基因进行交换获得新的子代；
[0099]
对每条染色体随机选取两点，将所选取的两点间的基因倒序排列，获得变异后新的子代；
[0100]
对变异后的染色体再进行合规化处理，返回计算适应度值，直至满足终止条件输出最优解，即为初步设计的供热隧道多种方案中最优隧道盾构结构，包括隧道盾构的规格和管径。
[0101]
需要说明的是，所提的混合算法主要是从用遗传算法来模拟粒子群算法的角度出发，重构遗传算法交叉及变异操作，从宏观上来看，其行为是粒子群算法；从微观来看，其行为是遗传算法，从而构成遗传算法和粒子群算法的混合算法。运用交叉操作和基因倒序式变异操作，对遗传算法进行了优化，再将遗传算法与粒子群算法相结合，改进了粒子群算法的易陷入局部最优的缺点。
[0102]
在本实施例中，依据最优供热隧道穿越位置和盾构隧道结构确定供热隧道最优设计方案，并对其最优设计方案进行效果验证、安全评估和健康监测，符合预期效果后进行方案的下发执行，具体包括：
[0103]
依据最优供热隧道穿越位置和盾构隧道结构确定供热隧道最优设计方案，并采用模拟仿真分析平台对供热隧道最优设计方案进行隧道位置敷设和隧道盾构开挖模拟，进行盾构隧道结构变形分析、应力分析和内力分析，以及进行技术经济分析，判断盾构隧道的方案设计是否合理；
[0104]
通过模拟仿真分析平台分析在隧道结构建设运营期间，由于环境因素和设备运行因素的影响，当隧道结构材料性能不断发生退化和老化时，采集供热隧道的运行数据，进行供热隧道的健康诊断监测与安全评估，判断健康诊断监测与安全评估结果是否满足预期效果，若满足，则个供热隧道设计方案的下发执行；否则，重新调整供热隧道设计方案的参数。
[0105]
在本实施例中，进行健康诊断监测时划分健康等级分类，包括结构轻微破损，采取
监视观测；结构存在破坏，采取应对措施；结构存在比较严重破坏，尽早采取应对措施；结构已严重破坏，立即采取紧急应对措施。
[0106]
需要说明的是，通过设计的模拟仿真分析平台能够对现场采集的数据进行获取和分析，通过模拟运行管理维修阶段，充分了解隧道结构的安全状态，及时发现隧道病害和隧道运营安全隐患，对隧道结构进行健康监测。隧道结构在使用当中会受到各种各样因素的影响，这使隧道结构安全评价十分困难，为判定评估结构的安全状态，提出了各种安全评估方法，目前最常用的隧道结构安全评估方法是层次分析法，通过分析实际问题，明确要实现的目标，根据评价目标选取与其有关的各个评判准则，最优选取影响各准则的相应指标，即将有关因素自上而下进行分析，上层受下层影响，并且每一层内各元素相互独立，从而建立层次分析结构模型。
[0107]
在本技术所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统和方法，也可以通过其它的方式实现。以上所描述的系统实施例仅仅是示意性的，例如，附图中的流程图和框图显示了根据本发明的多个实施例的系统、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分，模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现方式中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。
[0108]
另外，在本发明各个实施例中的各功能模块可以集成在一起形成一个独立的部分，也可以是各个模块单独存在，也可以两个或两个以上模块集成形成一个独立的部分。
[0109]
功能如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、只读存储器(rom，read only memory)、随机存取存储器(ram，random access memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
[0110]
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。