基于鲁棒优化的城市水污染控制系统结构设计和技术选择

【摘要】：城市水环境污染所引发的环境和健康问题已经成为制约我国城市可持续发展的重要因素。我国城市水污染控制具有结构多样、目标多重、要素关联、不确定性大的特征,这为合理有效的开展城市水污染控制规划带来了挑战。本研究构建了基于鲁棒优化的城市水污染控制系统结构设计和技术选择方法,开发了支撑方法应用的城市水污染控制技术数据库和模型工具,解决了城市水污染控制优化管理过程中,“结构-技术”“点源-面源”“静态-动态”的耦合关联带来的复杂性问题,为城市水污染控制系统的规划决策提供科学支撑。本研究构建了城市水污染控制技术数据库,储存信息包括各项单元技术性能参数和关联法则,并嵌套了技术组合模块,为系统技术筛选提供备选技术链条集。论文建立的城市水污染控制结构设计和技术选择方法包括多目标鲁棒优化模型和鲁棒性分析框架两部分。其中,多目标鲁棒优化模型应用拉丁超立方采样(LHS)对非支配排序遗传算法(NSGA_II)进行改进,为城市水污染控制系统规划提供兼顾鲁棒性的最优方案集。鲁棒性分析框架中构建了多属性评价指标体系,通过对最优方案集进行评估筛选,降低了系统优化方案筛选的主观性,提高了方案评估的科学性和定量化水平。并基于不确定性分析,识别影响系统鲁棒性的关键因素及敏感区域,进一步提高了多目标鲁棒优化模型的解释能力和应用能力。运用所建立的城市水污染控制系统结构设计和技术选择方法及模型工具,本研究对具有代表性的标准城市开展了应用分析,提供了适应于不同约束条件和不同不确定性扰动的多目标、多层次的最优方案集,通过综合评估为方案选择提供决策依据和科学支撑,并对系统结构和鲁棒性特征进行识别,分析了结构演变规律、技术选择特征和关键参数识别。本研究为未来我国城市水污染控制方案制定和技术路线筛选提供了具有参考价值的量化分析,有助于深入理解系统结构和技术组合的关联关系,分析系统环境、经济和鲁棒性之间的内在关系,识别参数不确定性在模型内传递、积累和响应的特点。 【关键词】：城市水污染控制 鲁棒优化 不确定性 技术筛选
【学位授予单位】：清华大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：X52
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-9
• 第1章 研究背景和意义9-17
• 1.1 研究背景9-12
• 1.1.1 我国城市发展面临水环境和资源的双重压力9-10
• 1.1.2 城市水污染控制系统的发展建设历程10-11
• 1.1.3 城市水污染控制系统面临的问题11-12
• 1.2 研究问题的提出12-13
• 1.3 研究目的、内容与意义13-15
• 1.3.1 研究目的13-14
• 1.3.2 研究内容14
• 1.3.3 研究意义14-15
• 1.4 论文结构15-17
• 第2章 国内外研究现状综述17-34
• 2.1 城市水污染控制系统17-21
• 2.1.1 城市水污染控制系统的特点17-19
• 2.1.2 城市水污染控制系统的概化19-20
• 2.1.3 与研究需求的差距分析20-21
• 2.2 城市水污染控制技术评估和筛选21-28
• 2.2.1 环境技术模型概述21-23
• 2.2.2 技术组合原则和方法23-24
• 2.2.3 技术评估和筛选方法24-28
• 2.3 不确定性优化模型的研究和进展28-32
• 2.3.1 不确定性分析概述28-29
• 2.3.2 不确定性优化模型29-32
• 2.4 本章小结32-34
• 第3章 城市水污染控制系统技术数据库构建34-58
• 3.1 概化原则34-35
• 3.2 城市水污染控制技术体系35-44
• 3.2.1 城市水污染控制技术体系的特点36-37
• 3.2.2 城市水污染控制技术体系的概化37-44
• 3.3 城市水污染控制技术信息44-49
• 3.3.1 单元技术44-46
• 3.3.2 技术性能参数46
• 3.3.3 技术关联关系46-49
• 3.4 城市水污染控制系统技术组合模块(TTSM)49-56
• 3.4.1 技术链条的组合原则和算法49-51
• 3.4.2 技术链条的性能计算51-56
• 3.5 本章小结56-58
• 第4章 城市水污染控制系统结构设计和技术选择方法58-93
• 4.1 方法总体框架58-60
• 4.2 多目标鲁棒优化模型(MOROM)60-86
• 4.2.1 模型的基本框架61-63
• 4.2.2 输入变量和模型参数63-66
• 4.2.3 模型数学表达66-80
• 4.2.4 模型算法80-85
• 4.2.5 模型输出85-86
• 4.3 鲁棒性分析框架（RAF）86-91
• 4.3.1 多属性评估86-90
• 4.3.2 系统鲁棒性分析90-91
• 4.4 本章小结91-93
• 第5章 标准城市水污染控制系统的多目标鲁棒优化93-120
• 5.1 标准城市设计和模型输入93-98
• 5.1.1 标准城市设计93-94
• 5.1.2 模型输入和相关参数94-98
• 5.2 算法参数设置98-99
• 5.3 模型输出99-118
• 5.3.1 模型优化方案99-102
• 5.3.2 系统性能分析102-108
• 5.3.3 技术组合选择特征108-117
• 5.3.4 系统结构演变规律117-118
• 5.4 本章小结118-120
• 第6章 城市水污染控制系统优化方案的鲁棒性分析120-133
• 6.1 模型优化方案的多属性评估120-126
• 6.1.1 属性指标的量化120-124
• 6.1.2 多属性评估和决策124-126
• 6.2 模型优化方案的不确定性分析126-127
• 6.3 模型优化方案的鲁棒性特征识别127-131
• 6.3.1 对模型目标函数的鲁棒性特征识别127-130
• 6.3.2 对模型约束的鲁棒性特征识别130-131
• 6.4 本章小结131-133
• 第7章 结论与建议133-135
• 7.1 结论133-134
• 7.2 建议134-135
• 参考文献135-147
• 致谢147-149
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果149

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