專利名稱：基于分階段禁忌尋優算法的土壤水分特征參數計算方法
技術領域：
本發明涉及農業技術領域，特別涉及一種土壤水分特征參數的計算方法，尤其涉及一種基于分階段禁忌尋優算法的土壤水分特征參數計算方法。
背景技術：
土壤水分運動是一個復雜的過程，與灌溉方式、土壤條件和外界環境等眾多因素密切相關。在特定的灌溉條件下，研究土壤水分運動，對理解土壤水分分布，進而改進灌溉系統，提高水分利用效率具有重要意義。土壤水分運動模擬研究中，通常是在特定的灌溉條件、土壤組成和外界環境條件下，利用實驗方法建立經驗公式來模擬土壤水分運動規律，或者利用已有的成熟公式，利用參數優化算法，結合實驗數據，計算出優化參數，進而確定出土壤水分運動規律。目前應用于土壤水分運動參數優化的算法主要有遺傳算法，粒子群算法，最小二乘法等。 遺傳算法是目前應用最廣泛的研究土壤水分運動參數的算法。遺傳算法從串集開始搜索，覆蓋面大，利于全局擇優；采用概率的變遷規則來指導搜索方向；具有自組織、自適應和自學習性。但是遺傳算法較容易陷入局部最優點，并且迭代次數較多。粒子群算法是近年來發展起來的一種新的進化算法。從隨機解出發，通過迭代尋找最優解，也是通過適應度來評價解的品質，但比遺傳算法規則更為簡單，算法在多維空間函數尋優、動態目標尋優等方面有著收斂速度快、解質量高、魯棒性好、需調整的參數較少等優點。但是也存在著精度較低，易發散等缺點。最小二乘法通過最小化誤差的平方和尋找參數的最佳匹配函數。目前應用最小二乘法主要是針對Van Genuchten方程描述的土壤水分特征曲線進行參數尋優。利用PS最小二乘法求解Van Genuchten方程參數算法實現簡單、運算速度快、計算精度高。但是對其他土壤水分運動方程應用的較少。禁忌搜索(Tabu Search)算法是一對局部鄰域搜索的擴展,為一種全局迭代尋優算法。通過模擬人的經驗，利用一種靈活的存儲結構(禁忌表)和相應的禁忌準則來避免反復搜索，達到跳出局部最優解的目的。并通過特赦規則來赦免一些被禁忌的優良解，從而保證多樣化的有效搜索，從而實現全局優化。禁忌算法具有很強的通用性，并且對問題無特殊要求，因而其應用領域非常廣泛。盡管禁忌算法通過建立禁忌表來避免陷入局部最優，但是基本禁忌算法的收斂速度和普適性較差。
發明內容
(一)要解決的技術問題本發明要解決的技術問題是，針對現有技術的不足，提出一種土壤水分特征參數的計算方法，對一維土壤水分垂直滲入模型參數進行尋優。通過數值模擬和實測實驗交互驗證，該算法計算出來的尋優結果很好的模擬了土壤水分垂直運動規律。
(二)技術方案本發明提供一種基于分階段禁忌尋優算法的土壤水分特征參數的計算方法，包括S1 :通過實驗測量獲取土壤飽和導水率和飽和含水量；S2 :根據SI中的土壤飽和導水率和飽和含水量，計算出土壤非飽和導水率和土壤水分擴散率；S3 :建立一維垂直土壤水分運動數學模型；S4 :將S2中的土壤非飽和導水率和土壤水分擴散率帶入到S3的模型中， 轉化為土壤含水率理論值計算公式Θ (a，b，m) ;S5:根 據入滲實驗，確定土壤含水率的實際測量值Θ ;S6 :建立最優化目標函數，并將S4和S5中的Θ (a，b，m)和Θ帶入目標函數中， 根據改進的分段禁忌算法進行優化，以確定出a、b、m的最優值；所述改進的分段禁忌算法為以基本禁忌算法為基礎，分別在三個階段中的每個階段的參數進行對應的設置和選取； S7 :將S6中的a、b、m最優值帶入S3中的一維垂直土壤水分運動數學模型中計算出土壤水分特征參數。更好地，在S6中利用改進的分段禁忌算法對目標函數進行參數尋優，所述改進的分段禁忌算法具體流程步驟包括S6. I :對目標函數進行初步尋優；S6. 2 :對目標函數以 S6. I尋優結果為基礎進行全局尋優；S6. 3 :對目標函數以S6. 2的尋優結果為基礎進行快速搜索。更好地，所述S6. I具體包括S6. I. I :初始值設置，初始值以隨機方式在整個取值空間內取得；禁忌表為空，并采用單向列表方式加以管理；S6. 1.2 :鄰域點的選取，利用目標函數的差分來指導鄰域點的選取。更好地，所述S6. 2具體包括S6. 2. I :初始值設置，本步驟的初始值以S6. I中的初步尋優輸出結果作為起點；S6. 2. 2 :鄰域點設置，本步驟的鄰域點設置依然利用目標函數的差分來指導鄰域點的選取。更好地，所述S6. 3具體包括S6. 3. I :初始值設置本階段的初始值以S6. 2中的全局尋優輸出結果作為起點。禁忌表初值則為S6. 2中的全局尋優得出的最優解S6. 3. 2 鄰域點設置，在上述S6. I初步尋優階段和S6. 2全局尋優階段的尋優基礎之上，尋優的范圍縮小為S6. 2全局尋優階段中最小取值范圍。更好地，所述S6. I. 2具體包括S6. I. 2. I計算目標函數對每一個變量的差分及其在當前解的差分值；S6. I. 2. 2在整個取值范圍內，利用多維正態分布函數來選取鄰域點。(三)有益效果本發明公開的方法能夠確定在負壓地下灌溉條件下，一維土壤水分的運動規律， 從而指導并進一步改進負壓地下灌溉系統，提高土壤水利用率，進而提高土壤水分利用率。 利用分段禁忌算法對土壤水分多參數尋優方法，能夠有效確定土壤水分運移規律，對其他灌溉方式下，土壤水分運動規律的模擬具有重要指導意義。
圖I為本發明土壤水分特征參數的計算方法流程圖；圖2為本發明改進的分段禁忌算法初步尋優階段的方法流程圖；圖3為本發明改進的分段禁忌算法全局尋優階段的方法流程圖；圖4為本發明改進的分段禁忌算法加速尋優階段的方法流程圖。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例，對本發明的具體實施方式
作進一步詳細描述。以下實施例用于說明本發明，但不用來限制本發明的范圍。優化算法一般用于解決最優化問題。所謂最優化問題是指設計一個目標函數，通過選取參數，從而使得目標函數達到最小值。優化算法一般分為經典優化算法和啟發式優化算法。其中經典優化算法是以一個可行解作為初始值，按照確定的搜索策略，來尋找最優值。經典算法是利用局部信息(如單個初始點及其導數等)進行尋優，使得經典算法無法避免局部極小問題。啟發式優化算法是指受大自然的運行規律或者人類積累的工作經驗啟發而來的方法。啟發式優化算法均是從隨機可行初始解出發，按照一定搜索策略來不斷逼近問題的最優解。由于啟發式優化算法對目標函數性質無特別要求，因此可以很好解決實際應用問題。但是啟發式優化算法的計算量一般很大，且算法的普適性較差。禁忌算法屬于啟發式優化算法。通過對局部鄰域搜索的擴展，為一種全局迭代尋優算法。通過模擬人的經驗，利用一種靈活的存儲結構(禁忌表)和相應的禁忌準則來避免反復搜索，達到跳出局部最優解的目的。并通過特赦規則來赦免一些被禁忌的優良解，從 而保證多樣化的有效搜索，從而實現全局優化。在禁忌算法中，鄰域、禁忌表、禁忌長度、特赦規則和終止規則為算法的關鍵所在， 也是影響算法的求解精度、速度和普適性的重要因素。本發明提出利用一種改進的分階段禁忌多變量尋優算法，來求解一維垂直入滲土壤水分運動參數的方法。如圖I所示，具體步驟如下SI :通過實驗測量獲取土壤飽和導水率Ks和飽和含水量Θ s ；S2 :根據SI中的土壤飽和導水率Ks和飽和含水量Θ s,計算出土壤非飽和導水率 Κ(θ)和土壤水分擴散率D( Θ );計算公式如下K {Θ) = KS^-TCD
OsImSb( 2 )其中Θ為當前土壤含水量，Θ s為飽和土壤含水量，Ks為飽和導水率通過實驗測得。S3 :建立一維垂直土壤水分運動數學模型
「 ιf「，w印]me、、m——=—1){θ)-----— (3)
dt Bh I dh\ Ohθ = θχ t = O h ^ Oθ = θ 2 t>0 h=0Q-Q1 t>0 h —00其中，Θ i為土壤中均勻分布的含水率，02為地下因接近儲水布而維持不變的含水率，h :垂直距離，t :時間(min)。S4 :將S2中的土壤非飽和導水率和土壤水分擴散率帶入到S3的模型(3)中，轉化為土壤含水率理論值計算公式Θ (a, b, m)；S5:根據入滲實驗，確定土壤含水率的實際測量值Θ ；S6 :建立最優化目標函數(4)，并將S4和S5中的Θ (a, b, m)和Θ帶入(4)中；并根據改進的分段禁忌算法進行優化，以確定出a、b、m的最優值；所述改進的分段禁忌算法為以基本禁忌算法為基礎，分別在三個階段中的每個階段的參數進行對應的設置和選取。
權利要求
1.一種基于分階段禁忌尋優算法的土壤水分特征參數的計算方法，其特征在于，包括51:通過實驗測量獲取土壤飽和導水率和飽和含水量；52:根據SI中的土壤飽和導水率和飽和含水量，計算出土壤非飽和導水率和土壤水分擴散率；53:建立一維垂直土壤水分運動數學模型；54:將S2中的土壤非飽和導水率和土壤水分擴散率帶入到S3的模型中，轉化為土壤含水率理論值計算公式Θ (a, b, m)；S5:根據入滲實驗，確定土壤含水率的實際測量值Θ ；S6:建立最優化目標函數，并將S4和S5中的Θ (a,b,m)和Θ帶入目標函數中，根據改進的分段禁忌算法進行優化，以確定出a、b、m的最優值；所述改進的分段禁忌算法為以基本禁忌算法為基礎，分別在三個階段中的每個階段的參數進行對應的設置和選取；S7 :將S6中的a、b、m最優值帶入S3中的一維垂直土壤水分運動數學模型中計算出土壤水分特征參數。
2.如權利要求I所述計算方法，其特征在于，在S6中利用改進的分段禁忌算法對目標函數進行參數尋優，所述改進的分段禁忌算法具體流程步驟包括S6. I :初步尋優階段對目標函數進行初步尋優；S6. 2 :全局尋優階段對目標函數以S6. I尋優結果為基礎進行全局尋優；S6. 3 :加速尋優階段對目標函數以S6. 2的尋優結果為基礎進行快速搜索。
3.如權利要求2所述計算方法，其特征在于，所述S6.I具體包括S6. I. I :初始值設置，初始值以隨機方式在整個取值空間內取得；禁忌表為空，并采用單向列表方式加以管理；S6. I. 2 :鄰域點的選取，利用目標函數的差分來指導鄰域點的選取。
4.如權利要求2所述計算方法，其特征在于，所述S6.2具體包括S6. 2. I :初始值設置，本步驟的初始值以S6. I中的初步尋優輸出結果作為起點；S6. 2. 2 :鄰域點設置，本步驟的鄰域點設置依然利用目標函數的差分來指導鄰域點的選取。
5.如權利要求2所述計算方法，其特征在于，所述S6.3具體包括S6. 3. I :初始值設置本階段的初始值以S6. 2中的全局尋優輸出結果作為起點。禁忌表初值則為S6. 2中的全局尋優得出的最優解；S6. 3. 2 :鄰域點設置，在上述S6. I初步尋優階段和S6. 2全局尋優階段的尋優基礎之上，尋優的范圍縮小為S6. 2全局尋優階段中最小取值范圍。
6.如權利要求2所述計算方法，其特征在于，所述S6.I. 2具體包括S6. I. 2. I計算目標函數對每一個變量的差分及其在當前解的差分值；S6. I. 2. 2在整個取值范圍內，利用多維正態分布函數來選取鄰域點。
全文摘要
本發明提供一種基于分階段禁忌尋優算法的土壤水分特征參數計算方法，包括S1獲取土壤飽和導水率和飽和含水量；S2根據S1計算土壤非飽和導水率和土壤水分擴散率；S3建立一維垂直土壤水分運動數學模型；S4得到土壤含水率理論值計算公式θ(a,b,m)；S5確定土壤含水率實際測量值θ；S6根據S4和S5中的θ(a,b,m)和θ，并根據改進的分段禁忌算法進行優化，確定出a、b、m的最優值；S7將S6中的最優值帶入S3中計算出土壤水分特征參數。本發明公開的方法能夠確定在負壓地下灌溉條件下，一維土壤水分的運動規律，從而指導并進一步改進負壓地下灌溉系統，提高土壤水分利用率，進而提高土壤水分利用率。
文檔編號G01N33/24GK102692491SQ20121020858
公開日2012年9月26日 申請日期2012年6月19日 優先權日2012年6月19日
發明者冀榮華, 李想, 李道亮, 王楓辰, 祁力鈞 申請人:中國農業大學