Page 112 - 2023年第54卷第3期

３．１ 耦合方式 ＳＷＭＭ 模型提 供了 Ｃ?Ｃ ＋＋ 、Ｐａｓｃａｌ和 Ｐｙｔｈｏｎ调 用 的应 用 程 序编 程接 口 （Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ
ＰｒｏｇｒａｍｍｉｎｇＩｎｔｅｒｆａｃｅ ，ＡＰＩ），本研究通过调用 ＳＷＭＭ 动态链接库（Ｄｙｎａｍｉｃ － ｌｉｎｋＬｉｂｒａｒｙ，ｄｌｌ）实现与
Ｍａｔｌａｂ文件的数据交换，其耦合过程如图 ２所示。首先，通过定义 ＳＷＭＭ工程对象数组，形成独立的
模型输入文件．ｉｎｐ来接纳 ＮＳＧＡ － Ⅱ算法每代迭代形成的新种群参数，利用 ｌｏａｄｌｉｂｒａｒｙ函数和 ＳＷＭＭ
的接口函数开展数值模拟计算，计算完成后采用 ｆｏｐｅｎ函数遍历结果文件．ｒｐｔ，根据数组关键字段提
取模拟结果并计算目标函数值；然后，将目标函数值和约束条件反馈给 ＮＳＧＡ － Ⅱ算法来计算种群优先
级和拥挤度，并利用精英策略筛选形成新的种群，逐代循环，直至完成所有进化代数；最后，导出寻
优后的优化种群。

图 ２ ＮＳＧＡ － Ⅱ与 ＳＷＭＭ耦合的多目标优化流程图

３．２ 多线程并行加速处理 按照上述优化流程基本可以解决多目标优化的城区雨水泵站调度问题，但
是 ＳＷＭＭ的水文－ 水动力－ 水质的过程模拟计算非常耗时，严重影响了优化的时效性。假如按照串行
计算，单个工程模拟计算时间 １０ｓ，对于一个 ３００种群需要进化 ５００代的优化问题，每代种群进化需
要 ５０ｍｉｎ，完成整个优化求解过程需要耗时 １２ｄ，这种优化效率难以为城区雨水泵站的优化调控提供
实时的决策依据。因此，本研究在对工程数组进行定义的基础上，基于面向对象将 ＳＷＭＭ模型进行封
装，采用 Ｍａｔｌａｂ的并行计算工具箱，通过修改上层编程结构，将并行循环加速方式代替传统的串行循
环计算方式，从而达到提升优化时效的目的，具体实现过程可参考文献［２３］。

４ 实例验证

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４．１ 研究区概况 研究区域选择天津空港经济区，区域总面积 １５．４８ｋｍ ，建筑用地面积达 ８３．２１％，
是一个高度城市化区域，该区是我国华北、西北地区唯一的、也是我国北方规模最大的保税区，区域
已实行雨污分流排水体制，在点源污染充分治理和污水处理厂提标改造的基础上，其境内河湖水环境
质量仍不能稳定达标，主要超标污染物为化学需氧量 ＣＯＤ（ＣｈｅｍｉｃａｌＯｘｙｇｅｎＤｅｍａｎｄ）和氨氮 ＮＨ － Ｎ
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