本文分析了惩罚函数法处理传质约束对质量交换网络优化带来的消极影响，提出一种传质负荷动态调控策略，采用不同的调控方式处理单元传质约束，即衰减违反传质约束单元的传质负荷或消除单元，以保证结构中的传质单元不违反约束。通过两个质量交换网络算例进行验证，所得结果相比文献最优结果分别下降2 943 ＄·a^-1和1 697 ＄·a^-1，且结构中传质单元数量增加，证明了策略的有效性。

针对独立型微电网配置优化问题, 建立一种以能流匹配形式描述的风-光-柴-储优化模型, 形成表示各时刻设备出力的节点连接关系。鉴于群智能算法应用于微电网优化配置问题易早熟收敛的特点, 提出适用于微电网优化配置的随机游走优化算法, 算法以降低系统年综合费用为导向, 通过随机增大或减小设备逐时出力, 实现连续变量(设备出力)和整型变量(设备数量)同步优化, 通过接受差解机制, 使算法具有跳出局部最优解的能力, 更好兼顾微电网容量优化过程中的全局搜索与局部搜索。将随机游走算法应用到算例进行仿真, 得到年综合费用为552 826.39元, 与粒子群优化算法进行对比, 结果更好, 验证了算法在优化质量上的优越性。

针对质量交换网络优化过程中出现结构变异能力减弱和种群多样性丢失, 导致优化易陷入局部最优解的问题, 提出一种带有个体重构策略的强制进化随机游走算法。在接受差解的过程中, 对个体进行实时监测, 采用不同重构方式激励落后个体网络结构更新变异, 从而提升算法的结构变异能力和种群多样性。同时根据有分流节点非结构模型的特点, 对交叉重构后的新个体网络结构进行节点修复处理。最后通过R2S2和R4S2算例验证该策略的有效性, 优化结果均低于当前文献结果, 证明该策略能有效增强算法的结构变异能力和全局寻优能力。

提出一个质量交换网络的棋盘模型, 该模型具有结构紧凑、表达简洁、流股排列顺序可以灵活改变等特点。我们在强制进化随机游走算法中加入随机消去传质单元阶段, 将算法与棋盘模型相结合, 并以传质量作为优化变量。最后, 使用蚀刻厂回收铜与废水脱酚算例进行验证, 所获结构的年综合费用比文献的最优值下降5.8‰和1.6‰, 该同步优化方法具有良好的搜索区域和搜索能力。

针对强制进化随机游走算法(RWCE)在优化质量交换网络进程中, 存在部分个体在竞争中长期处于劣势状态以及个体结构高度相似的现象, 提出带有个体淘汰的RWCE算法优化质量交换网络。即在一定的周期内, 通过对种群中个体优化状态的实时监控, 首先对个体的网络结构进行标准化处理, 以此识别出结构中相似的质量交换器, 再根据其数目评价个体的结构相似度, 将种群中的个体划分为若干个集团, 并以年度总费用作为评价个体优化性能的指标, 淘汰种群中的劣势和相似个体, 以此加强种群间个体的信息交流, 提升个体优化活力和种群多样性, 同时有效增强算法优化质量交换网络的全局搜索能力。将该方法应用于2个质量交换网络实例中, 优化结果均优于文献最优结果, 说明该方法能改变结构的进化方向, 激励种群间个体的差异性进化和保持个体的优化活力, 且有效提升算法的全局寻优性能。

建立一种拓展节点非结构模型, 在冷热两端, 各额外增设一条冷热流股和常规热冷流股进行匹配, 判定冷热内部公用工程的生成, 实现公用工程在冷热流股上任意位置的独立匹配, 提升模型自由度。将强制进化随机游走算法引入到实际工程算例9SP、10SP、15SP中进行优化, 最优结果比现有文献分别节省了5 600＄·a^-1、848＄·a^-1、4 455＄·a^-1。该拓展模型的应用不仅可以得到更经济的换热网络设计, 并且具有更强的灵活性。

针对现有质量交换网络优化方法存在的不足, 提出一种适用于质量交换网络综合的强制进化随机游走算法。通过随机增大或减小质量交换器的传质负荷、分流比以及贫流股的流量, 并设置最小阈值实现网络连续和整型变量的同步优化; 通过以较小概率接受差解, 增强结构变异, 使算法更好地兼顾质量交换网络的全局和局部搜索。在2个质量交换网络实例中的应用表明, 优化结果优于文献最优结果, 算法保持了个体的独立进化且具有良好的全局和局部搜索能力。

WCE算法优化换热网络时，固定投资费用的存在易造成小负荷换热单元难以产生和保留，使部分尚未完全进化的结构过早被淘汰。本文建立一种固定投资费用的松弛处理方法，将固定投资费用与换热单元热负荷进行因变处理，根据换热单元热负荷的大小实时调整优化过程中的松弛力度，引导并促进小负荷换热单元的顺利产生和进化，从而增强换热网络的结构进化能力。将松弛策略应用于9SP和15SP算例，验证松弛策略促进结构进化的有效性，提升优化质量，获得的最优结果(2 903 528 ＄ ·a^-1、5 115 061 ＄ ·a^-1)优于文献结果。

在优化换热网络过程中, 有分流节点非结构模型的换热单元会打破初始均匀分布状态向流股上游区域集中, 使得冷热流股入口区域无法生成新的换热单元, 造成结构变异能力下降。本文探究该现象成因及其对进化的影响, 并提出动态区域禁忌匹配策略: 上游区域空节点时允许自由匹配; 当上游区域节点非空时进行上游区间的清空操作, 即将生成节点等效向下游区域进行转移, 从而保障换热单元在上游区域的匹配活力, 增强新生成换热单元在结构进化过程中的竞争力, 促进换热网络结构进化。通过在算例15sp和20sp的应用, 发现该策略能够提升网络结构变异能力。

提出一种采用优势个体多方向强制搜索策略的进化算法, 通过考察种群中个体差异性指标, 用以评价当前种群全局搜索的健康度。当优化结果出现长期停滞, 即健康度指标变差时, 启动优势个体多方向强制搜索策略, 扩大优势个体在靠近局部最优解区域的搜索方向, 保证算法全过程的全局搜索能力。用15SP和20SP算例进行验证, 与文献中最优结果相比, 分别下降了1.09%、0.83%, 表明优势个体多方向强制搜索策略充分发挥了优势个体的进化潜力, 提高了算法的优化效能。

强制进化随机游走算法优化换热网络时，以一定的概率接受差解可有效促进结构进化，非贪婪性的差解搜索机制是目标函数跳出局部极值的关键。本文分析接受差解机制的作用，探究不同优化阶段的差解结构来源，观察年综合费用变化，发现大多数被接受的差解结构在后续的优化中又回归到原结构，存在较多无效的参数传递过程。我们提出选择性接受差解策略，只接受具有新个体产生的差解，基于指数函数建立接受差解概率递增公式，并对结构中的新个体加以保护以增强其在结构中的存活率。最后选用9SP₂、20SP算例进行验证，取得了优于已发表文献的最优结果，证明了该策略的可行性。

强制进化随机游走算法优化换热网络过程中会出现个体结构相似现象，导致种群结构多样性下降，算法全局搜索能力不足，难以进一步优化换热网络结构。针对基于节点非结构模型的换热网络结构相似现象展开研究，制定两个评价指标衡量优化过程中个体结构相似水平，发现个体结构内相似换热单元数逐步增加，而相似换热单元的热负荷差距逐步减小，个体结构相似水平越来越高。基于此，以提升种群多样性为指导，提出换热单元排斥性进化策略，通过增大相似换热单元的热负荷差距，激励相似换热单元的差异性进化，从而改变结构进化方向，降低相似结构规模。最后应用20SP和15SP两个算例验证该策略的有效性，结构年综合费用与文献最优结果相比分别下降了12 105＄·a^-1和52 535＄·a^-1，说明该策略可以有效提升算法全局搜索能力。

强制进化随机游走算法（RWCE）应用于换热网络优化，具有算法流程简洁、结构进化能力强等特点。其中接受差解几率对个体跳出局部最优有重要的影响。本文统计优化后期连续变量和结构变量使得年综合费用下降的次数，分析二者对优化进程的影响，讨论接受差解几率在个体优化进程中所起的作用，提出一种通过判别差解结构与原结构的异同来智能调整接受差解几率的换热网络优化方法。该策略进一步强化个体的结构进化与跳出局部极值的能力，通过算例证明了策略的有效性。