بخشی از مقاله
چکیده
پیچیدگیها و مشکلات بزرگی که در مهندسی ژئوتکنیک وجود دارد؛ مانند پایداری شیروانی، روانگرایی و پیشبینی ظرفیت باربری پی سطحی و شمعها باعث تشویق و انگیزهی محققان برای استفاده از الگوریتمها و روشهای بهینهسازی با الهام گرفتن از جهان زنده پیرامون خود شده است. بهینهسازی به روش کلونی مورچه - ACO - موضوع مورد بحث این مقاله می باشد. به این صورت که از مدل رفتاری مورچه ها در یافتن کوتاه ترین مسیر میان آشیانه و منابع غذایی از طریق فرومون ریزی ، در مطالعات ژئوتکنیکی استفاده می شود. از مواردی که از این روش در ژئوتکنیک استفاده شده میتوان به موارد زیر اشاره کرد: -1 محاسبه سطح گسیختگی بحرانی دایره ای و غیر دایره ای برای آنالیز پایداری شیروانی -2 بهینه سازی مقطع سدهای خاکی-3 بهینه سازی دیوار حائل بتنی طره ای. مزیت روش کلونی مورچه نسبت به روش های سنتی در سرعت عمل بالای آن می باشد. این روش در مهندسی ژئوتکنیک نیز کاربردهایی دارد و از آن به عنوان یک راه حل برای مسائل استفاده شده و جواب هایی نزدیک به واقعیت از آن ها استخراج گردیده است.
واژه های کلیدی: روش های بهینه سازی ، الگوریتم مورچه ، استفاده از الگوریتم مورچه در ژئوتکنیک
-1 مقدمه
پیچیدگیها و مشکلات بزرگی که در مهندسی ژئوتکنیک وجود دارد؛ مانند پایداری شیروانی، روانگرایی و پیشبینی ظرفیت باربری پی سطحی و شمعها باعث تشویق و انگیزهی محققان برای استفاده از الگوریتمها و روشهای بهینهسازی با الهام گرفتن از جهان زنده پیرامون خود شده است. محبوبترین الگوریتمهای جدید شامل الگوریتم ژنتیک - GA - ، بازپخت شبیه سازی شده - SA - ، بهینهسازی کلونی مورچه - ACO - ، جستجو ممنوع - TS - و شبکههای عصبی مصنوعی - ANN - می-باشند. موضوع این مقاله در مورد بررسی روش های نوین در ژئوتکنیک توسط الگوریتم مورچه می باشد.
-2 کلونی مورچگان
الگوریتم کلونی مورچه برای اولین بار در سال1992 توسط مارکو دوریگو - Marco Dorigo - و همکارانش به عنوان یک راه حل چند عامله - Multi Agent - برای حل مشکل مسائل بهینه سازی مثل فروشنده دوره گرد - TSP :Traveling Sales - Person ارائه شد. الگوریتم کلونی مورچه الهام گرفته شده از مطالعات و مشاهدات روی کلونی مورچههاست. این مطالعات نشان داده که مورچهها حشراتی اجتماعی هستند که در کلونیها زندگی میکنند و رفتار آنها بیشتر در جهت بقاء کلونی است تا درجهت بقاء یک جزء از آن. یکی از مهمترین و جالبترین رفتار مورچهها، رفتار آنها برای یافتن غذا است و به ویژه چگونگی پیدا کردن کوتاهترین مسیر میان منابع غذایی و آشیانه. این نوع رفتار مورچهها دارای نوعی هوشمندی تودهای است که اخیرا مورد توجه دانشمندان قرار گرفته است. باید تفاوت هوشمندی تودهای - کلونی - و هوشمندی اجتماعی را روشن کنیم. در هوشمندی اجتماعی عناصر میزانی از هوشمندی را دارا هستند. به عنوان مثال در فرآیند ساخت ساختمان توسط انسان، زمانی که به یک کارگر گفته میشود تا یک توده آجر را جابهجا کند، آنقدر هوشمند هست تا بداند برای این کار باید از فرغون استفاده کند نه مثلا بیل!!! نکته دیگر تفاوت سطح هوشمندی افراد این جامعه است. مثلا هوشمندی لازم برای فرد معمار با یک کارگر ساده متفاوت است. [8]
در هوشمندی تودهای - - swarm Intelligence عناصر رفتاری تصادفی دارند و بین آنها هیچ نوع ارتباط مستقیمی وجود ندارد و آنها تنها به صورت غیر مستقیم و با استفاده از نشانهها با یکدیگر در تماس هستند. مثالی در این مورد رفتار موریانهها در لانه سازی است. فرآیند ساخت لانه توسط موریانهها مورد توجه دانشمندی فرانسوی به نام گرس قرار گرفت. موریانهها برای ساخت لانه سه فعالیت مشخص از خود بروز می دهند. در ابتدا صدها موریانه به صورت تصادفی به این طرف و آن طرف حرکت میکنند. هر موریانه به محض رسیدن به فضایی که کمی بالاتر از سطح زمین قرار دارد شروع به ترشح بزاق میکنند و خاک را به بزاق خود آغشته میکنند. به این ترتیب گلولههای کوچک خاکی با بزاق خود درست میکنند. علی رغم خصلت کاملا تصادفی این رفتار، نتیجه تا حدی منظم است. در پایان این مرحله در منطقهای محدود تپههای بسیار کوچک مینیاتوری از این گلولههای خاکی آغشته به بزاق شکل میگیرد. پس از این، همه تپههای مینیاتوری باعث میشوند تا موریانهها رفتار دیگری از خود بروز دهند.
در واقع این تپهها به صورت نوعی نشانه برای موریانهها عمل میکنند. هر موریانه به محض رسیدن به این تپهها با انرژی بسیار بالایی شروع به تولید گلولههای خاکی با بزاق خود میکند. این کار باعث تبدیل شدن تپههای مینیاتوری به نوعی ستون میشود. این رفتار ادامه مییابد تا زمانی که ارتفاع هر ستون به حد معینی برسد. در این صورت موریانهها رفتار سومی از خود نشان میدهند. اگر در نزدیکی ستون فعلی ستون دیگری نباشد بلافاصله آن ستون را رها میکنند در غیر این صورت یعنی در حالتی که در نزدیکی این ستون تعداد قابل ملاحظهای ستون دیگر باشد، موریانهها شروع به وصل کردن ستونها و ساختن لانه میکنند.9 ]و[10 تفاوتهای هوشمندی اجتماعی انسان با هوشمندی تودهای موریانه را در همین رفتار ساخت لانه میتوان مشاهده کرد.
کارگران ساختمانی کاملا بر اساس یک طرح از پیش تعیین شده عمل میکنند، در حالی که رفتار اولیه موریانهها کاملا تصادفی است. علاوه بر این ارتیاط مابین کارگران ساختمانی مستقیم و از طریق کلمات و ... است ولی بین موریانهها هیچ نوع ارتباط مستقیمی وجود ندارد و آنها تنها به صورت غیر مستقیم و از طریق نشانهها با یکدیگر در تماس اند. گرس نام این رفتار را Stigmergie گذاشت، به معنی رفتاری که هماهنگی مابین موجودات را تنها از طریق تغییرات ایجاد شده در محیط ممکن میسازد.[12]
-3بهینهسازی مسائل به روش کلونی مورچه - - ACO
همانطور که میدانیم مسئله یافتن کوتاهترین مسیر، یک مسئله بهینه سازیست که گاه حل آن بسیار دشوار است و گاه نیز بسیار زمانبر. به عنوان مثال مسئله فروشنده دوره گرد - . - TSP در این مسئله فروشنده دوره گرد باید از یک شهر شروع کرده، به شهرهای دیگر برود و سپس به شهر مبدا بازگردد به طوری که از هر شهر فقط یک بار عبور کند و کوتاهترین مسیر را نیز طی کرده باشد. اگر تعداد این شهرها n باشد در حالت کلی این مسئله از مرتبه - n-1 - > است که برای فقط 21 شهر زمان واقعا زیادی میبرد: روز20! = 2/433 ×1018×10ms = 2/433×1016 S = 1/7 ×1013 با انجام یک الگوریتم برنامه سازی پویا برای این مسئله ، زمان از مرتبه نمایی بدست میآید که آن هم مناسب نیست. البته الگوریتمهای دیگری نیز ارائه شده ولی هیچ کدام کارایی مناسبی ندارند. ACO الگوریتم کامل و مناسبی برای حل مسئله TSP است.[11]
-4 یافتن کوتاهترین مسیر توسط مورچه
مورچه ها هنگام راه رفتن از خود ردی از ماده شیمیایی فرومون - - Pheromone بجای میگذارند البته این ماده به زودی تبخیر میشد ولی در کوتاه مدت به عنوان رد مورچه بر سطح زمین باقی میماند. یک رفتار پایه ای ساده در مورچهها وجود دارد: آنها هنگام انتخاب بین دو مسیر به صورت احتمالاتی - - Statistical مسیری را انتخاب میکنند که فرومون بیشتری داشته باشد یا به عبارت دیگر مورچههای بیشتری قبلا از آن عبور کرده باشند. حال دقت کنید که همین یک تمهید ساده چگونه منجر به پیدا کردن کوتاهترین مسیر خواهد شد. همان طور که در شکل - - 1 میبینیم مورچههای روی مسیر AB در حرکت-اند - در دو جهت مخالف - اگر در مسیر مورچهها مانعی قرار دهیم شکل - - 2
مورچه ها دو راه برای انتخاب کردن دارند. اولین مورچه از A می آید و به C می رسد، در مسیر هیچ فرومونی نمیبیند بنابر این برای مسیر چپ و راست احتمال یکسان می دهد و به طور تصادفی و احتمالاتی مسیر CED را انتخاب میکند شکل - . - 3 اولین مورچهای که مورچه اول را دنبال میکند زودتر از مورچه اولی که از مسیر CFD رفته به مقصد میرسد. مورچه ها در حال برگشت و به مرور زمان یک اثر بیشتر فرومون را روی CED حس میکنند و آن را بطور احتمالی و تصادفی - نه حتما و قطعا - انتخاب میکنند. در نهایت مسیر CED به عنوان مسیر کوتاهتر برگزیده میشود. در حقیقت چون طول مسیر CED کوتاهتر است زمان رفت و برگشت از آن هم کمتر می شود و در نتیجه مورچه های بیشتری نسبت به مسیر دیگر آن را طی خواهند کرد چون فرومون بیشتری در آن وجود دارد. شکل - - 4
