بخشی از مقاله
چکیده
حوضه زایندهرود در فلات مرکزي ایران قرار گرفته است و جزو مناطق کم آب ایران به حساب میآید. رشد روزافزون جمعیت و توسعه بخشهاي کشاورزي و صنعتی منطقه موجب افزایش قابلتوجه تقاضاي آبی حوضه مذکور شده است. به جهت محدود بودن منابع آبی استفاده بهینه از این منابع الزامی است. در این مقاله مدلی مبتنی بر سیستم استنباط فازي براي بهرهبرداري مخزن سد زایندهرود توسعه داده شده است. مدل پایگاه قواعد فازي بر مبناي قاعده کلیجاگر- آنگاهج است که در آن جاگرج، بردار متغیرهاي مستقل فازي یا مقدمات شرط و جآنگاهج، نتیجه شرط میباشد. مدل مزبور شامل دو قسمت است که در قسمت اول، حجم جریان فصلی رودخانه بهوسیله یک سیستم استنباط فازي پیشبینی میشود.
شاخصنوسانات جنوبی، بارش، برف و دبی، ورودیهاي مدل و حجم آورد فصلی رودخانه خروجی آن میباشند. در قسمت دوم، قواعد بهرهبرداري از مخزن ساخته شده است. حجم جریانهاي پیشبینی شده، حجم ذخیره مخزن در ابتداي هر ماه و تقاضاي ماهانه، به عنوان مقدمات شرط، و میزان خروج از مخزن در هر ماه نتیجه شرط در نظر گرفته میشود. دادههاي تاریخی به منظور آموزش و سپس ارزیابی قواعد به دو قسمت تقسیم گردید. در مرحله بعد نتایج حاصل از مدل استنباط فازي با نتایج روشهاي سنتی از قبیل سیاست بهرهبرداري استاندارد و رگرسیون خطی مقایسه میشود. در این مرحله از شاخصهایی براي ارزیابی قواعد ساخته شده استفاده میشود که نشان میدهند سیستم استنباط فازي روش مناسبی براي ساخت قواعد بهرهبرداري از مخزن و استفاده آن در سیستمهاي پیچیده مخازن میباشد.
-1 مقدمه
بهرهبرداري مخزن فرایند تصمیمگیري پیوستهاي است که در آن با توجه به متغیرهاي حالت مانند حجم ذخیره مخزن، مقدار تقاضاها و پیش بینی جریان ورودي به مخزن، در مورد میزان خروج آب تصمیمگیري میشود. وظیفه بهرهبردار ارضا کردن منظورها و تقاضاهاي تعهد شده از مخزن تا حد امکان میباشد. عدم قطعیت1 و عدم دقت2 موجود در مسائل بهرهبرداري، تقاضاها، و پیشبینیهاي هیدرولوژیکی در پیچیدگی فرایند بهرهبرداري از مخزن نقش عمده اي دارند.
عدم قطعیت به شرایط هواشناختی و هیدرولوژیکی و عدم وقوع یا تغییر هدفها، تقاضاها، استانداردها، ملاحظات اقتصادي، اجتماعی و زیست محیطی با گذشت زمان بر میگردد. در حالی که عدم دقت به خطاهاي انسانی یا اندازهگیري مربوط میشود. یکی از شیوهاي برخورد با عدم قطعیت، استفاده از تئوري مجموعههاي فازي است. هدف منطق فازي استخراج نتایج دقیق با استفاده از مجموعهاي معلومات غیردقیق که با الفاظ و جملات زبانی تعریف شده است، میباشد. به طور نظري هر سیستمی که توسط منطق فازي طراحی شده باشد، توسط سایر تکنیکهاي طراحی مرسوم نیز قابل پیاده سازي است؛ اما ممکن است نسبت به شیوه منطق فازي پیچیده و مشکلتر باشد.
اولین بار، زاده در سال 1965 منطق فازي و تئوري مجموعههاي فازي را معرفی کرد. او از این روش براي مدلسازي ابهامات و عدم قطعیت موجود در تصمیمگیري استفاده کرد. ایده اصلی منطقفازي، ساده است. عبارات، فقط " صحیح " یا "غلط" نیستند؛ بلکه میتوانند تا حدي صحیح باشند یا تا حدي غلط .[1] بعد از گسترش تئوري مجموعههاي فازي و منطق فازي، محققان دریافتند که این منطق، ابزار مناسبی براي مدلسازي بهرهبرداري مخزن میباشد. تئوري مجموعهفازي در بهرهبرداري مخزن کاربردهاي فراوانی دارد.
تکنیکهاي بهینهیابی فازي3، سیستمهاي استنتاج فازي4 و تلفیق روش فازي با تکنیکهاي دیگر مانند تلفیق با شبکههاي عصبی مصنوعی از کاربردهاي مهم این تئوري در بهرهبرداري مخزن میباشند. مثالهایی از این کاربردهاي را میتوان در کارهاي [2] Huang - 1996 - ، - [3] Saad et al. - 1996 و [4] Fontane et al. - 1997 - ملاحظه کرد. سیستم استنباط فازي را میتوان بر اساس دانش شخص خبره5 یا دادههاي مشاهده شده6 ساخت. نحوه استخراج قوانین از این روشها را Duckstein - 1995 - و [5] Bardossy و [6] Kosko - 1992 - شرح دادهاند. Campbell - 1996 - و Russell دریافتند که با افزایش تعداد ورودیهاي سیستم استنباط فازي، تعدد قوانین بیش از اندازه بزرگ و غیر قابل کنترل میشود Sherestha et al. - 1996 - .[7] از پایگاه قواعد فازي براي به دست آوردن قوانین بهرهبرداري از مخازن چند منظوره استفاده کرد .
[8] در چند سال اخیر تلفیقی از شبکههاي عصبی مصنوعی و منطق فازي استفاده شده است Dubrovin et al. - 2002 - مدلی استنتاجی ساختند که از دو زیر مدل تشکیل شده است؛ زیر مدل اول به پیشبینی رقوم آب در مخزن سد و زیر مدل دوم به نحوه بهرهبرداري از مخزن با توجه رقوم آب، تقاضاها و حجم آب ورودي میپردازد Jolma et al. - 2002 - .[9] مدلی ساخت که هدف از آن تقلید از اپرتور انسانی میباشد. در واقع، رفتار بهرهبردار در این مدل شبیهسازي شده است .[10] هدف از این تحقیق، ساخت قواعد بهرهبرداري مخزن با توجه به ابهامات موجود در سیستم به وسیله سیستم استنباط فازي است.
-2 استنباط فازي
هر مجموعه فازي را میتوان با یک تابع عضویت تعریف کرد، که این تابع درجه عضویت هر عضو را در مجموعه مورد نظر مشخص میسازد. روش ساده و متداول در این زمینه، استفاده از توابع عضویت مثلثی است. براي ساخت این توابع سه مرحله زیر را انجام باید داد.
− براي هر حالت، بهترین مقداري که از نظر زبانی توصیف کننده آن حالت است را تعریف کرده و به آن درجه عضویت یک - µ =1 - داده میشود.
− براي مقادیر از هر حالت که حالت بعدي آن مقدار حداکثر خود را دارد درجه عضویت برابر صفر تعیین میگردد. − نقطه با درجه عضویت یک به نقاط قبلی و بعدي با درجه عضویت صفر به صورت خطی متصل میشود. هر سیستم استنتاج فازي داراي بخشهاي مختلفی به شرح زیر است:
-1 فازي سازي: فازي سازي به عنوان نگاشتی از یک نقطه X ο ∈U ⊂ Rn به یک مجموعه فازي A′ در U تعریف میشود.
-2 موتور استنتاج فازي یا پایگاه قواعد فازي:1 پایگاه قواعد فازي از مجموعهاي از قواعد اگر- آنگاه فازي تشکیل میشود.
پایگاه قواعد فازي از این نظر که سایر اجزاي سیستم فازي براي پیاده سازي این قواعد به شکل موثر و کارا استفاده میشوند، قلب یک سیستم فازي محسوب میشود. به طور مشخص، پایگاه قواعد فاز شامل قواعد اگر- آنگاه فازي زیر است: Rule: If x is A then z is B براي ساخت قواعد بهرهبرداري مخزن با استفاده از سیستمهاي استنباط فازي نیاز به دانش خبره است که این دانش از روشهاي متفاوتی استنتاج میشود. میتوان از روشهاي بهینهسازي به منظور ساخت این دانش استفادهکرد. در این تحقیق، دستیابی به این دانش از روش برنامه ریزي مرتبه دوم پیدرپی - SQP - 2 و با تابع هدف حداقل کردن مجموع مربعات انحراف میزان خروجی از مخزن نسبت به تقاضا و با استفاده از دادههاي مشاهده شده جریان ماهانه ورودي به مخزن میسر شده است.
اساس SQP بر موثر بودن محاسبات الگوریتم برنامه ریزي غیر خطی مرتبه دوم و توانایی بالاتر بسط هاي مرتبه دوم نسبت به روابط خطی براي تقریب زدن توابع غیر خطی است. با وجود اینکه در این روش به جاي خطی سازي تابع هدف، یک تقریب مرتبه دوم براي مسئله زده میشود، ولی قیود کماکان به صورت خطی باقی میمانند. در این تحقیق با توجه به دادههاي مشاهده شده به وسیله روش SQP حجمهاي بهینه خروجی در گامهاي زمانی ماهانه محاسبه شده و در نهایت به کمک مدل استنباط فازي قواعد بهرهبرداري ساخته شده است. در این مسئله گام زمانی، ماهانه در نظر گرفته شده و همچنین فرض شده حجم آب مورد تقاضا هر سال ثابت است؛ لکن مقدار آن در هر ماه تغییر می کند.
-3 ترکیب خروجیها:3 در این مرحله نتایج حاصل از مرحله قبل با همدیگر ترکیب میشوند که دو روش متداول در این زمینه عبارتاند از: استنتاج مبتنی بر قواعد جداگانه و استنتاج مبتنی بر ترکیب قواعد.
-4 فازيزدایی: فازي زدایی به عنوان یک نگاشتی از مجموعه فازي B′ در V ⊂ R - که خروجی موتور استنتاج فازي است - به یک نقطه قطعی yο ∈V تعریف میشود. به طور مفهومی، وظیفه فازي زدا مشخص کردن نقطهاي است که بهترین نماینده مجموعه فازي B′ باشد.
-3 مدل بهرهبرداري مخزن سد زاینده رود
-1-3 توصیف مورد مطالعاتی
حوضه زاینده رود در فلات مرکزي ایران و در پهنه گرم و خشک کشور قرار گرفته است. این حوضه جزو مناطق کم آب ایران به حساب میآید. مساحت کل حوضه 41524 کیلومتر مربع است که این رقم 2/5 درصد مساحت کل کشور را شامل میشود. از این مقدار، 16670 کیلومتر مربع را مناطق کوهستانی و 24854 کیلومتر مربع را مناطق دشت و کوهپایه تشکل میدهد. این حوضه از شمال به حوضه آبریز دریاچه نمک، از شرق به حوضههاي دق سرخ و کویر سیاه کوه، از جنوب به حوضه کویر ابرقو و از غرب و جنوب غرب به حوضه آبریز رودخانه کارون محدود میشود.
