بخشی از مقاله
چکیده
بهینهسازی طراحی در پروژههای مرتبط با مهندسی آب از قبیل سازههای کنترل و توزیع آب، سد و شبکههای آییاری و آبرسانی و فاضلاب شهری، کنترل سیلاب و غیره...در شرایط واقعی معمولاً با انجام محاسبات پیچیده همراه است که کاربرد نتایج حاصل در عمل با محدودیتهایی مواجه میشود. برای این منظور مدلهای ریاضی و تجربی مختلفی پیشنهاد شده استاخیراً. در بحث بهینهسازی روشهای نرم افزاری که بر مبنای فراکاوش هستند به وجود آمده است.
کارآمدی این روشها در پژوهشهای مهندسی آب به گونهای است که قادر هستند بر محدودیتهایی که در روشهای سنتی وجود دارد غلبه نمایند. بهینه سازی گروه ذرات یکی از روشهای هوش جمعی بوده که بر مبنای الگوریتم بهینهسازی عملاً قابلیت حل مسائل پیچیده مربوط به طراحی سازههای آبی را دارد. در پژوهش حاضر سازگار نمودن الگوریتم PSO برای طراحی بهینهسازی پارمترهای هیدرولیکی، سازهای و رسوبی ارائه شده است. نتایج بدست آمده از کاربرد روش PSO نشان داد این روشها بطور مطلوبی میتواند در طراحی سازههای آبی بکار گرفته شود.
مقدمه
بهینهسازی ابزاری است که برای سهولت تصمیمگیری بهینه در برنامهریزی، طراحی و عملکرد به ویژه برای سامانههای منابع آبی بزرگ بکار میرود. در بهینهسازی طراحی سازههای آبی شیوههای تجربی و تحلیلی مختلفی بهکار گرفته میشود. اما استفاده از مدلهایی عملی خواهد بود که با صرف هزینه کم بتواند از نظر سرعت همگرایی مناسب برخوردار بوده و در یافتن پاسخ بهینه اهداف مورد نظر را تامین نماید. بطور معمول بهینهسازی مسائل در دنیای واقعی نیاز به مدلهای پیچیده و سخت کامپیوتری دارد که در عمل استفاده از آنها با محدودیت همراه است . - Yazdi, 2014 - از جدیدترین روشهای بهینهسازی الگوریتم بهینهسازی ازدحام ذرات PSO است که با الگو برداری از حرکت دسته جمعی پرندگان و ماهیان توسعه یافت.
مفهوم بهینهسازی توابع غیرخطی با استفاده از روش PSO توسط کندی و ابرهارت - 1995 - مطرح شد. روش PSO که در ابتدا برای حل متغیرهای پیوسته بکار گرفته می شد نتایج موفقیت آمیزی برای مسائل مربوط به متغیرهای گسسته نشان داد . - Montalvo et al, 2008 - در این الگوریتم، موقعیت هر ذره یک نقطه از فضای جواب مسأله را نشان میدهد .هر ذره دارای حافظه است و بهترین موقعیتی که در فضای جستجو به آن می رسد را به خاطر می سپارد - زینلی و همکاران، . - 1394 در ابتدا از این روش بیشتر در حل مسائل علوم کامپیوتر و مهندسی برق و الکترونیک استفاده شد. اما با نتایج قابل قبولی که از پژوهش بر روی این الگوریتم حاصل گردید، کمکم راه خود را به سایر علوم مهندسی از جمله علوم مهندسی آب باز کرد.
استفاده از الگوریتم PSO در پژوهشهای بین المللی مربوط به علوم مهندسی آب از جمله بهینهسازی چند هدفه بهرهبرداری از مخزن سد را جهت تامین اهداف حداکثر کردن نیاز آبی مطمئن سالانه، حداکثر کردن تولید انرژی سالانه، حداقل کردن ریسک سیلاب و حداکثر کردن قابلیت اطمینان کلی سیستم مورد توجه قرار گرفت. در علم مهندسی آب آزمون روش PSO در طراحی سازههای آبی در مکانهای مختلف دارای عملکردهای متفاوتی است. در پژوهش حاضر بکارگیری استفاده الگوریتم PSO برای بهینهسازی طراحی در پروژههای مهندسی آب مورد بررسی قرار خواهد گرفت.
مواد و روشها
همانطور که اشاره شد، الگوریتم PSO که توسط کندی و ابرهارت در سال 1995 پیشنهاد شد بر اساس رفتار جمعی دسته پرندگان و حرکت ماهیان است. مشابه بسیاری از روشهای محاسباتی تکاملی مثل الگوریتم ژنتیک و الگوریتم جامعه مورچگان، الگوریتم PSO با ایجاد جمعیت اولیهای از پاسخهای بهینه تصادفی تولید میشود و فضای پاسخ را برای بهترین برازش با مکانیزم بهینهسازی، بهبود فردی - ذره - و تکامل جمعی - گروه - از طریق تکرار محاسبات جستجو میکند، بطوریکه سرانجام همه اجزاء پس از جستجوی کامل در نقطه بهینه همگرا میشوند. شکل .1
همگرایی پس از چندین تکرار در الگوریتم PSO
هر ذره دو مشخصه دارد : موقعیت و سرعت که به ترتیب با X و U نشان داده میشود و بروز رسانی آنها بر مبنای تحربه شخصی ذرات و تجربه ذرات در همسایگی است که به ترتیب معرف سطح شناخت فردی و سطح شناخت جمعی است . - Zhang, 2011 - در روش PSO فرض میکنیم فضای پاسخها D بعدی باشد.
