بخشی از مقاله
خلاصه
ارائه الگوریتمهای فراکاوشی چند هدفه و کارا، برای طراحی شبکههای انتقال آب، به کمک منطق فازی تفکر کاملا جدیدی برای توسعهی سیستمهای نرم افزاری است و با استفاده از این الگوریتمها، میتوان دنیای بهینهسازی را از محدوده تحقیقاتی به دنیای مهندسی وارد کرد.
این تحقیق، با یک رویکرد شبیهسازی - بهینهسازی در نرم افزار متلب و با وارد کردن مستقیم معادلات جریان در مدل بهینهسازی، به طراحی بهینه قطر لولههای موجود در شبکه نمونه هانوی بوسیله الگوریتم ژنتیک دو هدفه با شاخص فازی با توابع هدف بیشینه کردن اطمینانپذیری و کمینه کردن هزینه پرداخته می-شوند و قیود حاکم بر برنامه بهینهساز کمینه و بیشینه فشار درگرهها و کمینه و بیشینه سرعت جریان در لولهها است.
در شاخص فازی مذکور از تابع عضویت گوسی استفاده شده است. هدف این تحقیق رسیدن به طرح بهینهای است که علاوه بر داشتن بهترین شرایط از لحاظ سرمایهگذاری و هزینه، بهترین شرایط بهرهبرداری را نیز برای مصرفکننده تأمین کند. نتایج نشان داد که شاخص پیشنهادی، توانایی مناسبی را در ایجاد اطمینانپذیری مورد نظر در شبکه دارد. از الگوی طراحی توسعه داده شده در این تحقیق میتوان به منظور ارائه یک مجموعه جواب غیرمغلوب به تصمیمگیرندگان، برای انتخاب نقاطی که در آنها هر دو عامل هزینه و اطمینانپذیری در شرایط مطلوبی هستند، استفاده نمود.
.1 مقدمه
این مدلهای شبیهسازی هیدرولیکی شبکهها، ابزار توانمندی هستند که برای تعیین مشخصات هیدرولیکی سیستم-های توزیع آب نظیر فشار در گرهها، توزیع جریان در لولهها و غیره به کار میرود. این مدل معمولا قابلیتی برای بهینه - حداقل کردن - هزینههای سیستم ندارند و قابلیت اصلی آنها تحلیل هیدرولیکی سیستم طراحی شده است. تحلیل شبکه-های حلقوی آب به حل همزمان تعدادی از معادلات غیرخطی و خطی منجر میگردد که روش صریح و مستقیمی برای حل معادلات غیرخطی وجود ندارد. لذا بایستی از روشهای تکرار استفاده نمود. در حال حاضر شبکهها به روش آزمون و خطا و با استفاده از تجربه مهندسی طراحی میشوند. این روش برای سیستمهای کوچک تا حدودی امکانپذیر و مقرون به صرفه است، اما در هر صورت غیر بهینه و در معرض خطاهای طراح بوده و از نظر زمانی نیز وقت زیادی از طراح میگیرد. با توجه به این موضوع به نظر میرسد که تعیین مشخصات اجزای هیدرولیکی اهمیت زیادی در طراحی شبکههای انتقال آب و کاهش هزینههای بهرهبرداری دارد
در سالهای اخیر همگام با پیشرفت روشهای کامپیوتری و هم چنین گسترش الگوریتمهای تکاملی و فراکاوشی چند هدفه، محققان کوشیدند تا با ارائه شاخصهای اطمینانپذیری قطعی، توابع هدف کمینه کردن هزینه و بیشینهکردن اطمینانپذیری را به طور همزمان وارد مدلهای طراحی کنند . تودنی - 2000 - با بکارگیری مفهوم قابلیت ارتجاع در شبکه-ها، شاخص قابلیت ارتجاع - Ir - را ارائه کرد و با استفاده از دو تابع هدف بیشینه کردن Ir و کمینه کردن هزینه، به طراحی چند هدفه شبکه توزیع آب پرداخت.
در همین راستا، پراساد و پارک - 2004 - ، نیز پس از انجام اصلاحاتی بروی شاخص ارائه شده توسط تودنی در سال 2000 و ارائه شاخص اصلاح شده قابلیت ارتجاع شبکه - In - ، با استفاده از الگوریتم چند هدفه ژنتیک به طراحی شبکههای توزیع آب پرداخت و نشان داد که شاخص اصلاح شده قادر است اطمینان پذیری را در سطح مناسبتری تضمین کند
این شاخصها ، در حال حاضر از بهترین معیارهای اعتمادپذیری هیدرولیکی شبکههای آب رسانی شناخته میشود. شاخصهای ارائه شده قبلی، هیچ یک بیشینه فشار مجاز درگرههای شبکه را در روابط ریاضی خود وارد نکردهاند در حقیقت با افزایش خود، مقدار فشار گرههای شبکه را Ir و In هر دو شاخص به صورت بیقید و شرط افزایش میدهند.
این امر موجب نشت غیر قابل کنترل از شبکه در مواقع شکستگی و همچنین عدم حفظ ایمنی لولهها میشود. قارجارنیا و همکاران - 2010 - به طراحی چند هدفه شبکههای توزیع آب با استفاده از از شاخص اطمینان-پذیری فازی و الگوریتم چندهدفه زنبورعسل پرداختند. آنها برای شبیهسازی شبکه توزیع آب، از نرم افزار ایپانت استفاده کردند. در تحقیقات آنها تنها قید کمینه فشار اعمال شده است اما با توجه با آنکه شبیهسازی هیدرولیکی شبکه در مدل بهینهسازی چند هدفه زنبور عسل توسط نرم افزار هیدرولیکی ایپانت انجام شده است. لذا اعمال تابع جریمه برای کسب اطمینان از ارضای آنها مورد نیاز نبوده است
این تحقیق، با یک رویکرد شبیهسازی - بهینهسازی در نرم افزار متلب 2016 و با وارد کردن مستقیم معادلات جریان در مدل بهینهسازی، به بهینهسازی هزینهی ساخت و طراحی دو شبکه نمونه میپردازد. با توجه به نوع شبکههای انتخاب شده، متغییر تصمیم در این تحقیق، تنها قطر لوله است. ابتدا توسط الگوریتم ژنتیک تکهدفه به طراحی بهینه قطر لوله-های موجود در شبکه با تابع کمینه کردن هزینه ساخت شبکه، پرداخته میشوند و قیود حاکم بر برنامه بهینهساز کمینه و بیشینه فشار درگرهها و کمینه و بیشینه سرعت جریان در لولهها است. سپس طراحی همین شبکهها بوسیله الگوریتم ژنتیک دو هدفه با شاخص فازی، با توابع هدف بیشینهکردن اطمینانپذیری و کمینهکردن هزینه ساخت شبکه و با همان قیود قبلی، انجام خواهد شد.
تحقیق حاضر، روشی را جهت بهینهسازی شبکههای آبرسانی ارائه میدهد که علاوه بر قیود رایج در بهینهسازی شبکهها، قید سرعت را اضافه و همچنین قابلیت اطمینان گرهها و شبکه در شرایط بحرانی مثل شکست لولهها و افزایش تقاضا در گرهها و ... را نیز به عنوان یک تابع هدف در الگوریتم ژنتیک دو هدفه، مد نظر قرار میدهد. با توجه به نوع شبکهها، ورودی الگوریتم شامل مشخصات لولهها - طول لولهها، ضریب هیزن- ولیامز آنها - ، قطر لولههای موجود در بازار و قیمت آنها، ضریب جریمهای انحراف فشار و ضریب جریمهای انحراف قید سرعت است. بعد از تحلیل شبکه، قطر لولهها، هزینه ساخت شبکه، مقدار اطمینانپذیری - در طراحی با الگوریتم ژنتیک دو هدفه - ، سرعت در لولهها و فشار در تمامی گرهها به عنوان خروجی ارائه میشود.
.2 مواد و روشها
.1-2 الگوریتم ژنتیک چند هدفه
الگوریتم ژنتیک - GA - روشی جمعیت مبنا است و میتواند روش مناسبی برای حل مناسب بهینهسازی چند هدفه باشد. با هر بار اجرای آن، مجموعهای از راه حلها تعیین میشوند که ممکن است تعدادی از آنها غیر مغلوب باشند. با تکرار اجرای الگوریتم، راه حلها به سمت راه حلهای بهینه همگرا میشوند. در GA امکان بررسی هم زمان قسمتهای مختلف فضای جواب وجود دارد. تاکنون روشهای متعددی برای بهینهسازی چند هدفه بر مبنای الگوریتم ژنتیک ارائه گردیده که تفاوت آنها اغلب در نحوه تعریف ضوابط گزینش و توابع برازندگی است. به دلیل گستردگی مباحث مربوط به الگوریتمهای ژنتیک چند هدفه، تنها خلاصهای از خصوصیات، مزایا و معایب برخی از الگوریتمهای معروف در این زمینه در جدول 1 آورده شده است
جدول -1 برخی از روشهای بهینهسازی چند هدفه مبتنی بر الگوریتم ژنتیک
