مقاله بهینه سازی هزینه ساخت موج شکن های توده سنگی با استفاده از الگوریتم ژنتیک

بخشی از مقاله

***  این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست  ***

بهینه سازي هزینه ساخت موج شکن هاي توده سنگی با استفاده از الگوریتم ژنتیک

چکیده
بهینه سازي هزینه ساخت موج شکنهاي توده سنگی با در نظر گیري عوامل و مدهاي خرابی با حل همزمان این قیدها در این مقاله مـورد بررسـی قرار گرفته است. تکنیک هاي بهینه سازي در طراحی موج شکن ها براي تسریع در فرآیند طراحی وارد میشوند. از آنجا که ایمنی سازه هـا مسـاله بحرانی براي طراحی است، دانش کامل از پتانسیل مدهاي خرابی و همینطور اندرکنش محتمل بین آنها، براي یک طراحی سازگار ضروري است. با استفاده از نتایج مدلسازي و طراحی کار لوسادا و همکاران در طراحی و بهینه سازي موج شکن توده سنگی، اقـدام بـه راه انـدازي مـدل ژنتیـک و بهینه سازي صورت گرفته در محاسبه هزینه ساخت موج شکن توده سنگی براي مساله فوق شده است. بدین منظـور در ابتـدا متغیرهـاي طراحـی مساله به تفکیک معرفی شده و سپس فرضیات صورت گرفته در بدست آوردن تابع هدف بهینه سازي که همان هزینـه سـاخت مـوج شـکن تـوده سنگی است معرفی گشته و به مقدار بهینه تابع هزینه ساخت بدست آمده است. با توجه به نتایج بدست آمده مشاهده گردید کـه علـی رغـم حـل همزمان مدهاي خرابی، هزینه ساخت کمتري بدست آمد.

مقدمه
موج شکن هاي توده سنگی به علت استفاده گسترده و وسیع از دانه بندي سنگها، استفاده بهینه و حداکثري از معادن اطراف محل احداث، استفاده کمتر و مناسب از ماشین آلات، هزینه اجرایی کمتر و کاهش زمان ساخت نسبت به دیگر انواع موج شکن ها مـورد توجـه بسـیاري از کشـورها بـه خصوص ایران است. این سازه ها علی رغم گذشت مدت زیادي از کاربردشان، به دلیل عدم وجود قواعد مدون بـراي طراحـی آن هـا مـورد توجـه بسیاري از محققین قرار گرفته و در آزمایشگاه ها به بررسی پارامترهاي تأثیرگذار بر آن پرداخته شده است.

موج شکن هاي توده سنگی بر مبناي طراحی دراز مدت سازه تحت تاثیر نیروي امواج با فرض تغییـر شـیب سـازه صـورت مـی گیـرد.[1] ارزیـابی مدهاي خرابی سازه ها، به منظور تعیین شاخص سلامت و احتمال خرابی آنها در مهندسی سازه از اهمیت خاصی برخوردار است. تعیین متغیرهاي طراحی، توصیف تابع هاي هزینه مرتبط با طراحی هزینه اولیه و هزینه خرابی در حین عمر طراحی مورد انتظار، براي مینیمم کردن هزینه کـل بـه عنوان پایه اي براي اجراي تحلیل بهینه موج شکنها است. از آنجا که بیشتر موج شکن هاي ساخته شده در ایران از نوع توده سنگی مـی باشـند ضرورت طراحی بهینه این نوع از سازه ها احساس میشود. به دلیل آنکه عموما تحقیقات در حوزه عمکرد سازه اي و هیدرولیکی این موج شکن هـا دقیق و جامع نبوده است و اجراي آنها عموما بر اساس تجربه صورت گرفته است، نیاز به بهینه سازي و ساخت این موج شـکن هـا بـا درنظرگیـري هزینه مناسب آن اهمیت می یابد. به طور خاص تاکنون مطالعه اي پیرامون بهینه سازي هزینه ساخت مـوج شـکن تـوده سـنگی تحـت الگـوریتم ژنتیک صورت نگرفته است و عمده مطالعات صورت گرفته تحت مدلهاي عددي همچون GAMS بوده است. ورتمن و همکاران در سال 1998بـه بهینه سازي هزینه در موج شکنهاي قائم براي استخراج سطح ایمنی مناسب و همزمان هندسه بهینه در این نوع موجشکن پرداختند. آنهـا نتیجـه گرفتند که از لحاظ اقتصادي بهینه نیست که احتمالات مدهاي خرابی قابل قبول را براي همه مدهاي خرابی یکسان در نظر گرفت، بلکه بهتر است یک یا دو مد خرابی تعیین کننده همه احتمال کل خرابی باشند.[2] مینگز و همکاران در سال 2005 با ارائـه روشـی بـراي طراحـی سـازه هـایی همچون موج شکنها، به مینیمم کردن هزینه کل سازه در حین عمر طراحی آن پرداختند. آنها نتیجه گرفتند که میتوان نرخ خرابی سالانه بهینـه براي مدهاي خرابی مختلف در کارهاي مهندسی همچون طراحی موج شکنها را بدست آورد. در ادامه کارشان تابعی را به عنوان تابع هزینه طراحی، تعمیر و نگه داري موج شکن معرفی نمودند.[3] کاستیلیو و همکاران در سال 2006 بـا اسـتفاده از روش ترکیـب نـرخ قیـدهاي خرابـی و آنـالیز حساسیت به بررسی ابعاد بهینه در موج شکنهاي ترکیبی و بدست آوردن هزینه ساخت حداقل پرداختند. روش مورد استفاده آنها تحـت مدلسـازي عددي با نرم افزار GAMS صورت گرفته است.[4] کامپوس و کاستیلیو در سال 2011 از روش درخت تصمیم براي درنظرگیري ترکیـب مـدهاي خرابی در موج شکن استفاده کردند. در نهایت نتیجه گرفتند که علی رغم ترکیب مدهاي خرابی براي بدست آوردن احتمال خرابی سازه، همچنـان نیاز به تحقیق بیشتر در این زمینه میباشد. آنها به بهینه سازي هندسی موج شکن با در نظرگیري سیستم مدهاي خرابی در طراحی پرداختند. در این تحقیق به بررسی تاثیر مدهاي خرابی از طریق پارامترهاي محیطی همچون ارتفاع مشخصه موج و هم چنین اندرکنش فیزیکی و تاثیر ترکیـب مدهاي خرابی همچون روگذري در احتمال خرابی در کل سازه براي موج شکنهاي ترکیبی پرداخته شده است.[5] لونت و همکاران در سال 2012 به بررسی ارزیابی پایداري موج شکنهاي توده سنگی تحت الگوریتم ژنتیک بر پایه شبکه هاي عصـبی - فـازي پرداختنـد. آنهـا نتیجـه گرفتنـد کـه استفاده از مدل ترکیبی الگوریتم ژنتیک بر پایه شبکه عصبی، نتایج و پیش بینی هاي قابل قبول تري نسبت به مدل ژنتیک - شبکه عصـبی فـازي دارد.[6]

در تحقیق حاضر، با استفاده از مقطع یک موج شکن توده سنگی[ 7] اقدام به بررسی پارامترهاي احتمال خرابی، هزینه ساخت و در نهایت بهینـه کردن هزینه طراحی این نوع موج شکن ها با درنظرگیري همزمان مدهاي خرابی با استفاده از الگوریتم ژنتیک پرداخته می شود.

بنابراین به عنوان هدف، کاربرد تحلیل طراحی یک موج شکن توده سنگی مورد مطالعه خواهد بود تا یک ارزیابی کمـی بـر اسـاس هزینـه سـاخت صورت گیرد. براي اینکار یک مدل طراحی بهینه موج شکن ایجاد میگردد. از آنجا که ایمنی سازه ها مساله بحرانی براي طراحی است، دانش کامل از پتانسیل مدهاي خرابی و همینطور اندرکنش محتمل بین آنها، براي یک طراحی سازگار ضروري است تا یک مدل طراحـی بهینـه، شـامل یـک مدل بررسی مدهاي خرابی معمول در موج شکنها و یک مدل بهینه سازي که به هم مرتبط می شوند تشکیل گردد. مدل احتمال خرابی با اتصـال معادلات حالت حدي بدست می آید. این معادلات حدي در مدل مورد مطالعه در موج شکن توده سنگی شامل مـد خرابـی روگـذري، مـد خرابـی خرابی آرمور و خرابی تاج دیواره بتنی موج شکن توده سنگی است. مدل بهینه سازي شـامل متغیرهـاي بهینـه سـازي، فرمـول بنـدي یـک تـابع هدف(که تابع مرتبط با هزینه است) و ملزومات و نیازهاي در قیود است. مدل بهینه سازي با هم متصل شده تا یک مدل طراحـی بهینـه از منظـر هزینه یا هندسی بدست آید. مسائل بهینه سازي فوق معمولا غیر خطی و غیر محدب است.[8] الگوریتم ژنتیک روش بهینه سازي الهام گرفتـه از طبیعت است که می توان در طبقه بندي ها، از آن به عنوان یک روش عددي ، جستجوي مستقیم و تصادفی معرفی کرد. این الگوریتم ، الگوریتمی بر پایه تکرار است و از علم ژنتیک اقتباس گردیده است.[9] قیود طراحی که تعیین کننده حدود پارامترهاي درگیر در تحلیـل تـابع هزینـه مـوج شکن خواهند بود بر اساس آیین نامه هاي استاندارد موجود مانند CEMو PIANC تعیین میگردند.[10]در این تحقیق از سـه قیـد روگـذري، خرابی لایه آرمور و خرابی تاج دیواره بتنی موج شکن توده سنگی به عنوان قیود در تحلیل استفاده شده است. لازم به ذکر است که قیود هندسی و شرایط محیطی همچون ارتفاع موج منطقه نیز در نظر گرفته شده است. در توضیح روش کار، اولین گام در رابطه سازي این مساله طراحی معرفـی مجموعه متغیرهاي طراحی است که سازه را مشخص میکنند. در گام بعدي چون معیار بهینه سازي تابع هدف هزینه اسـت، متغیرهـاي هندسـی مستقل که در بهینه سازي مقطع یک موج شکن توده ستگی تحت شرایط هیدرولیکی و... تاثیر گذار هستند انتخاب میگردند. ایـن مقطـع از کـار لوسادا و همکاران گرفته شده است.[7] مهمترین تفاوت و نوآوري در این کار در نظرگیري همزمان قیدهاي خرابی در مساله و حـل همزمـان تـابع هدف با این قیدها است. سپس تابع هزینه با درنظرگیري مجموع هزینه واحد براي هریک از اجزاي تشکیل دهنده موج شکن همچون پاشنه، پایـه توده سنگی ،حجم آرمور و حجم هسته موج شکن توده سنگی تشکیل و تحت الگوریتم بهینـه سـازي بـه محاسـبه مینـیمم هزینـه سـاخت بـا در نظرگیري قیود طراحی پرداخته خواهد شد. پاسخ بهینه پاسخی است که به ازاي آن تابع هزینه حداقل گردد.

روش بهینه سازي مساله
متغیرهاي طراحی براي انجام تحلیل از یک مقطع موج شکن توده سنگی که در شکل 1 مشخص شده استفاده گردیده است. اولین گام در رابطـه سـازي یـک مسـاله

طراحی معرفی مجموعه هاي متغیرهاي طراحی است که سازه را مشخص میکنند.

شکل :1 مشخصات هندسی موج شکن توده سنگی پیشنهادي[7]

در این جا با توجه به اینکه تابع هدف بهینه سازي هزینه ساخت موج شکن توده سنگی تحت شرایط هیدرولیکی و ژئوتکنیکی مختلف است، شش متغیر هندسی مستقل که در جدول1 نمایش داده شده اند به عنوان متغیرهاي طراحی انتخاب گردیده اند.همچنین در جدول 2 پارامترها و فرضیات مورد استفاده در بدست آوردن تابع هدف آورده شده است.

تابع هدف هدف از بهینهسازي یافتن بهترین جواب قابل قبول، با توجه به محدودیتها و نیازهاي مسأله است. بـراي یـک مسـأله، ممکـن اسـت جـوابهـاي مختلفی موجود باشد که براي مقایسه آنها و انتخاب جواب بهینه، تابعی به نام تابع هدف 1 تعریف میشود. انتخاب این تابع به طبیعت مسأله وابسته است. در این پژوهش هزینه احداث در واحد طول یک متر از مقطع یک موج شکن توده سنگی شامل اجزاي زیر است:
• دیواره تاج بتنی به حجم V c و هزینه واحد حجم Cc
• لایه محافظ متشکل از قطعات سنگی با بتنی(آرمور) به حجم V1و هزینه واحد حجم Cal
• لایه فیلتر به حجم V 2 و هزینه واجد حجم Cul
• لایه هسته موج شکن توده سنگی به حجم V 3 و هزینه واحد حجم Cco

قیمت هاي واحد باید شامل هزینه مصالح مصرفی دربرگیرنده هزینه هاي حمل و اجرا باشد. با توجه به اجزاي ذکر شده میتـوان تـابع هـدف کـه همان تابع هزینه ساخت است به صورت زیر بیان نمود:

قیود طراحی ایمنی، مساله بحرانی و اساسی در طراحی است که از طریق غالب مدهاي خرابی تایید می گردد: در ابتدا مهنـدس بایـد هـر مـد خرابـی سـازه را شناسایی کند و سپس بعد از آن، قیود ایمنی که باید ارضا شوند، تعیین گردد. در یک موج شکن تعداد زیادي مدهاي خرابـی مـی توانـد رخ دهـد. سیستم مدهاي خرابی، نه تنها شامل مکانیسم خرابی تنها می باشد، بلکه هر ترکیب ممکن مابین آنها را نیز شامل می شود. اما به دلیـل رهـایی از سختی محاسبات در ترکیب مدهاي خرابی، درکارهایی همچون کار لوسادا و همکارانبه صورت مستقل اقـدام بـه بررسـی تـاثیر مـدهاي خرابـی در محاسبه هزینه ساخت پرداخته شده است. در اینجا به حل همزمان قیدهاي خرابی در الگوریتم ژنتیک پرداخته شد. در طراحـی مـوج شـکن تـوده سنگی قیدهایی براي تامین پایداري هیدرولیکی و ژئوتکنیکی سازه وجود دارد که عبارت اند از:[11]



در رابطه فوق F0 ضریب ایمنی روگذري(برابر 1.05 فرض شده است)1،= Fc ارتفاع آزاد سازه(برابر 12.5 متر فرض شده است) 2 و Ru میزان بالاروي3 آب از شیب موج شکن توده سنگی است. محاسبه Ru از معادله زیر توسط لوسادا بدست آمده که در برنامه نیز حل گردیده است:

در روابط فوق  ارتفاع موج،  و  ضرایب وابسته به واحدهاي آرمور و  عدد ایري بارن است که پارامتر تشابه شکست نیز نامیده مـی شود. تحت شرایط موجود در معادله (6) روگذري موج در طراحی کنترل میگردد.
• خرابی آرمور این قید خرابی به برداشته شدن مکعب هاي بتنی از لایه آرمور اشاره دارد. بر اساس آزمایشات لوسادا در سال1990 این قید به صورت معادلـه زیـر ارائه میگردد:[11]

در رابطه فوق Fa ضریب ایمنی خرابی آرمور(برابر 1.5 فرض شده است)، W وزن واحد هر بلوك آرمور، R ثابت بی بعد وابسه بـه وزن مخصـوص آب و وزن مخصوص بتن تایع پایداري است کـه از روابـط زیـر ایـن پارامترهـا بدسـت مـی آیند:

در روابط فوق Ar و B r ضرایب تقریبی وابسته به زاویه شیب موج شکن بدست آمده از نتایج آزمایشگاهی هستند.این مقـادیر بـا اسـتفاده از نتایج لوسادا همکاران [7]در تحلیل وارد گردیده اند.
• مد خرابی جابجایی دیوار تاج
مد خرابی جاببجایی دیوار تاج زمانی رخ میدهد که دیواره از محل اصلی خود به دلیل نیروي ناشی از فشار آب جابجا گردد. مـارتین و همکـاران بـا استفاده از معادله زیر به بررسی خرابی ناشی از جابجایی دیوار تاج تحت قید ضریب ایمنی لغزش Fs پرداختند:[12]