11176

11176

كاليبراسيون چند منظوره مدل كيفي مخازن با استفاده از مدل شبيه ساز CE-QUAL-W2 و الگوريتم بهينه سازي Multi Objective Particle Swarm Optimization

كارشناسي ارشد

عمران - محيط زيست

تير 1390

تير 1390

دكتر عباس افشار

چكيده آگاهي از پاسخ احتمالي پيكره آبي قبل از انجام هر عملي روي آن بسيار ضروري است. از آنجايي كه پيكره هاي آبي،سيستم هاي پيچيده اي هستند بسيار سخت است كه رفتار آنها را پيش بيني كنيم. تلاش براي پيش بيني پاسخ پيكره هاي آبي به آلودگي هاي ناشي از فعاليت هاي انساني منجربه پيشرفت مدلهاي فرا رياضي زيادي شده است. مدلها بطور كلي رفتار بيولوژيكي و فيزيكي پيكره هاي آبي را بواسطه مجموعه روابط رياضي كه شامل پارامترهاي زيادي مي شوند تشريح مي كنند. يك فرايند مدلسازي كيفي آب بطور معمول شامل مجموعه داده، فرمولاسيون مدل و كاليبراسيون و معتبرسازي مي باشد. مجموعه داده و فاز فرمولاسيون مدل بر روي نتايج فاز كاليبراسيون تاثير مي گذارد. گرچه براي يك مدلسازي موفق، فاز كاليبراسيون بايد بهينه ترين پارامترهاي ممكن مدل را تعيين كند. با وجود كاليبراسيون و شبيه سازي كيفيت آب، مدلها بطور گسترده اي در كنترل آب و مطالعات مديريتي بكار مي روند. اين مدلها عموما قادرند متغيرهاي هيدروديناميك (مانند سطح تراز آب و سرعت هاي آب) و متغيرهاي كيفي آب (مانند اكسيژن محلول و فسفر كل و...)پيش بيني كنند. اعتبار نتايج مدل بستگي زيادي به اين دارد كه تا چه حد آن مدلها خوب كاليبره شده اند. در كاليبراسيون مدل، پارامترهاي مدل تنظيم مي شوند تا اينكه بين همه متغيرهاي اندازه گيري شده و شبيه سازي شده مورد نظر بطور همزمان به توافق مناسبي برسيم كه براي حصول به اين هدف به تكنيك كاليبراسيون چند منظوره نيازمنديم. در گذشته تلاشهايي براي كاليبراسيون چندگانه مانند مدلهاي كيفي آب انجام شده است. هدف كاليبراسيون مدل چند منظوره رسيدن به بيشترين توافق بين داده مشاهده شده و نتايج شبيه سازي شده مدل براي همه متغيرها (مانند:اجزاي چندگانه كيفي آب براي يك مسئله كاليبراسيون مدل كيفي آب ) مي باشد. اين توافق معمولا بواسطه كاهش دادن توابع خطا حاصل مي شود. بنابراين فرايند كاليبراسيون يك مدل كيفي آب تبديل به پيدا كردن مقدار پارامترهاي مدل كه توابع خطا را حداقل كند مي شود. پارامترهاي مدل به منظور رسيدن بيشترين توافق بين مقدار اندازه گيري شده و شبيه سازي متغيرها بطور همزمان تنظيم مي شوند. وقتي نتوان يك راه حل براي تمام مسائل بدست آورد كه بطورهمزمان همه تابع هاي هدف را حداقل كند از مجموعه راه حل پرتو استفاده مي كنيم. مجموعه راه حلهاي پرتو بر مبناي مفهوم راه حل تسلطي مي باشند. راه حلهايي هستند كه توسط هر راه حل منفرد ديگر مورد تسلط قرار نگرفته اند. مدل شبيه ساز كيفي كه براي مدلسازي آب مخازن بكار ميرود(CE-QUAL-W2) نام دارد كه يك مدل دو بعدي، طولي و عرضي،وهيدروديناميكي و كيفي آب است كه به زبان برنامه نويسي فرترن نوشته شده است. اين مدل توانايي شبيه سازي فرايندهاي سينتيك و هيدروديناميك در درياچه، مخازن و مصب ها را دارد. متغيرهاي خروجي در اين پروژه دما، فسفات، اكسيژن محلول، سطح تراز آب، كلروفيل آ، نيترات و آمونيم مي باشد. الگوريتم هاي تكاملي قادرند براي بهينه سازي چند منظوره به خوبي بكار روند چونكه آنها قادرند راه حلهاي چندگانه را بطور موازي جستجو كنند و در شرايط پيچيده چون ناپيوستگي بكار روند. در ميان الگوريتم هاي تكاملي الگوريتم بهينه سازي توده ذرات بطور گسترده بكارمي رود. الگوريتم بهينه ساز توده ذرات، اولين بار توسط]1[ Kennedy و Eberhart در سال 1995 معرفي گرديد. اساس الگوريتم بهينه ساز توده ذرات، شبيه سازي يك رفتار دسته جمعي است كه از آن براي نشان دادن حركت گروه پرنده ها و ماهيان استفاده مي شود. در سال 2002 آقايان Coello و ] Lechuga2[يك طرح كامل از الگوريتم چند هدفه بهينه ساز توده ذرات مطرح كردند. مانند همه الگوريتم هاي تكاملي، الگوريتم بهينه ساز چند هدفه توده ذرات متداول نيز با ايجاد يك جمعيت تصادفي از افراد شروع مي شود، كه در اينجا به عنوان يك توده ازذره ها خوانده مي شود. مانند آنچه كه در همه الگوريتم هاي تكاملي وجود دارد، هر ذره در توده مجموعه مختلف از پارامتر هاي نا مشخص مي باشند كه بايد مقادير بهينه آنها تعيين شود. در واقع هر ذره يك نقطه از فضاي راه حل را ارائه مي دهد. اساس الگوريتم، جستجوي فضاي راه حل ها به يك روش مناسب است، كه توسط حركت گله اي ذره ها به سوي بهترين موقعيتي كه در گذشته با آن روبرو شده اند با اين اميد كه در اين فرآيند به يك موقعيت بهتري برسند، صورت مي گيرد. سرانجام همه ذره ها در نقطه بهينه همگرا مي شوند. تفاوت بين الگوريتم بهينه ساز چند هدفه توده ذرات و ساير الگوريتم هاي تكاملي در روشي است كه از طريق آن جمعيت ايجاد شده، در فضاي جستجو حركت مي كند. وقتي وقتي مسئله كاليبراسيون با يك تابع هدف رو به رو است هدف پيدا كردن همان يك تابع هدف است و مسئله تك هدفه است. ولي وقتي مسئله كاليبراسيون با بيش از يك تابع هدف رو به رو است هدف پيدا كردن چند راه حل است و مسئله كاليبراسيون چند هدفه است. در كاليبراسيون چند هدفه ما با توابعي روبه رو هستيم كه با هم رابطه مخالف دارند. دركاليبراسيون پارامترهاي مدلهاي پيكره هاي آبي با مواردي روبه رو مي شويم كه بهينه شدن يك پارامتر موجب ميشود پارامتر ديگر از مقدار بهينه خود خارج شود پس ما با يك مسئله كاليبراسيون چند منظوره روبرو هستيم. هدف اين پايان نامه وبكارگيري الگوريتم چند هدفه بهينه ساز توده ذرات براي كاليبراسيون چند منظوره مدل CE-QUAL-W2 است. اين روش داراي مزيت بسياري در ارزيابي توابع هدف مدل كاليبراسيون مي باشد. ثابت شده است كه الگوريتم بهينه سازي چند هدفه توده ذرات، يك روش موثر و كارآمد جهت حل مسائل بهينه سازي فراگير است و در برخي حالات، دشواري هايي كه ساير تكنيك هاي محاسبات تكاملي با آنها روبرو هستند، را متحمل نمي شود. در اين پايان نامه مدل CE-QUAL-W2 براي شبيه سازي فرايند هيدروديناميك و شرايط كيفي و كمي آب در سد كرخه بكار رفته است و الگوريتم چند هدفه بهينه ساز توده ذرات به منظور كاليبراسيون چندمنظوره اين مدل استفاده شده است. واژه‌هاي كليدي: كاليبراسيون، الگوريتم بهينه ساز چند هدفه توده ذرات، مدل شبيه ساز CE-QUAL-W2،و مخزن كرخه.