شماره ركورد
13080
شماره راهنما(اين فيلد مربوط به كارشناس ميباشد لطفا آن را خالي بگذاريد)
13080
پديد آورنده
مريم روحاني
عنوان
نوآوري در كاربرد روش اتوماتاي سلولي در طراحي بهينه شبكههاي فاضلاب
مقطع تحصيلي
دكتري
رشته تحصيلي
عمران - مهندسي آب
سال تحصيل
تيرماه 1393
تاريخ دفاع
تيرماه 1393
استاد راهنما
دكتر محمدهادي افشار
چكيده
چكيده
شبكههاي فاضلاب يكي از مهمترين سيستمها در هر شهر و منطقه مسكوني محسوب ميشوند و عدم وجود شبكه فاضلاب مناسب ميتواند سبب مسائل زيست محيطي شود. از آنجايي كه اين شبكهها بسيار پرهزينه هستند، هر گونه تلاش براي كاهش هزينه آنها ميتواند صرفهجويي قابل ملاحظهاي را به همراه داشته باشد. به همين دليل بسياري از دانشمندان طراحي شبكههاي فاضلاب را با استفاده از روشهاي مختلف بهينهسازي مانند برنامهريزي غيرخطي، برنامهريزي پويا و الگوريتمهاي فراكاووشي انجام دادند. روش برنامهريزي پويا داراي محدوديت نفرين ابعادي است و الگوريتمهاي فراكاووشي نيز عموما زمانبر هستند.
در اين تحقيق از الگوريتم اتوماتاي سلولي براي طراحي شبكههاي فاضلاب استفاده شده است. اين الگوريتم در ابتداي ظهور خود به عنوان شبيهساز در علوم مختلف مورد استفاده قرار گرفته بود و اخيرا نيز به عنوان يك روش بهينهساز مورد توجه قرار گرفته است. در اين ارتباط قابليتهاي موجود و كارايي و كارآمدي الگوريتم اتوماتاي سلولي براي طراحي همزمان جانمايي و ابعاد شبكههاي فاضلاب توسعه داده ميشود.
در ابتدا مسئله طراحي ابعاد شبكه فاضلاب با جانمايي ثابت شبكه و سپس طراحي همزمان جانمايي و ابعاد شبكه مد نظر قرار ميگيرد. براي طراحي ابعاد شبكه فاضلاب با جانمايي ثابت شبكه روش اتوماتاي سلولي دومرحلهاي (HCA) پيشنهاد ميشود. روش HCA با در نظر گرفتن عمق گرهي و قطر لولهها به عنوان متغيرهاي تصميم، فرآيند بهينهسازي را در دو مرحله انجام ميدهد. با توجه به اينكه در اين روش عمق گرهي به عنوان متغير تصميم در نظر گرفته شده است، مدل ارائه شده توانايي منظور كردن ايستگاه پمپاژ و يا آدمرو ريزشي را ندارد. براي رفع اين محدوديت روش اتوماتاي سلولي انعطافپذير (GCA) پيشنهاد ميشود. در روش GCA عمق كارگذاري دو سر لولهها به عنوان متغير تصميم در نظر گرفته ميشود و فرآيند بهينهسازي در يك مرحله انجام ميگردد. در اين روش فرآيند محاسبه عمق كارگذاري دو سر لولهها با فرض نسبت پرشدگي حداكثر براي لولهها صورت ميگيرد و پس از آن قطر لولهها به گونهاي تعيين ميشود كه كليه قيود مسئله تامين گردد. با توجه به فرضيات محدودكننده در نظر گرفته شده در روش GCA، روش اتوماتاي سلولي دومرحلهاي انعطافپذير (GHCA) براي رفع اين محدويت پيشنهاد ميشود. در اين روش، با در نظر گرفتن عمق كارگذاري دو سر لولهها و قطر لولهها به عنوان متغيرهاي تصميم، فرآيند بهينهسازي در دو مرحله انجام ميگيرد. در مرحله اول عمق كارگذاري دو سر لولهها با فرض ثابت بودن قطر لولهها محاسبه ميشود و در مرحله دوم، قطر لولهها با عمقهاي كارگذاري به دست آمده از مرحله اول محاسبه ميگردد، و فرآيند تا رسيدن به همگرايي ادامه مييابد. اگرچه روش GHCA قابليت طراحي همزمان جانمايي ايستگاه پمپاژ و ابعاد شبكه را به دليل نوع متغيرهاي تصميم استفاده شده دارد، ويژگيهاي اصلي روش از جمله كارايي و كارآمدي آن در صورت معلوم بودن جانمايي (محل) ايستگاه پمپاژ افزايش مييابد. بنابراين در ادامه اين تحقيق از روش GHCA تنها براي طراحي ابعاد شبكه فاضلاب استفاده ميشود، و لازم است كه جانمايي ايستگاه پمپاژ معلوم باشد. به اين ترتيب با تركيب الگوريتمهاي ژنتيك و اتوماتاي سلولي دومرحلهاي انعطافپذير، دو روش موثر و كارآمد براي طراحي بهينه جانمايي ايستگاه پمپاژ و ابعاد شبكه فاضلاب با جانمايي ثابت شبكه ارائه ميشود. در روش اول، GA-GHCA1، محل ايستگاههاي پمپاژ و هدهاي مربوطه با استفاده از الگوريتم ژنتيك تعيين ميگردد، و ساير مشخصات شبكه فاضلاب، قطر و عمق كارگذاري لولهها، با استفاده از روش GHCA و بر اساس مشخصات ايستگاههاي پمپاژ به دست آمده از الگوريتم ژنتيك محاسبه ميشود؛ در حالي كه در روش دوم، GA-GHCA2، تنها محل ايستگاههاي پمپاژ با استفاده از الگوريتم ژنتيك به دست ميآيد، و مشخصات شبكه فاضلاب شامل قطر و عمق كارگذاري لولهها و هد ايستگاههاي پمپاژ با استفاده از روش GHCA محاسبه ميشود.
با توجه به اين كه طراحي جانمايي و ابعاد شبكه فاضلاب مستقل از يكديگر نيستند، و براي طراحي جامع يك شبكه بايستي اين دو بخش همزمان با يكديگر منظور شوند، دو روش تركيبي طراحي همزمان جانمايي و ابعاد شبكه فاضلاب با استفاده از الگوريتمهاي ژنتيك و جامعه مورچگان و تركيب هر يك از آنها با الگوريتم اتوماتاي سلولي دومرحلهاي انعطافپذير ارائه ميشود. در روش اول، GA-GHCA، از الگوريتم ژنتيك دودويي به همراه مكانيزمي شهودي مبتني بر قضاوت مهندسي براي به دست آوردن جانمايي شبكه استفاده ميشود، و ابعاد شبكه با استفاده از روش اتوماتاي سلولي دومرحلهاي انعطافپذير تعيين ميگردد. در روش دوم، ACOA-GHCA، از الگوريتم جامعه مورچگان به همراه الگوريتم رشد و توسعه درختي براي ساختن جانمايي شبكه استفاده ميشود، و طراحي ابعاد شبكه فاضلاب با به كارگيري الگوريتم پيشنهادي اتوماتاي سلولي دومرحلهاي انعطافپذير انجام ميگردد. الگوريتم رشد و توسعه درختي وظيفه هدايت مورچهها را براي ساخت شبكه شاخهاي دارد كه سبب بالا بردن كارايي الگوريتم جامعه مورچگان ميشود.
روشهاي پيشنهادي GA-GHCA و ACOA-GHCA براي حل مسئله طراحي بهينه همزمان جانمايي تصفيهخانه، شبكه و ابعاد شبكه فاضلاب توسعه داده شده است.
در انتها عملكرد روشهاي پيشنهادي بر روي چند شبكه فاضلاب مورد بررسي قرار ميگيرد. مقايسه نتايج حاصل با ساير روشها بيانگر بالاتر بودن كارآمدي، كارايي و همچنين موثرتر بودن روشهاي پيشنهادي نسبت به ساير روشها از نقطه نظر بار محاسباتي و كيفيت جوابها ميباشد.
واژههاي كليدي: شبكه جمعآوري فاضلاب، طراحي همزمان جانمايي و ابعاد، بهينهسازي، الگوريتم اتوماتاي سلولي، روشهاي تركيبي