19261

۱۹۲۶۱

طراحي بهينه چند هدفه شبكه فاضلاب خانگي بر مبناي اعتمادپذيري

كارشناسي ارشد

مهندسي آب و سازه هاي هيدروليكي

۹۶-۹۷

۱۳۹۷/۵/۲۸

دكتر محمد هادي افشار

عمران

چكيده شبكه‌هاي فاضلاب يكي از مهمترين سيستم‌ها در هر شهر و منطقه مسكوني محسوب مي‌شوند كه ساخت و نگهداري اين شبكه‌ها بسيار پرهزينه هستند. هر گونه تلاش براي كاهش هزينه آنها مي‌تواند صرفه جويي قابل ملاحظه اي را به همراه داشته‌باشد. به همين دليل بسياري از دانشمندان طراحي شبكه‌هاي فاضلاب را به روش‌هاي مختلف بهينه‌سازي مانند برنامه‌ريزي غير‌خطي، برنامه‌ريزي پويا و الگوريتم‌هاي فراكاوشي انجام دادند. همچنين در اكثرتحقيقات پيشين طراحي با هدف كمينه كردن هزينه‌هاي ساخت انجام شده و كاركرد و سطح اعتماد شبكه در طول دوره ي بهره برداري به ندرت در طراحي شبكه‌هاي فاضلاب مورد توجه قرار گرفته‌است. با توجه به اهميت بالاي طراحي جانمايي در عملكرد شبكه در دوران بهره برداري و همچنين هزينه ي احداث شبكه، و محدوديت هاي حل مسائل بزرگ مقياس با استفاده از الگوريتم‌هاي فراكاوشي و نيز نيز سرعت پايين همگرايي در اين روش‌ها، در اين تحقيق از تركيب الگوريتم اتوماتاي سلولي و الگوريتم ژنتيك براي طراحي تك هدفه شبكه‌هاي فاضلاب استفاده شده است. همچنين براي توليد جانمايي از الگوريتم برش حلقه به حلقه استفاده شده است تا بتوان گراف بسته حلقوي شكل را تبديل به گراف درختي شكل كند. طراحي تك هدفه ي شبكه فاضلاب به صورت همزمان و غير همزمان انجام شده است. در طراحي غيرهمزمان جانمايي شبكه بر اساس يكي از دو تابع هدف اعتمادپذيري و يا هزينه ي نسبي بهينه شده، سپس اجزاي شبكه شامل تعيين عمق كارگذاري و قطر هرلوله توسط الگوريتم اتوماتاي سلولي تعيين مي‌گردد. در مقابل در طراحي همزمان به ازاي هر جواب جانمايي توليد شده اجزاي شبكه طراحي مي‌گردند و اين امر تا حصول به همگرايي ادامه دارد. به دليل ماهيت متناقض دو هدف در نظر گرفته شده در اين تحقيق-هزينه‌هاي ساخت و اعتماد پذيري- هرگونه تلاش براي بهبود طراحي شبكه در راستاي هر يك از اين توابع هدف باعث بدتر شدن تابع هدف مقابل مي‌گردد. حل مسئله‌ي جانمايي و ابعاد به صورت چندهدفه باعث افزايش قابل توجهي در هزينه ي محاسباتي مي‌شود. بنابراين از قابليت هاي الگوريتم اتوماتاي سلولي درجهت كاهش هزينه ي محاسبات و همچنين بالا بردن كيفيت جواب‌هاي پارتو استفاده مي‌شود. روش تركيبي CA-NSGAII كه در آن از الگوريتم ژنتيك با رتبه بندي نامغلوب وظيفه ي توليد جواب‌هاي جانمايي و الگوريتم اتوماتاي سلولي وظيفه ي طراحي قطر و عمق كارگذاري لوله‌ها را دارد پيشنهاد مي‌گردد. بنابراين هزينه ي احداث شبكه با استفاده از الگوريتم اتوماتاي سلولي كمينه مي‌گردد و الگوريتم ژنتيك با رتبه بندي نامغلوب با استفاده از دو عملگر رتبه بندي بر اساس غلبه و فاصله ي ازدحامي دسته جواب‌هاي بهينه را ارائه مي دهد. روشهاي پيشنهاد شده در اين تحقيق براي حل دو مسئله بزرگ مقياس با توابع هدف و قيود غير‌خطي بكار برده شده اند. نتايج بدست آمده حاكي از كيفيت جواب‌هاي قابل قبول در طراحي تك هدفه و همچنين سرعت بالاي همگرايي مدل در قياس با ساير روشهاي استفاده شده توسط محققان را دارد. در بهينه‌سازي دوهدفه ي مسائل نمونه نيز پارتو هاي بدست آمده داراي گستردگي مناسب از لحاظ پخش جواب‌ها در طول پارتو و نيز كيفيت بالاي جواب‌ها از منظر هر دو تابع هدف مي‌باشند. واژه‌هاي كليدي: شبكه فاضلاب، اتوماتاي سلولي، جانمايي، بهينه¬سازي چند هدفه، اعتمادپذيري

1397/06/03

Reliability-based Multi-objective Optimal Design of Sewer Networks

8/19/2018 12:00:00 AM

Abstract: Sewer Networks are among the vital infrastructures in every city and residential area, so their missing will cause severe environmental hazards. Since the construction of such networks is so expensive, any attempt for reducing the costs will result in huge savings. Therefore, many researchers have addressed the sewer network design problem using various methods including non-linear programming, dynamic programming, and meta-heuristic approaches. In a vast number of previous researches, sewer network design problem has been addressed solely to minimize the construction; and system's performance and its reliability in the operation period was neglected or at least rarely addressed. Due to the importance of layout design in the system's performance and its undeniable effect on the total construction cost, a hybrid method of the Genetic algorithm(GA) and Cellular Automata(CA) is used for the single-objective design of sewer network. Also, a Loop by Loop cutting algorithm is exerted to convert the base looped graph into a dendritic graph. Two approaches were exploited in the single-objective design of sewer networks namely simultaneous design and discrete design. In the discrete design of the sewer network, the layout is optimized based on an objective function which can be reliability or the relative cost. Right after that, the elements of the network including the pipe's size and their buried depth are determined using cellular automata approach. This approach uses a discretization; hence, it reduces the complexity of the sewer design problem. Besides, there is a possibility to design the sewer layout based on different objective functions. On the other hand, the simultaneous design of the sewer network is able to deliver more accurate answers with less total cost. Two objectives that are considered in this study, reliability, and cost, are in conflict with each other; and any attempt for ameliorating one objective will exacerbate the other. Consequently, the sewer network design is solved using multi-objective approaches. In the first step, the layout problem is presented as a multi-objective problem and it is solved using NSGA-II and some of the Pareto solutions are presented using non-symmetric Nash solutions as practical answers. Moreover, due to the high computation cost for solving the whole problems of sewer network using NSGA-II, a cellular automata algorithm was combined with NSGA-II to reduce the computation time and deliver better depth; likewise, NSGA-II creates initial population and uses non-domination and crowding to render a set of optimal solutions. Keywords: Sewer Network, Cellular Automata, Layout, Multi-objective Optimization, Reliability