مهسا اميرعبداللهيان

بهينه‌سازي شبكه‌هاي انتقال آب توسط الگوريتم ژنتيک و منطق فازی

چکيده

شبکه­های توزيع آب شهری برای ارتباط بين مصرف­کننده و منابع آب احداث می­شوند و از جمله پيچيده­ترين زيرساخت­های شهری هستند که طراحی و توسعه آن­ها نيازمند تحليل­های گسترده و صرف هزينه‌ي‌ قابل توجه است. در اين پايان­نامه، طراحی بهينه‌ي شبکه‌های انتقال آب با استفاده از الگوريتم ژنتيک و سپس تلفيق اين الگوريتم بهينه­ساز با سيستم تصميم­گيری فازی (الگوريتم ژنتيک- فازی) بررسی شده­است. الگوريتم ژنتيک به‌عنوان يکی از روش­های تکاملی بهينه­ساز، طراحی بهينه شبکه­هايی در ابعاد واقعی و همراه با کليه‌ي تجهيزات مورد نياز در چنين شبکه­ای را برای محققين ممکن کرده ­است. پياده­سازی کاربردی سيستم استنتاج فازی در طراحی شبکه­های انتقال آب نشان می­دهد که می­توان ايده و نظرات طراح و نيز قيود طراحی را در قالب پايگاه قواعد سيستم استنتاجی درآورد و در فرايند طراحی دخالت داد. تبديل روش افراد خبره در طراحی و ارايه­ی الگوريتم­های کارا برای طراحی شبکه­های انتقال آب به‌وسيله‌ي سيستم استنتاج فازی تفکر کاملاً جديدی برای توسعه­ی سيستم­های نرم­افزاری است. در اين پايان­نامه طراحی بهينه دو شبکه متداول بررسی­شده­است.

در مثال اول، طراحی بهينه‌ي شبکه دوحلقه­ای ثقلی صورت گرفته است. اين طراحی شامل تعيين قطر لوله­های موجود در شبکه است و قيود حاکم بر برنامه‌ي بهينه­ساز کمينه و بيشينه‌ي فشار در گره­ها و کمينه و بيشينه‌ي سرعت جريان در لوله­ها است. در فرايند بهينه­سازی، انتخاب به روش رقابتی و ترکيب با استفاده از روش تک­نقطه­ای به‌عنوان مؤثرترين عملگرها در طراحی بهينه‌ي شبکه‌ي انتقال آب توسط الگوريتم ژنتيک شناخته ­شدند. در اين بخش با استفاده از شبيه­سازی­های مکرر جريان در هريک از نسل­های الگوريتم ژنتيک و ترکيب برازندگی مربوط به شبکه در حالت­های مختلف بارگذاری، شبکه­ای با کارايی مطلوب تحت چندين بارگذاری متفاوت طراحی شد. در قدم بعدی، طراحی بهينه‌ي شبکه با استفاده از الگوريتم تلفيقی ژنتيک- فازی بررسی شد. در اين بخش، بهينه­ساز يک الگوريتم ژنتيک است که در قسمت انتساب عدد برازندگی به هر رشته، از يک سيستم استنتاج فازی استفاده می‌شود.

در مثال دوم، شبکه‌ي معروف Anytown بررسی شده ­است که دارای ابعادی در حدود يک شبکه‌ي آب با کليه‌ي مشخصات و فرضيات موجود در شرايط واقعی است. در اين بخش، طراحی کم­هزينه‌ي شبکه شامل تعيين قطر لوله­ها و انجام و يا عدم انجام عمليات ارتقا در آن­ها، تعيين محل مخازن هوايی و کليه مشخصات آن­ها و تعيين محل ايستگاه­های پمپاژ و برنامه‌ي زمان­بندی بهره­برداری از پمپ­ها در هر ايستگاه توسط الگوريتم ژنتيک- فازی بررسی ­شد. با اضافه­کردن قابليت تعبيه پمپ در بخش­های مختلف شبکه، توانايی برنامه‌ي بهينه­ساز در ارضای قيود هيدروليکی افزايش يافت. جهت کاهش تعداد متغيرهای تصميم، تنها محل مخازن هوايی و حداکثر تراز آب در آن­ها توسط الگوريتم بهينه­ساز تعيين شد. بدين طريق يک تابع برازندگی تعميم­يافته خواهيم داشت که با تغيير مسأله، تغيير محدوده‌ي متغيرها، تغيير مشخصات شبکه و ... تغيير نمی­کند و با استفاده از الگوريتم مبتنی بر تصميم­گيری فازی می‌توان دنيای بهينه‌سازی را از محدوده‌ي تحقيقاتی به دنيای مهندسی وارد کرد. با استفاده از اين سيستم، طراح با توجه به قضاوت مهندسی و کليه‌ي شرايط حاکم از جمله شرايط اقتصادی قادر به کنترل جعبه سياه بهينه­ساز است. لازم به‌ذکر است که در فرايند بهينه‌سازی به روش ژنتيک- فازی با افزايش قيود حاکم بر برنامه‌ي بهينه­ساز، زمان لازم جهت همگرايی در روش ژنتيک- فازی با سرعت زيادی افزايش می­يابد.  لذا در هر فرايند طراحی بهينه‌ي شبکه انتقال آب، بايد تعداد محدودی از قيود به‌صورت فازی تعريف شوند.