پديد آورندگان :
حسيني، يونس دانشگاه بيرجند - گروه مهندسي عمران , ناصري، مهدي دانشگاه بيرجند - گروه مهندسي عمران , صادقي طبس، صادق دانشگاه علم و صنعت ايران
كليدواژه :
سياست بهينه بهره‌برداري , بهينه‌سازي چندهدفه , سد نهرين طبس , توسعه پايدار
چكيده فارسي :
سابقه و هدف : مسائل بهره‌برداري از مخزن داراي اهداف مختلف و متنوع هستند كه به ندرت منتهي به يك جواب بهينه مي‌شوند و معمولاً در آن‌ها مجموعه‌اي از جواب‌هاي بهينه (پارتو) موجود است. حل مسائل فوق در گذشته تنها با كاربرد روش‌هاي ساده كننده ميسر بوده است كه از آن جمله مي‌توان به استفاده از ضرايب وزني براي اهداف مختلف و تبديل آن‌ها به يك تابع هدف استفاده كرد. اما در سال‌هاي اخير با توسعه الگوريتم‌هاي چند هدفه تكامل گرا، ابزار مناسبي براي حل آن‌ها فراهم شده است. در اين راستا، هدف پژوهش حاضر، بررسي كاراِيي الگوريتم‌هاي بهينه‌سازي چندهدفه MOPSO، SPEA-II و NSGA-II در مسئله بهره‌برداري بهينه از مخزن با استفاده از مدل هاي بهره‌برداري LDR، N-LDR جهت توليد پاسخ‌هاي بهينه پارتو در راستاي توسعه پايدار و مقايسه نتايج با سياست بهره‌برداري SOP است. مواد و روش‌ها: جهت نيل به هدف مذكور، ابتدا روش‌هاي بهينه‌سازي NSGA-II , MOPSO و SPEA-II براي هر يك از توابع استاندارد خانواده ZDT با شرايط يكسان (تعداد جمعيت و تعداد اجرا برابر) مورد ارزيابي قرار گرفتند. پس از ارزيابي روش‌هاي بهينه‌سازي چندهدفه با استفاده از توابع استاندارد خانواده ZDT، مدل‌هاي بهره برداري از مخزن LDR ،NLDR و SOP در محيط برنامه نويسي MATLAB كدنويسي شده و با روش‌هاي بهينه سازي چندهدفه تلفيق گرديدند. براي هر يك از دو مدل شبيه‌سازي بهينه‌سازي (LDR و NLDR) دو تابع هدف بدين شرح تعريف گرديد، تابع هدف اول كمينه‌سازي مجموع درصد كمبودهاي برآورد نشده و تابع هدف دوم بيشينه‌سازي اعتمادپذيري كه بيشينه آن در شرايط بهره‌برداري SOP حاصل مي‌گردد. مدل‌هاي بهره برداري از مخزن براي يك دوره 37 ساله از سال 1356 تا 1392، جهت يافتن ضرايب مربوطه در هر دو مدل خطي و غير خطي، در شرايط يكسان براي هر يك از الگوريتم‌هاي بهينه‌سازي چند هدفه به تعداد 5000 تكرار اجرا گرديد و جبهه پارتو بهينه حاصل شد. يافته‌ها: با بررسي نتايج حاصله مشاهده شد روش SPEA-II در مدل بهره‌برداري NLDR به نتايج مناسب‌تري دست يافته است لذا از ميان پاسخ‌هاي جبهه پارتوي بهينه حاصله از اين روش، سه پاسخ به عنوان نمونه (با استفاده از معيارهاي مختلف) انتخاب گرديد و شاخص‌هاي اعتمادپذيري، برگشت‌پذيري، آسيب پذيري و MSI براي سه پاسخ مذكور محاسبه شد. با مقايسه مقادير توابع هدف و ساير معيارهاي توسعه پايدار در پاسخ NLDR-C و شرايط SOP مي‌توان مشاهده نمود با بكارگيري مدل بهينه‌سازي چندهدفه مي‌توان با ميزان كمبود كمتر (MSI 21/76 نسبت به 26/32) تقريبا به ماكزيمم اعتمادپذيري (اعتماد پذيري در شرايط SOP) دست يافت. حال آن‌كه در پاسخ NLDR-A كمترين ميزان كمبود (MSI برابر 13/02) به نسبت ساير پاسخ‌هاي نمونه و سياست SOP به چشم مي‌خورد. نتيجه‌گيري: با توجه به يافته‌هاي تحقيق مشاهده شد روش بهينه‌سازي SPEA-II در تمامي توابع استاندارد خانواده ZDT به جبهه پارتوي مطلوب‌تري نسبت به ساير روش‌هاي بهينه‌سازي دست يافته است. همچنين اين روش در مقايسه با ساير روش‌هاي بهينه‌سازي داراي جبهه كامل‌تري از جواب‌هاي پارتو مي‌باشد كه اين امر نشان از كارايي اين روش بهينه‌سازي در مسائل بهينه‌سازي چند هدفه دارد. همچنين در رابطه با مدل‌هاي بهره‌برداري LDR و NLDR با تعداد تكرار يكسان، مشاهده شد مدل بهره‌برداري غيرخطي نتايج بهتري از خود نشان داده است كه اين امر مي‌تواند به دليل درجه آزادي بيشتر رابطه غيرخطي در تعيين منحني فرمان رهاسازي مخزن سد باشد. در اين تحقيق مجموعه‌اي از جواب‌هاي بهينه (بهينه پارتو) جهت برآورده نمودن اهداف مذكور ارائه گرديد.
چكيده لاتين :
Background and Objectives: Reservoirs operation problems have various and diverse objectives that rarely lead to a global optimized answer, and usually there are a set of optimal answers (Pareto Front). Solving these problems in the past has been possible only with the use of simpler methods, including the use of weight coefficients for various purposes and the conversion of them into a just one objective function. But in recent years, with the development of multi-objective methods, there is a good way to solve them. In this regard, the purpose of the present study was to investigate the efficiency of multi-objective optimization algorithms MOPSO, SPEA-II and NSGA-II in the reservoir operation problem using LDR, N-LDR operation models to generate the optimal Pareto front in order to sustainable development.
Materials and Methods: In order to obtain the mentioned purpose, First, the NSGA-II, MOPSO, and SPEA-II optimization methods were evaluated using some benchmark problems such as standard ZDT family functions with identical conditions (equal population number and number of runs). After evaluating multi-objective optimization methods using standard ZDT family functions, NLDR, LDR and SOP operation models were coded in MATLAB programming environment and linked with multi-objective optimization methods. For each of the two optimization-simulation models (LDR and NLDR), the two objective functions were defined as follows: the first objective function was to minimize the sum of the MSI and the second objective function was the reliability maximization that the maximum of which is usually obtained under the SOP operation conditions. It turns out the two aforementioned objective functions are have a reverse relationship with each other and by increasing one of them, the other one will decrease. Reservoir operation models for a 37-year period from 1356 to 1392 were executed to find the coefficients in both linear and nonlinear models in the same conditions for each multi-objective optimization algorithm with 5000 itrations. The optimal Pareto front was obtained.
Results: By addressing obtained results, It was observed the SPEA-II optimization method in NLDR operation model, has reached to the best optimal Pareto front among others. So from its three answers were selected (by using various criteria) as sample and then sustainability indices such as reliability, resilience, vulnerability and MSI were computed for those three answers. By comparing the values of objective functions and other sustainable development criteria in SOP conditions and the NLDR-C response, it can be seen that using the multi-objective optimization model, we can by less shortages (less MSI 21, 79 compared to 32, 29), reach to approximately maximum reliability (reliability in SOP conditions). However in NLDR-A solution, the least shortage (MSI equal to 13.02) can be seen compare to other sample solutions and SOP policy.
Conclusion: Due to research findings, it was observed the SPEA-II optimization method in all of the standard ZDT family functions has reached to a more optimal Pareto front than other optimization methods. Also this method compared to other optimization methods, has a more complete front of Pareto's solutions, which indicates the efficiency of this optimization method in multi-objective optimization problems. In the case of LDR and NLDR models with the same number of iterations, also It was observed that the NLDR model has shown better results, which can be due to the higher degree of freedom of nonlinear relationship in determining the operation policy of the reservoir releasing. In this research, a series of optimal (Pareto optimal) solutions was presented to meet the stated objectives.
