کاربرد الگوریتم خفاش به منظور طراحی اقتصادی کانال‌های باز

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 استادیار گروه مهندسی آب و سازه های هیدرولیکی، دانشکده مهندسی عمران، دانشگاه سمنان، ایران

2 استادیار، گروه مهندسی آب و سازه‌های هیدرولیکی، دانشکده مهندسی عمران، دانشگاه سمنان

3 دانشجوی کارشناسی ارشد مهندسی و مدیریت منابع آب، دانشکده مهندسی عمران، دانشگاه سمنان

4 دانشجوی دکترای مهندسی و مدیریت منابع آب، دانشکده مهندسی عمران، دانشگاه سمنان

چکیده

کانال­های باز دارای نقش مهمی در انتقال آب و کنترل سیلاب هستند که البته هزینه زیادی به پروژه­های آب­رسانی تحمیل می­کنند. در پژوهش حاضر برای نخستین بار، الگوریتم خفاش به منظور طراحی بهینه کانال­های بازاستفاده شد. بدین منظور، 5 مدل مختلف در نظر گرفته شد. در مدل اول، از کانال ذوزنقه­ای و معادله مانینگ استفاده گردید. مدل دوم مانند مدل اول است اما مقطع کانال ذوزنقه­ای به دو بخش مثلثی و یک بخش مستطیلی تقسیم شد. در مدل سوم، سرعت حداکثر به­عنوان یک محدودیت به مدل دوم اضافه شده. مدل چهارم مانند مدل دوم می­باشد اما شیب جانبی مجاز به عنوان یک محدودیت لحاظ گردید. مدل پنجم نیز مانند مدل اول است اما عدد فرود به عنوان یک محدودیت اعمال شد. در مدل­سازی­ها، هزینه ساخت کانال به عنوان تابع هدف در نظر گرفته شد. پارامتر­های بهینه الگوریتم خفاش با استفاده از آنالیز حساسیت انتخاب شد. هم­چنین مقدار ضریب تغییرات حاصل از ده اجرای تصادفی برای مدل­های مختلف در حدود 00001/0 تا 00017/0می­باشد. نتایج حاصل از الگوریتم پیشنهادی، با نتایج نرم­افزار لینگو و هم­چنین چندین الگوریتم­ هوشمند رایج مورد مقایسه قرار گرفت. نتایج، حاکی از آن است که جواب­های حاصل از الگوریتم خفاش به طور قابل­توجه به جواب­های بهینه مطلق نرم­افزار لینگو نزدیک می­باشد. دقت این الگوریتم در مقایسه با سایر الگوریتم­های تکاملی نیز بالاتر می­باشد. با توجه به دیگر نتایج، استفاده از الگوریتم خفاش در مقایسه با سایر روش­های فراابتکاری، موجب کاهش هزینه تا 32% می­گردد. در میان پنج مدل مورد بررسی، مدل دوم دارای کم­ترین هزینه است. استفاده از مدل دوم بجای مدل اول موجب کاهش هزینه در حدود47% شد. از سوی دیگر، اضافه کردن محدودیت­های سرعت مجاز، شیب مجاز و عدد فرود به مدل دوم موجب افزایش هزینه­به ترتیب برابر 65%، 39% و 55% شد. هم­چنین الگوریتم پیشنهادی برای مدل­های مختلف در 100 تا500 تکرار همگرا شد.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

The application of Bat algorithm for Economical Design of Open Channels

نویسندگان [English]

  • Saeed Farzin 1
  • Hojat Karami 2
  • Mehdi Valikhan Anaraki 3
  • Mohammad Ehteram 4
1 Assistant Professor, Department of Water Engineering and Hydraulic Structures, Faculty of Civil Engineering, Semnan University, Semnan, Iran.
2 Assistant Professor, Department of Water Engineering and Hydraulic Structures, Faculty of Civil Engineering, Semnan University, Semnan, Iran
3 M.Sc. Student of Water Resources Engineering and Management, Faculty of Civil Engineering, Semnan University, Semnan, Iran
4 Ph.D student of Water Resources Engineering and Management, Faculty of Civil Engineering, Semnan University, Semnan, Iran
چکیده [English]

Open channels have an important role in transferring water and flood control. Of course, it imposes the high cost to water supply projects. In the present study for the first time, bat algorithm has been usedfor optimal channel design. For this purpose, five different models are considered. In the first model, trapezoidal channel and manning equation are used. The second model is such as the first model, but the trapezoidal cross-section of the channel divided into two triangular segments and one rectangular segment. In the thired one, the maximum velocity is considered as a constraint. The fourth model is such as the second model, but the permissible side slope is considered as a constraint. The fifth model resembled the first model, but Froude number is considered as a constraint. In modeling, the cost of channel construction is considered as an objective function. Optimal parameters of bat algorithm are selected by using thesensitivity analysis. The coefficient of variation of ten random runs for different models is about 0.00001 to 0.00017. The results of proposed algorithm have been compared with LINGO software solutions and several common intelligent algorithms. Based on the findings, the results of bat algorithm significantly are close to the global solutions of LINGO software.  The accuracy of this algorithm is also more than the other evolutionary algorithms. According to the other results, using the bat algorithm for the different evolutionary methods hascausedto 32% decreasing in cost. Among five considered models, the second model has the lowest cost. Used second model instead the first model is lead to 47% decreasing in cost. But, adding maximum velocity, permissible side slope and Froud number constraints to the second model has caused to 65%, 39%, and 55% increase in cost. Also, the proposed algorithm converges in 100to 500 iterations.   

کلیدواژه‌ها [English]

  • Bat Algorithm
  • Construction cost
  • Open Channels
  • Optimal design
فرخی،م.،کامگار حقیقی،ع.، سپاس­خواه،ع.، زندپارسا،ش و هنر،ت. 1393. تغییرات زمانی و مکانی آب توزیع شده درکانال­های شبکه سد درودزن، نشریه آبیاری و زهکشی ایران. 8. 4: 684 - 693.

احترام،م.، کرمی،ح.، موسوی،س.، فرزین،س و سرکمریان،س. 1396. ارزیابی عملکرد الگوریتم خفاش در بهینه­سازی پارامتر­های مدل غیرخطی ماسکینگام برای روندیابی سیلاب، نشریه اکوهیدرولوژی. 4. 4: 1025 - 1032.

Bhattacharjya,R.K. 2006. Optimal design of open channel section incorporating critical flow condition. Journal of Irrigation And Drainage Engineering. 132.5: 513-518.‏

Bozorg-Hadad,O., Karimirad,O., Seifollahi-Aghmiuni,S and Loáiciga,A.H. 2014. Development and Application of the Bat Algorithm for Optimizing the Operation of Reservoir Systems. Journal of Water Resources Planning and Management.8.141: 1-10.

Das,A. 2000. Optimal channel cross section with composite roughness. Journal of Irrigation and Drainage Engineering. 1.126: 68-72.

Das,A. 2007,a. Flooding probability constrained optimal design of trapezoidal channels. Journal of Irrigation and Drainage Engineering. 1.133: 53-60.

Das,A. 2007,b. Optimal design of channel having horizontal bottom and parabolic sides. Journal of Irrigation and Drainage Engineering. 2.133: 192-197.

Froehlich,D.C. 1994. Width and depth constrained best trapezoidal section. Journal of Irrigation and Drainage Engineering.4.120: 828-835.

Jain,A., Bhattacharya,R.K and Sanaga,S. 2004. Optimal design of composite channels using genetic algorithm. Journal of Irrigation and Drainage Engineering.4. 130: 286–295.

Niknam,T., Sharifinia,S and Azizipanah-Abarghooee,R. 2013. A new enhanced bat-inspired algorithm for finding linear supply function equilibrium of GENCOs in the competitive electricity market. Energy Conversion and Management. 76: 1015-1028.

Nourani,V., Monadjemi,P., Talatahari,S and Shahradfar,S. 2009. Application of ant colony optimization to optimal design of open channels. Journal of Hydraulic Research. 5.47: 656-665.

Orouji,H., Mahmoudi,N and Pazoki,M. 2016. Shuffled frog leaping algorithm for optimal desing of open channels. Journal of Irrigation and Drainage Engineering. 10.142: 1-8.

 Reddy,M. and Adarsh,S. 2010. Chance constrained optimal design of composite channels using meta-heuristic techniques.Water resources management. 10.24: 2221-2235.

Roushanga,K., Alami,M.T., Nourani,V and Nouri,A. 2017. A cost model with several hydraulic constraints for optimizing in practice a trapezoidal cross section. Journal of Hydro informatics.3.19: 456-468.‏

Swamee,P.K., Mishra,G.C and Chahar,B.R. 2000,a. Comprehensive design of minimum cost irrigation canal sections, Journal of Irrigation and Drainage Engineering. 5.126: 322-327.

Swamee,P.K., Mishra,G.C and Chahar,B.R. 2000b. Design of minimum seepage loss canal sections. Journal of Irrigation and Drainage Engineering. 1.126: 28–32.

Yang,X.S. 2010. A new metaheuristic bat-inspired algorithm. Nature inspired cooperative strategies for optimization. 284: 65-74.

Trout,T.J. 1982. Channel design to minimize lining material costs. Journal of Irrigation and Drainage Engineering. 4.108: 242-249.