کاربرد الگوریتم نیروی مرکزی (CFO) در بهینه سازی شبکه توزیع آب آبیاری

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 گروه عمران، دانشکده مهندسی، واحد سیرجان، دانشگاه آزاد اسلامی

2 هیئت علمی گروه عمران، واحد سیرجان، دانشگاه آزاد اسلامی، سیرجان، ایران

چکیده

امروزه طراحی بهینه شبکه‌ها با توجه به سرسام‌آور بودن هزینه‌های اجرایی شبکه‌های توزیع آب، امری ضروری به‌نظر می‌رسد. طراحان همواره به‌دنبال یافتن روشی هستند که ضمن تامین ضوابط و معیارهای فنی طرح کم‌ترین هزینه را در برداشته باشد. در این تحقیق از الگوریتم نیروی مرکزی (CFO) برای حل بهینه هزینه طراحی شبکه روستای اسماعیل‌آباد در 7 کیلومتری شمال غرب شهر نورآباد در استان لرستان استفاده گردید؛ بهینه‌سازی این شبکه با توسعه یک مدل بهینه‌سازی مبتنی بر الگوریتم نیروی مرکزی در محیط نرم‌افزار متلب و اتصال پویای آن با نرم افزار EPANET جهت انجام محاسبات هیدرولیکی شبکه مورد ارزیابی قرار گرفته است. الگوریتم نیروی مرکزی برای شرایط تعداد کاوشگر 42 عدد، نرخ جهش 15%، تعداد تکرار 1000 مرتبه (Nt=1000) و شتاب اولیه کاوشگر‌ها برابر صفر بهترین کارایی را نشان داد. حل بهینه به‌دست آمده برای شبکه توزیع آب آبیاری اسماعیل‌آباد نشان می‌دهد هزینه بهینه الگوریتم نیروی مرکزی (737724 دلار) 55/1 درصد بیش‌تر از هزینه بهینه مطلق برآورد شده توسط روش MILP می‌باشد. ویژگی این روش در آن است که یک روش قطعی می باشد و همچنین زمان اجرای آن تقریباً نصف زمان اجرای روش MILP است.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Applied of Central Force Algorithm (CFO) in Optimization of Irrigation Water Distribution Network

نویسندگان [English]

  • Ramin Mansouri 1
  • Mohsen Mohamadizadeh 2
1 civil engineering Dep., Sirjan Branch, Islamic Azad Univ.
2 1. Assistant Professor in Hydraulic Structures. Civil Engineering Department, Sirjan Branch, Islamic Azad University, Sirjan, Iran
چکیده [English]

Nowadays, the optimal design of networks is necessary due to the high operating costs of water distribution networks. Engineers are always trying to find ways that also to provide the technical criteria lowest cost plan for it. In this research, Central Force Optimization (CFO) was used to optimize Ismail Abad irrigation water distribution network. This network that is pressurized network and includes 19 pipes and nodes 18. Optimization of the network has been evaluated by developing an optimization model based on CFO algorithm in MATLAB and the dynamic connection with EPANET software for network hydraulic calculation. Central force algorithm for conditions of probes 42, 15% mutation rate, the number of iteration equal to 1,000 (Nt = 1000) and initial acceleration probe is zero showed the best performance. The optimal solution for Ismael Abad irrigation water distribution network show that CFO (737,924 $) is %1.55 more than the absolute optimum that determined by the MILP method.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Water networks
  • Optimization model
  • Central force optimization
  • Probe
  • mutation rate
جباری،آ.، ترابی پوده،ح.، یونسی،ح و حقی­آبی،ا.ح، 1396. کاربرد روش بهینه­سازی نیروی مرکزی در طراحی سامانه­های توزیع آب، مجله آب و فاضلاب. 28. 2:77-65.
شاهی­نژاد،ب. 1390. طراحی بهینه سیستم­های انتقال و توزیع شبکه‌های تحت فشار با استفاده از برنامه­ریزی خطی مختلط اعداد حقیقی و صحیح. رساله دکترا، دانشگاه چمران.
سازمان مدیریت و برنامه­ریزی کشور، 1394. فهرست بهای واحد پایه رشته انتقال و توزیع آب روستایی. فهرست بهای، رشته مهندسی آب.
سازمان مدیریت و برنامه­ریزی کشور، 1392. ضوابط طراحی سامانه‌های انتقال و توزیع آب شهری و روستایی. نشریه شماره 3-117، دفتر مهندسی و معیارهای فنی آب و آبفا.
منصوری،ر و ترابی،ح. 1394. به­کارگیری الگوریتم تکامل تفاضلی (DE) برای بهینه­سازی شبکه توزیع آب (مطالعه موردی: شبکه آبیاری تحت­فشار اسماعیل­آباد).  نشریه دانش آب و خاک  25. 2/4 :95-81.
Aghdam,K.M., Mirzaee,I., Pourmahmood,N., Aghababa,M.P. 2015. Design of water distribution networks via a novel fractional succedaneum shuffled frog leaping method. Journal of mechanics. 31.4: 369-380.
Alperovits,E and Shamir,U. 1977. Design of optimal water distribution systems. Water recourses research. 13.6: 885–900.
Cunha,M and Sousa,J. 1999. Water distribution network design optimization: simulated annealing approach. Journal of water recourses planning and management. 125.4:215–221.
Dandy,G.C., Simpson,A.R., Murphy,L.J. 1996. An improved genetic algorithm for pipe network optimization. Water recourses research. 32.2:449–458.
Dib,N., Sharaqa,A and Formato,R.A. 2013. Variable Z0 applied to biogeography based optimized multi-Stub matching network and to a central force optimized meander monopole. Antennas and propagation society international symposium. 2129 – 2130.
Eusuff,M.M., Lansey,K.E. 2003. Optimization of water distribution network design using the shuffled frog leaping algorithm. Journal of water recourses planning and management. 129.3:210–225.
Formato,R.A. 2007. Central force optimization: a new metaheuristic with applications in applied electromagnetic. Progress in electromagnetics research. 77.1:425-491.
Formato,R.A.2010a. Improved CFO algorithm for antenna optimization. Progress in electromagnetics research. 19:405-425.
Formato,R.A. 2010b. Central force optimization applied to the suite of antenna benchmarks. Computing research repository. abs/1003.0221.
Formato,R.A. 2012. Improving bandwidth of yagi-uda arrays. Wireless engineering and technology. 3.1:18-24.
Fujiwara,O., Jenchaimahakoon,B and Edirisinghe,N.C.P. 1987. A modified linear programming gradient method for optimal design of looped water distribution networks. Water recourses research. 23.6:977–982.
Geem,Z.W. 2015. Multiobjective optimization of water distribution networks using fuzzy theory and harmony search. Water. 7:3613-3625.
Gil,C., Baños,R., Ortega,J., Márquez,A.L., Fernández,A., Montoya,M.G. 2011. Ant cColony optimization for water distribution network design: a comparative study. Advances in computational intelligence. 300-307.
Goulter,I.C., Lussier,B.M., Morgan,D.R. 1986. Implications of head loss path choice in the optimization of water distribution networks. Water recourses research. 22.5: 819–822.
Haghighi,A., Samani,H.M.V., Samani,Z.M.V. 2011. Genetic algorithem method for optimization of water distribution networks. Water recourses management. 25.7: 1791–1808.
Jacoby,S.L.S. 1968. Design of optimal hydraulic networks. Journal of hydraulics division. 94.3: 641–661.
Kadu,M.S., Rajesh,G and Bhave,P.B. 2008. Optimal design of water networks using a modified genetic algorithm with reduction in search space. Journal of water recourses planning and management. 134.2:147–160.
Keedwell,E and Khu,.T. 2006. Novel cellular automata approach to optimal water distribution network design. Journal of computing civil engineering. 20.1:49–56.
Kessler,A and Shamir,U. 1989. Analysis of linear programming gradient method for optimal design of water supply networks. Water recourses research. 25.7:1469–1480.
Maier,H.R., Simpson,A.R., Zecchin,A.C., Foong,W.K., Phang,K.Y., Seah,H.Y and Tan,C.L. 2003. Ant colony optimization for design of water distribution systems. Journal of water recourses planning and management.129.3:200–209.
Montesinos,P., Guzman,A.G and Ayuso,J.L. 1999. Water distribution network optimization using a modified genetic algorithm. Water recourses research. 35.11:3467–3473.
Neelakantan,T.R and Suribabu,C.R. 2005. Optimal design of water distribution networks by a modified genetic algorithm. Journal of civil and environmental engineering. 1.1:20–34.
Qi,X., Li,K and Potter,W.D. 2016. Estimation of distribution algorithm enhanced particle swarm optimization for water distribution network optimization. Frontiers of environmental science & engineering. 10.2: 341–351.
Qubati,G.M., Formato,R.A and Dib,N. 2010. Antenna benchmark performance and array synthesis using Central force optimisation. Microwaves, antennas and propagation. 4.5:583–592.
Savic,D.A and Walters,G.A. 1997. Genetic algorithms for least cost design of water distribution networks. Journal of water recourses planning and management. 123.2:67–77.
Suribabu,C.R and Neelakantan,T.R. 2006. Design of water distribution networks using particle swarm optimization. Journal of urban water. 3.2:111–120.
Vairavamoorthy,K and Ali,M. 2005. Pipe index vector: a method to improve genetic-algorithm-based pipe optimization. Journal of Hydraulic Engineering. 131.12:1117–1125.
Varma,K.V., Narasimhan,S., Bhallamudi,S.M. 1997. Optimal design of water distribution systems using an NLP method. Journal of environmental engineering. 123.4:381–388.
Zecchin,A.C., Maier,H.C., Simpson,A.R., Leonard,M and Nixon,J.B. 2007. Ant colony optimization applied to water distribution system design: comparative study of five algorithms. Journal of water recourses planning and management. 133.1:87–92.