مقایسه عملکرد الگوریتم‌های تکاملی WCA و IWO در بهینه‌سازی چندهدفه سرریزهای کنگره‌ای ذورنقه‌ای

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 گروه مهندسی عمران، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه شهید مدنی آذربایجان، تبریز، ایران

2 گروه مهندسی عمران، دانشکاه شهید مدنی آذربایجان، تبریز، ایران.

چکیده

با توجه به اهمیت طراحی سرریز سدها جهت ارائه ابعاد بهینه با حفظ عملکرد مطلوب آنها، رویکردی بر مبنای بهینه‌یابی دو هدفه سرریزهای کنگره‌ای ذوزنقه‌ای با بهره‌گیری از الگوریتم‌های علف‌های هرز (IWO) و چرخه آب (WCA) پیشنهاد گردید. در طراحی سرریزهای کنگره‌ای حالت بهینه دست‌یابی به طرحی با بیشینه دبی عبوری از روی سرریز (راندمان) برای مواقع سیلابی و کم‌ترین حجم سرریز که بیانگر کمینه مقدار بتن ریزی و هزینه ساخت است، می‌باشد. در این راستا، کارآیی دو الگوریتم بر روی سرریز کنگره‌ای سد UTE مورد بررسی قرار گرفته و سه سناریو مختلف برای ارزیابی تاثیر پارامترهای مختلف بر نتایج بهینه‌سازی مورد توجه قرار گرفت. مقدار پارامتر GD برای الگوریتم IWO نسبت به الگوریتم WCA کمتر است، از سویی دیگر الگوریتم WCA دارای بیش‌ترین مقدار انحراف از معیار و میانگین تکرارها بر اساس معیار GD می‌باشد؛ که این امر نشان می‌دهد الگوریتم IWO از دقت بالایی برخوردار است. مطابق معیار S نیز، مقدار میانگین در IWO، 102/0 و در WCA برابر 367/0 می‌باشد، لذا در مجموع الگوریتم IWO دقت و سرعت همگرایی بهتری نسبت به الگوریتم WCA در حل مسئله بهینه‌‌سازی چندهدفه سرریزهای کنگره-ای دارد. استفاده از رویکرد بهینه‌سازی چند هدفه می‌تواند مجموعه‌ای از پاسخ‌ها را در اختیار طراحان قرار دهد که بتوانند در هر شرایطی بسته به میزان هزینه و راندمان مورد نظر طرح مناسبی برای اجرا انتخاب نمایند. در ارزیابی سناریوهای پیشنهادی، سناریو سه با بررسی مقدار بهینه برای پارامترهای بیشتری، جواب های بهینه بهتری نسبت به سناریو دو ارائه می‌دهد؛ در نتیجه پارامتر‌های ضریب گذردهی جریان و ضخامت دیوار تأثیر بسزایی در بهینه‌سازی سرریز کنگره‌ای دارند. در بررسی تمامی سناریوها نیز معلوم گردید با کاهش مقدار پارامترهای طول کفبند، طول هر سیکل از سرریز و طول کل تاج هزینه ساخت سرریز کاهش می‌یابد، این در حالی است که افزایش زاویه دیواره α نتایج مشابهی را حاصل می‌کن.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Comparing the Performance of WCA and IWO Evolutionary Algorithms in Multi-Objective Optimization of Trapezoidal Labyrinth Spillways

نویسندگان [English]

  • nazila kardan 1
  • Tohid Habibi 2
1 Department of Civil Engineering, Azarbaijan Shahid Madani University, Tabriz, Iran
2 Department of Civil Eng., Azarbaijan Shahid Madani University, Tabriz, Iran.
چکیده [English]

Considering the importance of designing the dam spillways in order to provide optimal dimensions while maintaining their optimal performance, an approach using weed algorithms (IWO) and water cycle (WCA) suggested to multi objective optimization of the trapezoidal labyrinth spillways. In designing the labyrinth spillways, the optimal model is to achieve a model with the highest possible flow passing through the spillway (efficiency) during flood times and the smallest possible volume, which represents the least amount of concreting and construction costs. In this regard, the effectiveness of two algorithms on the labyrinth spillway of the UTE dam investigated, and three different scenarios considered to evaluate the effect of different parameters on the results of optimization. The GD’s value for the IWO algorithm is lower than the WCA ones; on the other hand, the WCA algorithm has the most value of standard deviation and average repetition based on the GD criteria. This shows that IWO algorithm has high accuracy. Based on the S criteria, the average value in IWO equals 0.102 and in WCA is 0.367, so, regarding to the criteria’s values, IWA algorithm has more accuracy and convergence ratio comparing to the WCA algorithm in multi objective optimization of the labyrinth spillways. Applying the multi objective optimization method can provide a set of optimized answers for designers So that they would be able to select a suitable design in every condition and based on the defined values of costs and efficiency. In evaluating the proposed scenarios, the third one provides better optimal solutions than the second scenario by examining the optimal value for more variables. As a result, the variables of the discharge coefficient and the wall thickness have a significant effect on the optimization of the labyrinth spillways.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Labyrinth spillways
  • Pareto curve
  • UTE dam&rsquo
  • s spillway
  • Weed Algorithms IWO
  • Water Cycle Algorithm WCA
اژدری مقدم، م.، امانیان، ن.ا. و جعفری ندوشن، ا. 1388. بهینه یابی هندسه سرریز کنگره ای مثلثی با استفاده از مدل فازی-عصبی و الگوریتم ژنتیک (مطالعه موردی سد Hyrum در ایالت یوتای آمریکا). نشریه مدلسازی در مهندسی. 7(19): 57-68.
اژدری مقدم، م. و جعفری ندوشن، ا. 1392. بهینه یابی هندسه سرریز کنگره ای ذوزنقه ای با استفاده از مدل فازی-عصبی و الگوریتم ژنتیک (مطالعه موردی سد Hyrum در ایالت یوتای آمریکا). نشریه مهندسی عمران فردوسی. 24(2): 129-138.
اسکویی، م. 1393. بررسی تأثیر شیب وجه بالا­دست بر عملکرد هیدرولیکی سرریزهای کنگره­ای مستطیلی، پایان­نامه کارشناسی ارشد سازه­های آبی، دانشکده مهندسی زراعی، دانشکده علوم کشاورزی و منابع طبیعی ساری. مازندران، ایران.
حیدرپور، م.، موسوی، س.ف. و روشنی زرمهری، ع. 1385. بررسی سرریزهای چندوجهی با پلان مستطیلی و U شکل. نشریه علوم آب و خاک. 10(3): 1-12.
رضایی، م.، عمادی، ع. و آقاجانی مازندرانی، ق. 1394. مطالعه آزمایشگاهی سرریز کنگره ای مستطیلی. نشریه آب و خاک. 29(6). 1446-1438.
شکویی بناب، ب. 1391. طراحی بهینه سرریزهای کنگره ای با استفاده از الگوریتم های تکاملی، پایان نامه کارشناسی ارشد، سازه های هیدرولیکی، دانشکده مهندسی عمران، دانشگاه تبریز، تبریز، ایران.
ضمیری، ا.، فرزین، س. و کرمی، ح. 1396. مطالعه عددی عوامل موثر بر عملکرد هیدرولیکی جریان عبوری از سرریز کنگره ای. نشریه آبیاری و زهکشی ایران. 11(5): 865-875.
فردوسی، ا.، موسوی، س.ف.، فرزین، س.، کرمی، ح.، احترام، م. و ولیخن انارکی، م. 1397. طراحی بهینه و عملکرد هیدرولیکی سرریز کنگره ای با استفاده از الگوریتم جستجوی فاخته، نشریه آبیاری و زهکشی ایران. 12(5): 1086-1097.
کشاورز، ث. 1391. مقایسه مدل دو هدفه و سه هدفه بهینه­سازی پرتفوی با استفاده از الگوریتم ژنتیک رتبه­بندی نامغلوب NSGA-II، دانشگاه الزهرا، تهران، ایران.
Bozorg Haddad, O., Mirmomeni, M. and Mariño, M.A. 2010. Optimal design of stepped spillways using the HBMO algorithm. Civil Engineering and Environmental Systems. 81-94.
Brinker, D. 2005. Boyd lake spillway – An innovative approach to using a labyrinth weir. Proc. of the 2005 Dam Safety Conference, ASDSO.
Crookston, B.M. and Tullis, B. 2010. Hydraulic performance of labyrinth weirs. Proc. of the Int. Junior Researcher and Engineer Workshop on Hydraulic Structures (IJREWHS ’10). Edinburgh, U.K.
Crookston, B.M. 2010. Labyrinth weirs. Ph.D. Thesis, Utah state university, Logan, Utah.
Crookston, B.M. and Tullis, B.P. 2012. Labyrinth weirs: Nappe interference and local submergence. Journal of Irrigation and Drainage Engineering. 138(8): 757-765.
Crookston, B.M and Tullis, B.P. 2013. Hydraulic design and analysis of labyrinth weirs. I: Discharge relationships. Journal of Irrigation and Drainage Engineering. 139(5): 363-370.
Darvas, L. 1971. Discussion of performance and design of labyrinth weirs, by Hay and Taylor. Journal of Hydraulic Engineering, ASCE. 97(80): 1246-1251.
Eskandar, H., Sadollah, A., Bahreininejad, A. and Hamdi, M. 2012. Water Cycle Algorithm–A Novel metaheuristic Optimization Method for Solving Constrained Engineering Optimization Problems. Journal of Computers and Structures. 110: 151-166.
Ferdowsi, A., Farzin, S., Mousavi, S.F. and Karami, H. 2019. Hybrid Bat & Particle Swarm Algorithm for optimization of labyrinth spillway based on half & quarter round crest shapes. Flow Measurement and Instrumentation. 66: 209-217.
Ferdowsi, A., Valikhan-Anaraki, M., Mousavi, S.F., Farzin, S. and Mirjalali, S. 2021. Developing a model for multi-objective optimization of open channels and labyrinth weirs: Theory and application in Isfahan Irrigation Networks. Flow Measurement and Instrumentation. 80: 108-124.
Gentilini, B. 1940. Stramazzi con cresta a planta obliqua e a zig-zag. Memorie e Studi dell Instituto di Idraulica e Construzioni Idrauliche del Regil Politecnico di Milano, No. 48 (in Italian).
Hay, N. and Taylor, G. 1970. Performance and design of labyrinth weirs. Journal of Hydraulic Engineering, ASCE. 96(11): 2337-2357.
Hosseini, K., Nodoushan, E.J., Barati, R. and Shahheydari, H. 2016. Optimal design of labyrinth spillways using meta-heuristic algorithms. KSCE Journal of Civil Engineering. 20(1): 468- 477.
Jafari-Asl, J., Ben Seghier, M. A., Ohadi, S. and Gelder, P.V. 2021. Efficient method using Whale Optimization Algorithm for reliability-based design optimization of labyrinth spillway. Applied Soft Computing. 101: 117-136.
Kardan, N., Hassanzadeh, H. and Hakimzadeh, H. 2017. Shape optimization of trapezoidal labyrinth weirs using genetic algorithms. Arabian Journal of Science and Engineering. 42: 1219-1229.
Khode, B.V., Tembhurkar, A.R., Porey, P.D. and Ingle, R.N. 2012. Experimental studies on ow over labyrinth spillway. Journal of Irrigation and Drainage Engineering. 138(6): 548-552.
Lux, F. 1989. Design and application of labyrinth weirs. Design of Hydraulic Structures 89, M. Alberson, and R. Kia, eds., Balkema/Rotterdam/Brookfield.
Majedi Asl, M., Fuladpanah, M., Arun, V. and Tirpathi, R.P. (2022). Using data mining methods to improve discharge coefficient prediction in Piano Key and Labyrinth weirs. Water Supply, 22(2): 1964-1982.
Mehrabian, A.R. and Lucas, C. 2007. A Novel Numerical Optimization Algorithm Inspired from Weed Colonization. Journal of Ecological informatics. 1(4): 355-366.
Murphy, D.W. 1909. A reinforced-concrete spillway with concentrated crest length. Engineering News. 62(11): 278-279.
Premkumar, M., Jangir, P., Sowmya, R., Alhelou, H., Heidari, A.A. and Chen, H. 2020. MOSMA: Multi-objective slime mould algorithm based on elitist non-dominated sorting. IEEE Access. 9: 3229-3248.
Roushangar, K., Alami, M.T., Shiri, J. and Majedi Asl, M. 2018. Determining discharge coefficient of labyrinth and arced labyrinth weirs using support vector machine. Hydrology Journal. 49(3): 924-938.
Tullis, P., Amanian, N. and Waldron, D. 1995. Design of labyrinth weir spillways. Journal of Hydraulic Engineering,  ASCE, 121(3): 247-255.
Taylor, G. 1968. The performance of labyrinth weirs. Ph.D. thesis, University of Nottingham, Nottingham, England.
Waldron, D. 1994. Design of labyrinth spillways. M.S. thesis, Utah State University, Logan, Utah.
Willmore, C. 2004. Hydraulic characteristics of labyrinth weirs. M.S. report, Utah State University, Logan, Utah.