بهینه سازی مقطع سدهای انحرافی با استفاده از الگوریتم بهینه سازی ازدحام ذرات

مقدمه و هدف پژوهش: طراحی هیدرولیکی سدهای انحرافی به طور سنتی بسیار پیچیده و زمان‌بر است و لازم است طراح چندین بار مفروضات استفاده شده را تغییر دهد تا به طراحی پایدار با حجم بتن‌ریزی مناسب دست یابد. در دنیای پیشرفته و پررقابت امروزی، به دلیل کمبود مواد اولیه و نیاز به راندمان بهتر، مهندسان طراح مجبور به طراحی بهینه و اقتصادی‌تر هستند. بنابراین لازم است هزینه بتن در طراحی این سدها کاهش یابد و در عین حال پایداری سد نیز تضمین شود. در این تحقیق، کاربرد یک الگوریتم فرا ابتکاری به منظور کمینه‌سازی تابع وزن سد انحرافی و در نتیجه هزینه‌ی بتن‌ریزی سد همزمان با تآمین تابع‌های مربوط به پایداری سد بررسی شده است.مواد و روش ها: الگوریتم بکار گرفته شده در این پژوهش الگوریتم بهینه‌سازی ازدحام ذرات (pso) می‌باشد. با توجه به ماهیت این الگوریتم و مسئله‌ی مورد پژوهش، ایجاد تغییرات در مراحل اجرایی الگوریتم ضروری است. لذا با ایجاد تغییراتی در الگوریتمpso، این الگوریتم برای حل مسئله‌ی بهینه‌سازی وزن سد با درنظر گرفتن محدودیت‌های این مسئله، توسعه داده شد. این تغییرات شامل کنترل سرعت ذرات جستجوگر و نرمال‌سازی موقعیت ذرات در فضای امکان‌پذیر مسئله می‌باشد. سد انحرافی مورد مطالعه در این پژوهش سد نازلیان واقع در استان کرمانشاه است. متغیرهای تصمیم در مسئله‌ی بهینه‌سازی شامل ارتفاع دیوار آب بند بالادست و پایین‌دست، طول و ضخامت کف بند بتنی در بالادست و ضخامت حوضچه آرامش می‌باشد. به منظور بهینه‌سازی این ابعاد، با انجام تحلیل حساسیت، پارامترهای با بیشترین تاثیرگذاری بر روی عملکرد الگوریتم مشخص شدند.نتایج و بحث: در این پژوهش براساس نتایج حساسیت‌سنجی تعداد ذرات یا اندازه‌ی جمعیت الگوریتم pso، تعداد 20 ذره برای اندازه‌ی جمعیت ذرات انتخاب شد. با توجه به نمودارهمگرایی الگوریتم pso در اجراهای مختلف، برای اطمینان از یافتن پاسخ بهینه سراسری و اجتناب از محاسبات و ارزیابی‌های اضافی، تعداد تکرار الگوریتم برابر با 1000 به دست آمد. با توجه به بهترین اجرای الگوریتم pso، وزن سد مورد مطالعه در پاسخ بهینه‌ی این الگوریتم برابر با 52.80 تن در واحد عرض سد به دست آمد. بهترین پاسخ به مسئله طراحی بهینه سد دارای ابعاد 7.6 متر برای طول کف‌بند بالادست، 0.6 متر برای ضخامت کف‌بند بالادست، 0.6 متر برای ضخامت حوضچه آرامش، 1 متر برای ارتفاع آب بند بالادست و 1.1 متر برای ارتفاع آب بند پایین‌دست بود.نتیجه‌گیری: به طور کلی نتیجه‌ی پژوهش حاضر حاکی از عملکرد و سرعت مطلوب الگوریتم pso در یافتن پاسخ بهینه‌ی مسئله‌ی طراحی سد انحرافی با کمترین وزن سد همراه با رعایت شاخص‌های پایداری می‌باشد. استفاده از این الگوریتم به منظور یافتن پارامترهای بهینه برای طراحی سدهای انحرافی می‌تواند اطلاعات مفیدی را در اختیار مدیران اجرایی قرار دهد تا بهترین و بهینه‌ترین طراحی را با حداقل هزینه و زمان بسیار کم با رعایت فاکتورهای ایمنی پایداری سدهای انحرافی ارائه دهند. برنامه تدوین شده در این تحقیق شرایط لازم و کافی را برای طراحی بهینه مقطع سدهای انحرافی فراهم می کند و از نظر اعتبار عمومی و عملی قابل اعتماد است اما دارای محدودیت‌هایی است. از جمله محدودیت‌های این روش این است که مقطع به‌دست‌آمده بر اساس کد توسعه‌یافته در این مطالعه باید بعداً برای معیارهای تنش مختلف (با استفاده از روش اجزای محدود) و برای شرایط خاص که در هر پروژه متفاوت است (زلزله، سیل، رسوب‌گذاری و غیره) مورد آزمایش قرار گیرد.

optimizing the cross-section of diversion dams using particle swarm optimization algorithm

introduction: the hydraulic design of diversion dams is traditionally very complicated and time-consuming and it is necessary for the designer to change the used assumptions several times in order to achieve a stable design with a suitable concreting volume. in today's advanced and competitive world, due to the lack of raw materials and the need for better efficiency, design engineers are forced to design more economically and optimally. therefore, it is necessary to reduce the cost of concrete in the design of these dams and at the same time ensure the stability of the dam. in this research, the application of a meta-heuristic algorithm has been investigated in order to minimize the weight function of the diversion dam and, as a result, the cost of concreting the dam at the same time as providing the functions related to the dam's stability.methods: the algorithm used in this research is the particle swarm optimization (pso) algorithm. according to the nature of this algorithm and the research problem, it is necessary to make changes in the execution steps of the algorithm. therefore, by making changes in the pso algorithm, this algorithm was developed to solve the dam weight optimization problem by considering the limitations of this problem. these changes include controlling the speed of searcher particles and normalizing the position of particles in the feasible space of the problem. the diversion dam studied in this research is the nazelian dam located in kermanshah province. the decision variables in the optimization problem include the height of the upstream and downstream dam cutoff walls, the length and thickness of the concrete apron at upstream and the thickness of the detention pond. in order to optimize these dimensions, by performing sensitivity analysis, the parameters with the greatest impact on the performance of the algorithm were identified.results and discussion: in this research, based on the results of the sensitivity measurement of the number of particles or the population size of the pso algorithm, the number of 20 particles was chosen for the size of the population of particles. according to the convergence graph of the pso algorithm in different executions, to ensure finding the optimal global response and avoid additional calculations and evaluations, the number of iterations of the algorithm was equal to 1000. according to the best implementation of the pso algorithm, the weight of the studied dam in the optimal response of this algorithm was equal to 52.80 tons per unit of dam width. the best answer to the problem of optimal design of the dam has dimensions of 7.6 meters for the length of the upstream apron, 0.6 meters for the thickness of the upstream apron, 0.6 meters for the thickness of the detention pond, 1 meter for the height of the upstream cutoff and 1.1 meters for the height of the downstream cutoff.conclusion: in general, the result of the present research indicates the optimal performance and speed of the pso algorithm in finding the optimal solution to the problem of designing a diversion dam with the least weight of the dam along with the observance of stability indicators. using this algorithm in order to find the optimal parameters for the design of diversion dams can provide useful information to the executives to provide the best and most optimal design with minimum cost and very little time while observing the safety factors of the stability of diversion dams. the program developed in this research provides the necessary and sufficient conditions for the optimal design of the cross-section of diversion dams and is reliable in terms of general and practical validity, but it has limitations. among the limitations of this method is that the cross-section obtained based on the code developed in this study must be adjusted later for different stress criteria (using the finite element method) and be tested for specific conditions that are different in each project (earthquake, flood, sedimentation, etc.).