معرفی مقطع چرخزاد وارونه به منظور طراحی بهینه کانال ها با استفاده از هوش مصنوعی

شکل مقطع کانال های مصنوعی و طراحی بهینۀ آن با روش های هوشمند، می تواند تاثیری چشمگیر در کاهش هزینۀ ساخت این کانال ها داشته باشد. در پژوهش حاضر، برای نخستین بار به معرفی کانال مصنوعی با مقطع چرخزاد وارونه و طراحی بهینۀ آن با الگوریتم خفاش پرداخته شده است. مقطع پیشنهادی، در دو طرح شامل چرخزاد وارونه بدون بستر افقی و چرخزاد وارونه با بستر افقی در نظر گرفته شده است. به منظور طراحی بهینۀ مقاطع معرفی شده، دو سناریو شامل کانال با ارتفاع آزاد ثابت و کانال با ارتفاع آزاد متغیر، تعریف شده است. در هر دو سناریو از معادلۀ مانینگ به عنوان محدودیت و از معادلۀ هورتون برای در نظر گرفتن ضریب زبری معادل استفاده شد. بر اساس روش آنالیز حساسیت، مقادیر بهینۀ پارامترهای الگوریتم پیشنهادی تعیین و پس از آن، الگوریتم خفاش برای هر مقطع و سناریو به صورت تصادفی پانزده بار اجرا و مقدار ضریب تغییرات و سرعت همگرایی محاسبه شده است. به منظور بررسی دقت الگوریتم خفاش در تعیین مقدار بهینۀ مطلق،  بین جواب های این الگوریتم و نرم افزار لینگو مقایسه صورت گرفته است. نتایج طراحی بهینه مقاطع پیشنهادی، با کانال های ذوزنقه ای، سهمی با بستر افقی، بیضوی و بیضوی عمومی نیز مقایسه شد. نتایج اجراهای تصادفی الگوریتم خفاشنشان می دهد ضریب تغییرات برای مقاطع و سناریو های معرفی شده حدود 0.0002 تا 0.0013 است. با توجه به نمودار های همگرایی، الگوریتم مذکور برای همۀ مقاطع و سناریو ها در 1000 تکرار همگرا شده است. مقایسۀ نتایج الگوریتم خفاش و نرم افزار لینگو نیز بیان کنندۀ دقت بالای الگوریتم مذکور در تعیین بهینۀ مطلق مسئله است. استفاده از مقاطع پیشنهادی در مقایسه با دیگر مقاطع متداول، موجب می شود هزینۀ ساخت کانال مصنوعی تا 34.7 درصد کاهش یابد. در میان مقاطع و سناریو های بررسی شده، استفاده از مقطع چرخزاد وارونه تحت سناریوی دوم تا 17.15 درصد اقتصادی تر است.

Introduction Inverse Cycloid Cross Section for Optimal Design of Channels by using Artificial Intelligence

The shape of the artificial channel sections and their optimal design by artificial intelligence methods can have significant effects on lowering the costs of constructions. In this study, an artificial channel with inverse cycloid and its optimal design by bat algorithm was introduced for the first time. Two schemes of sections were proposed: inverse cycloid without horizontal bed and inverse cycloid with horizontal bed. For optimal designing of proposed section, two scenarios were defined: channel with fixed freeboard and channel with variable freeboard. In both scenarios, Manning equation was used as a constraint and Horton equation was used for considering equivalent roughness. Based on sensitivity analysis, optimal parameters of the proposed algorithm were determined. Bat algorithm has been implemented randomly for each section and for each scenario for fifteen times, and coefficient of variation and speed of convergence were estimated. To find out the accuracy of bat algorithm in the global optimum determination, a comparison between solutions of bat algorithm and lingo software was made. Eventually, results from optimal design of proposed sections were compared with trapezoidal channel, parabolic with horizontal bed channel, ellipsoid channel, and general ellipsoid channel. Results from random runs of bat algorithm indicated that coefficient of variation for defined sections and scenarios were about 0.0002 to 0.0013. Convergence curves showed that the algorithm was convergence for all sections and scenarios in 1000 repetition. Findings of bat algorithm and lingo software also demonstrated high accuracy of mentioned algorithm in determination of global optimum. Furthermore, using proposed sections, compared with other common sections, led to 34.7 percent decrease in construction costs. Among sections and scenarios investigated here, the inverse cycloid under second scenario was found more economical, up to 17.15 percent.