بهینه سازی قطر لوله های شبکه آبیاری تحت فشار با استفاده از جستجوی ژنتیکی اعداد صحیح (مطالعه موردی: شبکه اسماعیل آباد لرستان)

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 گروه مهندسی آب دانشگاه رازی کرمانشاه

2 دانشگاه رازی

چکیده

سابقه و هدف: امروزه جوامع بشری هزینه‌های بسیاری را برای به حداکثر رساندن سود و به حداقل رساندن هزینه صرف می‌کنند. مسئله انتخاب قطرهای مناسب و تعیین هد پمپاژ بهینه در شبکه‌های آبیاری تحت فشار به‌گونه‌ای که بتواند با صرف حداقل هزینه‌ها، کلیه محدودیت‌های موردنظر شبکه را ارضا نماید، سالهاست که مورد توجه مهندسین است و از مباحث مهم تحقیقاتی می‌باشد. تاکنون تحقیقات بسیاری در زمینه ی بهینه‌سازی شبکه‌های آبیاری تحت فشار به منظور کاهش دادن هزینه این زیرساخت‌ها اختصاص ‌یافته است. در این تحقیقات غالباً بهینه سازی شبکه آبیاری تحت قشار با استفاده از کد های آماده و یا جعبه ابزار های متداول الگوریتم های تکاملی که با مدل های هیدرولیکی تلفیق شده‌اند انجام شده است. در این تحقیق یک کد بهینه سازی به زبان ویژوال بیسیک بر مبنای جستجوی ژنتیکی اعداد صحیح توسعه داده شده است که درآن طراحی بهینه شبکه اصلی و نیمه اصلی آبیاری تحت فشار با آرایش درختی و با در نظر گرفتن محدودیت های سرعت و فشار انجام می شود.
مواد و روش ها: در کد توسعه داده شده در این تحقیق که مبتنی بر یکی از قدرت مندترین روش های بهینه سازی یعنی جستجوی ژنتیکی می‌باشد به هر یک از قطر های موجود در بازار یک عدد صحیح اختصاص داده می شود. سپس جهت تعیین مقادیر بهینه، با انجام عملیات تقاطع، جهش و جایگزینی با رویکرد نخبه‌گرایی بر روی مجموعه کروموزوم‌ها عدد صحیح موردنظر برای هر لوله انتخاب می شود. اطلاعات خروجی از مدل شامل قطرهای بهینه و مینیمم هزینه‌ی اجرای شبکه‌ی آبیاری می باشد. صحت سنجی و واسنجی مدل با مقایسه ی نتایج آن با نتایج چندین مسئله غیر خطی مقید که دارای راه حل های تحلیلی هستند و جواب آنها بادقت مناسب در اختیار می باشد انجام شد. در انتها از مدل پیشنهادی برای طراحی بهینه شبکه اسماعیل آباد واقع در استان لرستان استفاده شده است.
یافته ها: نتایج این تحقیق نشان داد در مقایسه با طراحی دستی و شرایط موجود روش طراحی بهینه بر مبنای جستجوی ژنتیکی اعداد صحیح می توانست هزینه اجرای خطوط لوله شبکه آبیاری تحت فشار اسماعیل آباد را از 28/825935 دلار به ۳۷/۷۳۰۹۵۸ دلار کاهش دهد.
نتیجه گیری: مدل تهیه شده قابلیت حل مسائل مختلف بهینه‌سازی خطی و غیرخطی مقید را دارد و نتایج به‌دست‌آمده از مدل با نتایج حل تحلیلی کاملاً برابر است. در این تحقیق سعی گردید که مدل نوشته‌شده از لحاظ کاربردی و در مقیاس بزرگ نیز مورد بررسی قرار گیرد بدین منظور طراحی شبکه آبیاری تحت فشار اسماعیل‌آباد واقع در استان لرستان به عنوان یک نمونه‌ی واقعی توسط آن انجام شد. نتایج محاسبات نشان داده شد در صورت استفاده از مدل بهینه سازی تهیه شده در این تحقیق، هزینه اجرای خطوط لوله شبکه ۵/۱۱ درصد می توانست کاهش یابد.

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

Optimization of pressurized irrigation network pipe diameters using genetic algorithm based on integer numeric (Case study: Ismail Abad network in Lorestan)

نویسنده [English]

  • Rasul Ghobadian 1

چکیده [English]

Background and Objectives: Nowadays, human societies spend many costs to maximize profits and minimize their costs.The problem of selecting the best arrangement for the pipe diameters and the optimal pumping head of pressurized irrigating network so that minimize total cost to be produced and all restriction to be satisfy has received considerable attention by the engineers many years ago and is an important issue of hydraulic research. To date, many researches in the field of optimization of pressurized irrigation system to reduce the cost of this infrastructure are done. In this research often optimization of pressurized irrigation system have been conducted by using available commercial codes or toolbox's of conventional evolutionary algorithms that have been combined with a hydraulic models. In the present study, by Visual Basic programing language an optimization code based on genetic algorithm of integer numerical has been developed in which the optimal design of pressurized irrigation systems with branching layout is done by taking into account the velocity and pressure limits.
Materials and methods: In developed code that is based on a powerful optimization method e.g. genetic algorithm an integer numeric is assigned to each available diameter. Then, to determine the optimum diameter of pipes network, by applying the cross-over, mutation and reinsertion with elitism approach on set of chromosomes an integer numeric for each pipe is selected. The output of the model contains the optimal diameter and minimum cost of the irrigation network. Calibration and verification of the model was accomplished individually by comparing the model result with analytical solutions of several nonlinear problems included different constrains. At the end we have used of the proposed model for optimal design of Ismail Abad irrigation network in Lorestan province.
Results: The results showed that compared to existing conditions, optimized design by the present model reduces cost of implementation of pipelines of Ismail Abad irrigation network from 825935.28$ to 730958.37$.
Conclusion: The present model has the ability to solve various optimizations linear and nonlinear problems included different constraints and the results of the model are completely equal to analytical solution results. In this research we try to investigate the application of the model on a large scale example so that the design of pressurized irrigation system of Ismail Abad in Lorestan province as a real example was done. The results were shown that the use of developed optimization model could reduce 11.5% the cost of implementation of Ismail Abad pipelines

کلیدواژه‌ها [English]

  • Optimization
  • Genetic Algorithm
  • Integer Numeric
  • Sprinkler Irrigation
  • Ismail Abad Lorestan