مقایسه و ارزیابی الگوریتم های ژنتیک و بهینه سازی ازدحام ذرات در طراحی بهینه شبکه های توزیع آب شهری

در تمدن مدرن، شبکه های توزیع آب شهری نقش قابل توجهی در حفظ استانداردهای لازم برای یک زندگی مطلوب را دارند. بهینه سازی این شبکه ها همواره یکی از مسائل بسیار پیچیده و اساسی برای طراحان در دهه های اخیر بوده است و هدف آن یافتن بهترین راه حل برای انتقال آب از مخزن به مصرف کنندگان است به نحوی که تمام نیازهای آنها با کمترین هزینه تأمین شود. در این شبکه ها مولفه های متفاوتی از قبیل لوله ها، پمپ ها و شیرهای کنترل نقش ایفا می کنند. اما در میان این مولفه ها، بهینه کردن سایز لوله ها بیشتر قابل توجه است زیرا حدود 70 درصد هزینه پروژه مربوط به لوله ها است. الگوریتم ژنتیک (ga) به عنوان یکی از مهم ترین الگوریتم های تکاملی نقش بسیار موفقی در حوزه مسائل بهینه سازی داشته است و تاکنون کمتر بصورت کاربردی برای بهینه سازی یک شبکه توزیع آب واقعی استفاده شده است. الگوریتم بهینه سازی ازدحام ذرات (pso) یکی از الگوریتم های نوین در حوزه بهینه سازی سامانه های آبی است که در ابتدا برای حل مسائل بهینه سازی با متغیرهای پیوسته معرفی شد، اما پس از مدتی برای مسائلی با متغیرهای گسسته نیز توسعه یافت. هدف اصلی در این پژوهش مقایسه و ارزیابی الگوریتم های gaو pso در طراحی بهینه شبکه توزیع آب واقعی شهر جنگل است. بدین منظور برنامه این الگوریتم ها در محیط نرم افزار matlab پیاده سازی شد و سپس با تحلیل گر هیدرولیکی شبکهepanet2.0 تلفیق گردید. برای بدست آوردن بهترین مقادیر پارامترهای این الگوریتم ها، ابتدا بررسی ها بر روی سه شبکه مرجع دوحلقه ای، هانوی و کادو از مطالعات پیشین انجام گردید و سپس نتایج با سایر محققین مقایسه شد که در این شبکه ها psoعملکرد بسیار بهتری نسبت به ga و حتی سایر الگوریتم ها داشت. پس از تعیین اندازه جمعیت اولیه متناسب با سایز شبکه برای هر دو الگوریتم ga و pso، در pso اگر مقادیر c_1 و c_2 ثابت و برابر 05/2 فرض شود با تغییر پارامترهای w و w_damp می توان راه حل بهینه را برای شبکه های توزیع آب پیدا نمود. در بکارگیری ga برای حل مسائل بهینه سازی سیستم های توزیع آب، پس از انتخاب روش چرخه رولت و عملگر آمیزش یکنواخت، بایستی پارمترهای pc، pm و mu مورد بررسی قرار گیرند. پس از اثبات کارایی این الگوریتم ها بر روی شبکه های مرجع و شناخت پارامترهای آنها، از نتایج حاصله در تحلیل شبکه شهر جنگل با توجه به افزایش وسعت شبکه و قیود طراحی استفاده گردید و راه حل های ارائه شده با طراحی شرکت مشاور مقایسه شد. ga و pso پس از طراحی و بهینه سازی هزینه شبکه را به ترتیب 16 و 21 درصد نسبت به شرکت مشاور کاهش دادند. در نهایت یک مدل هایبرید پیشنهادی به نام hgapso که بر پایه ترکیب دو الگوریتم ga و pso رفتار می کند نیز برای طراحی شبکه توزیع آب شهر جنگل استفاده شد. hgapso راه حل بهینه را با کاهش 26 درصدی در هزینه ها نسبت به شرکت مشاور ارائه نمود. بدین ترتیب می توان با استفاده از الگوریتم های تکاملی یک شبکه توزیع آب را با سرعت و دقت بسیار بالاتری در مقایسه با روش های سعی و خطای انسانی طراحی نمود.