مقایسه الگوریتم‌های فرا ابتکاری نوین در بهره‌برداری از سدهای چندمنظوره

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 فارغ التحصیل کارشناسی ارشد مهندسی منابع آب، گروه علوم و مهندسی آب، دانشکده کشاورزی، دانشگاه بیرجند، بیرجند، ایران.

2 دانشیار گروه علوم و مهندسی آب، دانشکده کشاورزی، دانشگاه بیرجند، بیرجند، ایران.

3 استاد گروه علوم و مهندسی آب، دانشکده کشاورزی، دانشگاه بیرجند، بیرجند، ایران.

چکیده
بهره‌برداری بهینه از مخازن چندمنظوره یکی از مسائل پیچیده و غیرخطی، در بهینه‌سازی چندهدفه است. محدودیت منابع آب و توزیع غیریکنواخت آن، لزوم مدیریت و بهره‌برداری بهینه از منابع را ممکن ساخته است. الگوریتم‌های فرا ابتکاری ابزار بهینه‌سازی مناسبی هستند لذا در این تحقیق الگوریتم‌های چرخه آب، گرگ خاکستری و ترکیب این دو در حالت‌های تک‌هدفه و چندهدفه به‌منظور بهینه‌سازی مدل بهره‌برداری سدهای لتیان و دز مورد بررسی و مقایسه قرار گرفتند. در حالت تک‌هدفه الگوریتم‌های چرخه آب، گرگ خاکستری و ترکیبی، پس از بررسی کارآمدی آن‌ها توسط 8 تابع محک استاندارد، در حل مسئله بهره‌برداری بهینه از سیستم مخزن لتیان استفاده شد. همچنین عملکرد آن‌ها با استفاده از شاخص‌های عملکرد مخزن بررسی و در حالت بهره‌برداری چندهدفه ابتدا الگوریتم‌های چندهدفه چرخه آب، گرگ خاکستری و ترکیبی توسط توابع ZDT مورد سنجش قرار گرفت، و پس از صحت‌سنجی مدل بهره‌برداری چندهدفه سد دز بر اساس الگوریتم‌های فوق‌الذکر توسعه داده شد و جبهه پارتو حاصل از هر کدام بررسی شد. نتایج نشان داد که الگوریتم ترکیبی، تقریباً در تمامی توابع از هر دو الگوریتم چرخه آب و گرگ خاکستری جواب بهتری را ارائه می‌دهد. با توجه به نتایج به‌دست آمده از مدل بهره‌برداری سد لتیان الگوریتم ترکیبی با مقدار تابع هدف 011/0، تأمین 57/98 درصد از نیازهای پایین‌دست، میزان کل کمبودها 43/1 درصد و با شاخص پایداری 97% و ارائه منحنی همگرایی و رهاسازی مناسب‌تر نسبت به دو الگوریتم چرخه آب و گرگ خاکستری عملکرد بهتری داشته است.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله English

A comparison of modern metaheuristic algorithms in the operation of multi-purpose dams

نویسندگان English

Hossain Azargoon 1
Seyed reza Hashemi 2
Abbas KhasheiSiuki 3
1 MSc Graduated of Water Resources Engineering, University of Birjand, Birjand, Iran.
2 Associate Professor, Department of Sciences and Water Engineering, Faculty of Agriculture, University of Birjand, Birjand, Iran.
3 Professor, Department of Sciences and Water Engineering, Faculty of Agriculture, University of Birjand, Birjand, Iran.
چکیده English

The optimal operation of a multi-purpose reservoir is one of the complex and non-linear problems in multi-objective optimization. The limit of water resources and its non-uniform distribution have made the optimal management and utilization of water resources metaheuristic algorithms are suitable optimization methods, so in this study, water cycle algorithms, The gray wolf algorithms, and a combination of these two algorithms were studied in single-objective and multi-objective and compared to find the optimize operation model of Latian and Dez dams. After examining the effectiveness of the single-objective mode of water cycle algorithms, gray wolf, and combination mode using 8 standard benchmark functions and these algorithms were measured by ZDT functions, they were used to solve the problem of optimal operation in the Latian reservoir system. Also, the performance of the algorithms was evaluated using the performance indicators of the reservoir, and these algorithms were assessed using ZDT functions. The results showed that the hybrid algorithm provides a better answer in almost all functions of both the water cycle algorithm and the gray wolf. According to the results obtained from the operation model of Latian Dam, the hybrid algorithm with the value of the objective function of 0.011, provides 98.57% of the downstream needs, the total amount of deficiencies is 1.43%, and with the stability index of 97% and presents the convergence and release curve. It performed better than the two water cycle algorithms and the gray wolf.

کلیدواژه‌ها English

Optimization
The objective function
Pareto Front
Release
ابراهیم پور، ع.، کرامتی، ح. (1395). استخراج و مقایسه قوانین مختلف برای استفاده بهینه از مخزن با هدف برق رسانی (مطالعه
موردی: مخزن کارون 4). ششمین همایش ملی مدیریت منابع آب ایران، دانشگاه کردستان، کردستان.
اینانلو، ب. (1390). ترکیب روش تصمیم گیری چند معیاره TOPSIS و الگوریتم بهینه‌سازی PSO در حل مسائل چندهدفه مدیریت منابع آب. پایان نامه کارشناسی ارشد، دانشگاه تهران، ایران.
بزرگ حداد، اُ. (1393). بهینه‌سازی سیستم‌های منابع آب. انتشارات دانشگاه تهران. ص 9.
بنی‌اسدی مقدم، ا.، ابراهیمی، ح.، خاشعی سیوکی، ع.، اکبرپور، ا. (1401). به کارگیری الگوریتم‌های فرا ابتکاری نوین برای بهره‌برداری تک هدفه از مخزن سد امیرکبیر،  نشریه مهندسی عمران امیرکبیر، 54(6): 2188-2173.
جعفرزاده، ع.، خاشعی سیوکی، ع. (1394). بهینه‌سازی مدل بهره‌برداری از مخزن با روش جیره‌بندی با استفاده از الگوریتم ازدحام ذرات (مطالعه موردی: سد لتیان). سیزدهمین همایش ملی آبیاری و کاهش تبخیر، کرمان. ایران.
دنیایی، ع.، صراف، ا.،  احمدی، ح. (1399). ارائه الگوریتم تکاملی هیبریدی نوین در بهینه سازی بهره برداری از مخزن بر اساس تکنیک نوین ارزیابی مبتنی بر فاصله ترکیبی (CODAS) ، مجله پژوهش‌های حفاظت آب و خاک، 27(5): 23-1.
رضایی استخرویه، ع.، جلال‌کمالی، ن.، مومنی رق آبادی، م. (1401). بهینه‌سازی بهره‌برداری از سیستم چند مخزنه با استفاده از الگوریتم جست‌وجوی موجودات همزیست مبتنی بر برازش- فاصله- توازن. مهندسی آبیاری و آب ایران، 13(1): 244-219.
شهرکی، ج.، سردار شهرکی، ع.، نوری، س. (1398). کاربرد الگوریتم فرا ابتکاری کرم شب‌تاب (FA) در تخصیص بهینه‌ی منابع آب چاه نیمه‌ی سیستان تحت سناریوی توسعه‌ی کشاورزی. فصلنامه علمی مهندسی منابع آب، 12(43): 75-64.
قادری، ک.، رحیمی، ع.، پورشیخالی، ز.، زلقی، ع. (1392). بهره برداری بهینه از مخزن با استفاده از الگوریتم TV-MOPSO (مطالعه موردی: سد درودزن). دوازدهمین همایش ملی آبیاری و کاهش تبخیر. دانشگاه شهید باهنر کرمان. کرمان، ایران.
میثاقی، ف.، امانی، ع.ح.، صدیق، ع. (1399). مقایسه کارآیی الگوریتم های فرا ابتکاری گرگ خاکستری و رقابت استعماری در حوزه تخصیص بهینه آب در شبکه آبیاری و زهکشی (مطالعه موردی: شبکه صوفی چای)، علوم محیطی، 18(2): 218-203.
Afshar A., Sharifi, F. and Jalali, M.R., 2009. Non-dominated archiving multi-colony ant algorithm for multi-objective optimization: Application to multi-purpose reservoir operation. Engineering Optimization, 41(4): 313-325.
Afshar, M.H. and Motaei, I., 2011. Constrained big bang-big crunch algorithm for optimal solution of large scale reservoir operation problem. International Journal of Optimization in Civil Engineering, 2: 357-375.
Baniasadi Moghadam, A., Ebrahimi, H., Khasheie, A., & Akbarpour, A. 2022. Using Novel Meta-Heuristic Algorithms for Single-Objective Operation of Reservoir Amirkabir. Amirkabir Journal of Civil Engineering, 54(6), 2173-2188. [in Persian].
Bashiri-Atrabi, H., Qaderi, K., Rheinheimer, D.E. and Sharifi, E., 2015. Application of harmony search algorithm to reservoir operation optimization. Water Resources Management, 29: 5729-5748.
Bogorg Haddad, A .2013. Optimization of water resources systems. Tehran University Publications. Page 9 [in Persian].
Coello, C.A.C., Pulido, G.T. and Lechuga, M.S., 2004. Handling multiple objectives with particle swarm optimization. IEEE Transactions on evolutionary computation, 8(3): 256-279.
Donyaii, A., Sarraf, A., & Ahmadi, H. 2020. Presenting a new hybrid evolutionary algorithm in optimizing reservoir operation based on new combinative distance-based assessment (CODAS). Journal of Water and Soil Conservation, 27(5), 1-23. [in Persian].
Ebrahimpour, A., Karamati, H. 2016. Extraction and comparison of various rules for optimal use of the reservoir with the purpose of electrification (case study: Karun 4 reservoir). The 6th National Conference of Iranian Water Resources Management, University of Kordestan, Kordestan [In Persian].
Fallah Mehdipour, Elahe, & Bozorg Haddad, Omid. 2014. Application Of The Nash Conflict Resolution Model In Operation Of Reservoir Systems. Water Engineering, 7(22): 11-22.
Haupt, R.L. and Haupt, S.E., 2004. Practical genetic algorithms. John Wiley & Sons.
Huang, V.L., Zhao, S.Z., Mallipeddi, R. Suganthan, P.N., 2009, May. Multi-objective optimization using self-adaptive differential evolution algorithm. In 2009 IEEE congress on evolutionary computation: 190-194.
Inanlu, B. 2011. Combination of TOPSIS multi-criteria decision-making method and PSO optimization algorithm in solving multi-objective problems of water resources management. Master's thesis, University of Tehran, Iran [in Persian].
Jafarzadeh, A, Khashai-Siuki, A. 2015. Optimizing the reservoir exploitation model with rationing procedure using particle swarm algorithm (case study: Lethyan Dam). The 13th National Conference on Irrigation and Evaporation Reduction, Kerman [in Persian].Journal of Innovative Research in Science Engineering and Technology, 3(6): 13681-13687.
Konak, A., Coit, D.W. and Smith, A.E., 2006. Multi-objective optimization using genetic algorithms: A tutorial. Reliability engineering & system safety, 91(9): 992-1007.
Labadie, J.W., 2004. Optimal operation of multireservoir systems: State-of-the-art review. Journal of water resources planning and management, 130(2): 93-111.
Mirjalili, S., Mirjalili, S.M. and Lewis, A., 2014. Grey wolf optimizer. Advances in engineering software, 69: 46-61.
Misaghi, F., Amani, A. H., & Seddigh, A. R. 2020. Comparison of the efficiency of gray wolf optimizer and imperialist competitive algorithms in an optimal allocation of water in irrigation and drainage networks (case study: Sofi-Chay network). Environmental Sciences, 18(2), 203-218. [in Persian].
Qaderi, K,. Rahimi, A., Porshikhali, Z., Zalqi, A. 2013. Optimum exploitation of the reservoir using TV-MOPSO algorithm (case study: Droodzen Dam). The 12th National Conference on Irrigation and Evaporation Reduction. Kerman Shahid Bahonar University. Kerman [in Persian].
Rezaei-Estakhroueiyeh, A., Jalalkamali, N., & Momeniroghabadi, M. 2022. Optimization of Multi-Reservoir System Operation Using Symbiotic Organisms Search Algorithm Based on the Fitness-Distance-Balance. Irrigation and Water Engineering, 13(1), 219-244. [in Persian].
Shahraki, J., Sardar Shahraki, A., & Nouri, S. 2020. Application of Firefly Fractional Algorithm (FA) In Optimal Water Resources Distribution in Chahnimeh of Sistan under the Managerial Scenarios. Water Resources Engineering, 12(43), 64-75. [in Persian].
Sonaliya, S. and Suryanarayana, T.M.V., 2014. Optimal reservoir operation using genetic algorithm: A case study of ukai reservoir project. International 
Tabari, M.M.R. and Soltani, J., 2013. Multi-objective optimal model for conjunctive use management using SGAs and NSGA-II models. Water resources management, 27: 37-53.
Wan, X.Y., Wang, G.Q., Yi, P. Bao, W.M., 2010. Similarity-based optimal operation of water and sediment in a sediment-laden reservoir. Water resources management, 24: 4381-4402.
Zitzler, E., 1999. Evolutionary algorithms for multiobjective optimization: Methods and applications, 63. Ithaca: