بهينه سازي قطر لوله هاي شبكه آبياري تحت فشار با استفاده از جستجوي ژنتيكي اعداد صحيح (مطالعه موردي: شبكه اسماعيل آباد لرستان)

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

امروزه جوامع بشري هزينه‌هاي بسياري را براي به حداكثر رساندن سود و به حداقل رساندن هزينه صرف مي‌كنند. مسئله انتخاب قطرهاي مناسب و تعيين هد پمپاژ بهينه در شبكه‌هاي آبياري تحت فشار به‌گونه‌اي كه بتواند با صرف حداقل هزينه‌ها، كليه محدوديت‌هاي موردنظر شبكه را ارضا نمايد، سالهاست كه مورد توجه مهندسين است و از مباحث مهم تحقيقاتي مي‌باشد. تاكنون تحقيقات بسياري در زمينه ي بهينه‌سازي شبكه‌هاي آبياري تحت فشار به منظور كاهش دادن هزينه اين زيرساخت‌ها اختصاص ‌يافته است. در اين تحقيقات غالباً بهينه سازي شبكه آبياري تحت قشار با استفاده از كد هاي آماده و يا جعبه ابزار هاي متداول الگوريتم هاي تكاملي كه با مدل هاي هيدروليكي تلفيق شده‌اند انجام شده است. در اين تحقيق يك كد بهينه سازي به زبان ويژوال بيسيك بر مبناي جستجوي ژنتيكي اعداد صحيح توسعه داده شده است كه درآن طراحي بهينه شبكه اصلي و نيمه اصلي آبياري تحت فشار با آرايش درختي و با در نظر گرفتن محدوديت هاي سرعت و فشار انجام مي شود. مواد و روش ها: در كد توسعه داده شده در اين تحقيق كه مبتني بر يكي از قدرت مندترين روش هاي بهينه سازي يعني جستجوي ژنتيكي مي‌باشد به هر يك از قطر هاي موجود در بازار يك عدد صحيح اختصاص داده مي شود. سپس جهت تعيين مقادير بهينه، با انجام عمليات تقاطع، جهش و جايگزيني با رويكرد نخبه‌گرايي بر روي مجموعه كروموزوم‌ها عدد صحيح موردنظر براي هر لوله انتخاب مي شود. اطلاعات خروجي از مدل شامل قطرهاي بهينه و مينيمم هزينه‌ي اجراي شبكه‌ي آبياري مي باشد. صحت سنجي و واسنجي مدل با مقايسه ي نتايج آن با نتايج چندين مسئله غير خطي مقيد كه داراي راه حل هاي تحليلي هستند و جواب آنها بادقت مناسب در اختيار مي باشد انجام شد. در انتها از مدل پيشنهادي براي طراحي بهينه شبكه اسماعيل آباد واقع در استان لرستان استفاده شده است. يافته ها: نتايج اين تحقيق نشان داد در مقايسه با طراحي دستي و شرايط موجود روش طراحي بهينه بر مبناي جستجوي ژنتيكي اعداد صحيح مي توانست هزينه اجراي خطوط لوله شبكه آبياري تحت فشار اسماعيل آباد را از 28/825935 دلار به 37/730958 دلار كاهش دهد. نتيجه گيري: مدل تهيه شده قابليت حل مسائل مختلف بهينه‌سازي خطي و غيرخطي مقيد را دارد و نتايج به‌دست‌آمده از مدل با نتايج حل تحليلي كاملاً برابر است. در اين تحقيق سعي گرديد كه مدل نوشته‌شده از لحاظ كاربردي و در مقياس بزرگ نيز مورد بررسي قرار گيرد بدين منظور طراحي شبكه آبياري تحت فشار اسماعيل‌آباد واقع در استان لرستان به عنوان يك نمونه‌ي واقعي توسط آن انجام شد. نتايج محاسبات نشان داده شد در صورت استفاده از مدل بهينه سازي تهيه شده در اين تحقيق، هزينه اجراي خطوط لوله شبكه 5/11 درصد مي توانست كاهش يابد.

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