Ứng dụng giải thuật di truyền NSGA-II để lựa chọn phương án tối ưu cải tạo hệ thống thoát nước thành phố Sầm Sơn, Thanh Hóa

Bài viết Ứng dụng giải thuật di truyền NSGA-II để lựa chọn phương án tối ưu cải tạo hệ thống thoát nước thành phố Sầm Sơn, Thanh Hóa sử dụng giải thuật di truyền NSGA II (Nondominated sorting genetic Agorithm) (Sharma và nnk 2012) để tìm giải pháp tối ưu cải tạo hệ thống cống thoát nước thải của thành phố Sầm Sơn, tỉnh Thanh Hóa.

Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2018 ISBN: 978-604-82-2548-3 ỨNG DỤNG GIẢI THUẬT DI TRUYỀN NSGA-II ĐỂ LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN TỐI ƯU CẢI TẠO HỆ THỐNG THỐT NƯỚC THÀNH PHỐ SẦM SƠN, THANH HĨA Đặng Minh Hải Trường Đại học Thủy lợi, email: hai_ctn@tlu.edu.vn GIỚI THIỆU CHUNG chơn cống tuyến cống nước thải biến đổi từ 0,5 m đến 3,0 m Đường kính Hệ thống nước thải thị (HTTN) có vai trị quan trọng dân cư đô tuyến cống biến đổi từ 300 mm đến 600 mm Các cống thoát nước thải thị Để HTTN làm việc theo công suất thiết kế, cơng trình hệ thống phải cống bê tơng cốt thép Qua điều tra, có 18 cải tạo năm Cơng tác bảo trì, giám sát đoạn cống bị hư hỏng (có chiều dài hư hỏng cải tạo HTTN gặp nhiều khó khăn lớn 25% chiều dài đoạn cống) tổng hệ thống cống chơn sâu lịng đất số 30 đoạn cống hệ thống (Bảng 1) Bảng Thông số đoạn cống hỏng Chi phí cải tạo tuổi thọ cống thoát nước phụ thuộc vào vật liệu thay D Lc H Lhỏng TT phương pháp cải tạo Phương án cải tạo (mm) (m) (m) (m) tối ưu hệ thống nước góp phần tiết 600 111 1,3 20 kiệm chi phí tăng tuổi thọ cống thoát nước 600 114 30 Trên giới, nhiều nhà khoa học sử 300 200 2,3 dụng giải thuật di truyền để tìm lời giải tối ưu 600 391 30 cho toán tối ưu đa mục tiêu liên quan 300 89 15 đến thiết kế, vận hành cải tạo hệ thống thoát nước (Yang Su 2007) Tuy nhiên, 600 391 2,5 39 nước ta, sử dụng giải thuật di truyền để tìm 300 150 50 lời giải tối ưu kỹ thuật nói chung 600 489 2,5 100 lĩnh vực cấp nước nói riêng cịn hạn chế Vì vậy, báo sử dụng giải 600 485 150 thuật di truyền NSGA II (Nondominated 10 600 300 120 sorting genetic Agorithm) (Sharma nnk 11 600 527 240 2012) để tìm giải pháp tối ưu cải tạo hệ thống 12 600 549 2,5 250 cống thoát nước thải thành phố Sầm Sơn, tỉnh Thanh Hóa 13 600 610 200 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Vùng nghiên cứu hệ thống thoát nước HTTN thành phố Sầm Sơn, tỉnh Thanh Hóa có diện tích phục vụ 250 Độ sâu 363 14 600 94 2,5 20 15 600 610 150 16 600 1040 200 17 600 500 100 18 600 400 200 Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2018 ISBN: 978-604-82-2548-3 2.2 Mơ hình tối ưu hóa cải tạo hệ thống thoát nước Mục tiêu thứ tối thiểu hóa tổng chi phí cải tạo cống nước Tổng chi phí cải tạo (Cct ) phụ thuộc vào đường kính cống, vật liệu phương pháp cải tạo Cct = Cvl +Ctc (1) Cvl =  ni1 Ci j (2) Theo Yang and Su (2007), tổng chi phí phục vụ thi công Ctc xác định sau: Ctc = 740 n (74,1Dri  20660 ), nÕu c¸ch i 1   n 740 i 1 (60Dri  5400 ), nÕu c¸ch  n 740 ( 30Dri  16300 ), nÕu c¸ch i 1  Trong đó: Cvl : tổng chi phí vật liệu thay (đồng); Ci : chi phí vật liệu thay cho đoạn cống thứ i (đồng); Lhi : chiều dài bị hư hỏng đoạn cống thứ i (đồng); Ctc : tổng chi phí phục vụ thi cơng cải tạo đoạn cống (đồng); Dri : đường kính đoạn cống thứ i; n: số đoạn cống bị hỏng, n=18 Mục tiêu thứ hai tối đa hóa tuổi thọ trung bình đoạn cống sau cải tạo Max SL SL=  ni j (6) n Trong đó: SL: tuổi thọ trung bình đoạn cống sau cải tạo (năm); Yi : tuổi thọ đoạn cống thứ i sau cải tạo, phụ thuộc vào vật liệu thay đoạn cống (năm) 2.3 Giải thuật di truyền NSGA-II NSGA-II phát triển cá thể ưu tú cho việc tìm kiếm đa mục tiêu Các thể ưu tú lưu trữ cách giữ lại tất cá thể không bị vượt trội phát quần thể Phát triển cá thể ưu tú làm tăng tính hội tụ đa dạng lời giải Q trình thực thuật tốn trải qua bước sau: Bước 1: Mã hóa chromosomes Thuật tốn gen bắt đầu với chuỗi mã hóa gọi chromosomes Trong báo này, choromosomes mã hóa số nguyên mô tả biến vật liệu thay (Mi ) phương pháp thi công (CMi) Mi mã hóa ống bê tơng cốt thép; ống cốt sợi thủy tinh; ống HDPE; ống sành CMi mã hóa sữa chữa nhỏ; sửa chữa lớn; thay cống Bước 2: Tạo quần thể ban đầu Quần thể phương án ban đầu tạo cách ngẫu nhiên Trong báo này, số lượng cá thể N=100 Bước 3: Ước tính tổng chi phí cải tạo Chi phí cải tạo tổng cộng xác định theo công thức (1) Bước 4: Ước tính tuổi thọ trung bình đoạn cống cải tạo Tuổi thọ trung bình đoạn cống cải tạo xác định theo công thức (6) Bước 5: Tính tốn độ thích nghi Độ thích nghi chromosomes xác định thơng qua q trình xếp khơng vượt trội Mỗi chromosomes gán độ thích nghi với hạng đường cong pareto mà cá thể nằm Bước 6: Tạo quần thể Quần thể tạo cách lựa chọn cá thể nằm đường không vượt trội có hạng từ bé đến lớn (được xác định thơng qua q trình xếp khơng vượt trội) khoảng cách mật độ cá thể Bước 7: Tốn tử lai ghép Lai ghép q trình trao đổi phần gen hai chuỗi bố mẹ thành hai chuỗi Trong báo này, sử dụng kiểu lai ghép hai điểm Xác suất lai ghép chọn 0,5; 0,6; 0,7; 0,8 Bước 8: Toán tử đột biến Kiểu đột biến không đồng dạng sử dụng với xác suất đột biến 0,1 364 Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2018 ISBN: 978-604-82-2548-3 Bước 9: Tiêu chuẩn kết thúc Q trình mơ tả từ bước đến bước lặp lại để sinh quần thể quần thể khơng thể cải tạo chi phí cải tạo thấp 100 quần thể sinh KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU Có loại vật liệu thay phương Hình Đường cong Pareto tối ưu pháp thi cơng áp dụng cho 18 đoạn ống hỏng nên có 418×318 phương án cải tạo KẾT LUẬN cống HTTN Sầm Sơn Bài báo sử dụng giải thuật di truyền NSGA-II để thiết lập đường cong Pareto chứa đựng phương án tốt chi phí cải tạo tuổi thọ cống hệ thống thoát nước Sầm Sơn Chi phí cải tạo phương án tối ưu từ 1351 triệu đến 1620 triệu Đây sở để nhà quản lý tham khảo để lựa chọn phương án TÀI LIỆU THAM KHẢO Hình Đường cong Pareto với xác suất lai tạo khác Hình mơ tả thay đổi đường cong Pareto với thay đổi xác suất lai tạo Kết cho thấy xác suất lai tạo khơng có ảnh hưởng nhiều đến đường cong Pareto Hình mơ tả đường cong Pareto tối ưu Nhận thấy, chi phí cải tạo hợp lý thay đổi từ 1351 triệu đồng đến 1620 triệu đồng Chi phí cải tạo cao tuổi thọ trung bình cống lớn Căn vào đường cong Pareto hình với liệu bổ sung, nhà quản lý lựa chọn phương án cải tạo tối ưu cho hệ thống cống thoát nước thải thành phố Sầm Sơn, tỉnh Thanh Hóa [1] Sharma, S., Rangaiah, G P., and Cheah, K S (2012) “Multi-objective optimization using MS Excel with an application to design of a falling-film evaporator system.” Food and Bioproducts Proces sing, Institution of Chemical Engineers, 90(2), 123–134 [2] Yang, M Der, and Su, T C (2007) “An optimization model of sewage rehabilitation.” Journal of the Chinese Institute of Engineers, Trans actions of the Chinese Institute of Engineers,Series A/Chung-kuo Kung Ch’eng Hsuch K’an, 30(4), 651–659 365 ... hình tối ưu hóa cải tạo hệ thống thoát nước Mục tiêu thứ tối thiểu hóa tổng chi phí cải tạo cống nước Tổng chi phí cải tạo (Cct ) phụ thuộc vào đường kính cống, vật liệu phương pháp cải tạo Cct... án cải tạo KẾT LUẬN cống HTTN Sầm Sơn Bài báo sử dụng giải thuật di truyền NSGA-II để thiết lập đường cong Pareto chứa đựng phương án tốt chi phí cải tạo tuổi thọ cống hệ thống thoát nước Sầm. .. phí cải tạo cao tuổi thọ trung bình cống lớn Căn vào đường cong Pareto hình với liệu bổ sung, nhà quản lý lựa chọn phương án cải tạo tối ưu cho hệ thống cống thoát nước thải thành phố Sầm Sơn,