Tối ưu hóa trong thiết kế hệ thống phân phối nước

Đại Học Quốc Gia Tp Hồ Chí Minh TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA PHẠM THỊ MINH LÀNH TỐI ƯU HÓA TRONG THIẾT KẾ HỆ THỐNG PHÂN PHỐI NƯỚC Chuyên ngành : XÂY DỰNG CƠNG TRÌNH THỦY LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HỒ CHÍ MINH, tháng năm 2011 CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH Cán hướng dẫn khoa học : (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị chữ ký) Cán chấm nhận xét : (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị chữ ký) Cán chấm nhận xét : (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị chữ ký) Luận văn thạc sĩ bảo vệ Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp.HCM ngày 25 tháng 02 năm 2011 Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm : (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ) …………………………………… …………………………………… …………………………………… …………………………………… …………………………………… Xác nhận Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV Bộ môn quản lý chuyên ngành sau luận văn sửa chữa (nếu có) Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV Bộ môn quản lý chuyên ngành ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHIÃ VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc -oOo - Tp HCM, ngày tháng năm 20 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên : PHẠM THỊ MINH LÀNH Giới tính : Nam / Nữ Ngày, tháng, năm sinh : 20/09/1984 Nơi sinh : Nam Định Chun ngành : Xây Dựng Cơng Trình Thủy Khố : 2008 1- TÊN ĐỀ TÀI : “TỐI ƯU HÓA TRONG THIẾT KẾ HỆ THỐNG PHÂN PHỐI NƯỚC” 2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN : 3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : …………………………………………………… 4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 5- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : TS LÊ ĐÌNH HỒNG Nội dung đề cương Luận văn thạc sĩ Hội Đồng Chun Ngành thơng qua CHỦ NHIỆM BỘ MƠN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH (Họ tên chữ ký) (Họ tên chữ ký) TS Lê Đình Hồng PGS TS Huỳnh Thanh Sơn LỜI CÁM ƠN Tôi xin gởi lời cảm ơn chân thành đến TS Lê Đình Hồng, người tận tình hướng dẫn, giúp đỡ tơi suốt q trình thực luận văn tạo điều kiện để tơi hồn thành luận văn Xin cảm ơn gia đình người bạn dành cho hỗ trợ tốt Tôi xin cám ơn Công ty Cấp nước Đà Nẵng nhiệt tình cung cấp cho tơi số liệu thực tế để hoàn thành luận văn TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SỸ “TỐI ƯU HÓA TRONG THIẾT KẾ HỆ THÔNG PHÂN PHỐI NƯỚC” Vấn đề quy hoạch, thiết kế, xây dựng, vận hành bảo dưỡng hệ thống cấp nước vấn đề cần phải giải dự án hạ tầng thành phố; hệ thống phân phối nước cần phải thiết kế tỉ mỉ Thuật toán di truyền phương pháp tối ưu dựa tiến hóa tự nhiên sử dụng cho việc tối ưu hóa mạng lưới phân phối nước Thuật tốn di truyền bao gồm toán tử di truyền (chọn lọc, lai đột biến) giá trị toán tử ảnh hưởng đến hiệu suất thuật toán Các đại lượng cần tìm tốn liên quan tới tốn tử này, nhiên tốn tử khơng giữ vai trò định việc xác định thông số cụ thể mạng lưới phân phối nước Nghiên cứu đại diện cho phương pháp mới, nghiên cứu đưa chương trình tính tốn áp dụng thuật toán di truyền để xác định giá trị đường kính tối ưu cho hệ thống phân phối nước khác Chương trình kiểm chứng áp dụng cho số mạng Trong có ba mạng lấy từ ví dụ nghiên cứu trước để kiểm chứng mơ hình thiết lập, sau mơ hình ứng dụng vào mạng lưới phân phối nước thực tế Các giá trị mạng lưới phân phối nước đưa vào thuật toán tối ưu giải chương trình máy tính Giá trị hàm phạt áp lực phụ thuộc vào chi phí ống đặc điểm mạng lưới Tỷ lệ đột biến đưa 3% cho ba mạng Xác suất lai xác định 50% Với tốn tối ưu có giá trị quần thể số hệ riêng Luận văn thạc sĩ CBHD : TS Lê Đình Hồng Các kí hiệu, viết tắt luận văn WDNs - Water Distribution Networks hệ thống phân phối nước WDN - Water Distribution Network hệ thống phân phối nước GA thuật toán di truyền - Genetic Algorithm GA.P - Genetic Algorithm Programming chương trình thuật tốn di truyền et al - and others cộng SA - Simulated Annealing thuật toán luyện kim PSO - Particle Swarm Optimization tối ưu bầy đàn NST nhiễm sắc thể TT thứ tự NMN nhà máy nước CNĐN cấp nước Đà Nẵng UBND Ủy Ban Nhân Dân HVTH : Phạm Thị Minh Lành Luận văn thạc sĩ CBHD : TS Lê Đình Hồng MỤC LỤC CHƯƠNG I : 13 GIỚI THIỆU 13 1.1 Đặt vấn đề 1.2 Mục đích nghiên cứu đề tài 1.3 Phương pháp nghiên cứu 1.4 Nội dung nghiên cứu 1.4.1 Lý thuyết 14 16 17 17 17 1.4.2 Thuật toán 19 1.4.3 Các thử nghiệm số 19 1.5 Ứng dụngthực tế mơ hình nghiên cứu 1.5.1 Vùng nghiên cứu 1.5.2 Dữ liệu đầu vào 19 19 20 1.5.3 Mơ hình hóa vùng nghiên cứu 20 1.5.4 Kết tính tốn 20 1.5.5 Nhận xét kết 20 1.5.6 Kết luận kiến nghị 20 1.6 Ý nghĩa khoa học thực tiễn nghiên cứu CHƯƠNG II : 20 21 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGỒI NƯỚC 21 2.1 Các nghiên cứu nước 2.1.1 Tác giả Dương Thanh Lượng (2006) 2.1.2 Tác giả Trịnh Xuân Lai (2009) 2.2 Các nghiên cứu nước 2.2.1 D.Nagesh Kumar, T Rama Mohana Rao, M Bandyopadhyay (1998) 22 22 23 23 23 2.2.2 NIU Zhi-guang ZHANG Hong-wei (12/2002) 24 2.2.3 Ariel Krapivkaiand Avi Ostfeld (6/2009) 25 2.2.4 Zong woo geem 26 2.2.5 Một số nghiên cứu ứng dụng GA WDNs 27 CHƯƠNG III : 29 LỰA CHỌN THUẬT TỐN TỐI ƯU 29 3.1 Bài tốn tối ưu hệ thống phân phối nước 3.1.1 Xác định nhiệm vụ toán tối ưu 3.1.2 Bài toán tối ưu tính tốn hệ thống phân phối nước HVTH : Phạm Thị Minh Lành 30 30 30 Luận văn thạc sĩ CBHD : TS Lê Đình Hồng 3.2 Một số thuật tốn tối ưu hóa 3.2.1 Thuật tốn “Leo đồi” (Radom - restart hill climbing) 32 32 3.2.2 Thuật tốn “Luyện kim” (Simulated annealing) 33 3.2.3 Tối ưu hóa bầy đàn (Particle swarm optimization) 35 3.2.4 Thuật toán di truyền 36 3.2.5 So sánh GA với thuật toán tìm kiếm tối ưu khác 38 CHƯƠNG IV : 39 CƠ SỞ LÝ THUYẾT TỐI ƯU HÓA TRONG WDN ỨNG DỤNG GA 39 4.1 Lý thuyết thuật toán di truyền (GA) 4.2 Cấu trúc thuật toán di truyền 4.3 Khái niệm nhiễm sắc thể 4.4 Thông số thuật toán di truyền 4.4.1 Chọn lọc 40 41 43 44 44 4.4.2 Lựa chọn kết đôi 46 4.4.3 Lai ghép 48 4.4.4 Đột biến 50 4.4.5 Hàm phạt 52 4.4.6 Kết tối ưu hóa WDNs ứng dụng GA 55 CHƯƠNG V: 57 ỨNG DỤNG THUẬT TOÁN DI TRUYỀN TRONG THIẾT KẾ TỐI ƯU WDNS 57 5.1 Khái quát 5.2 GA.P – chương trình tối ưu hóa WDNs sử dụng GA 5.3 Cấu trúc GA.P 5.3.1 Tính tốn thủy lực mạng lưới – EPANET 58 59 60 60 5.3.2 Thiết lập chương trình tối ưu WDNs 61 5.3.3 Trình bày kết chạy GA.P 64 CHƯƠNG VI : 66 KIỂM CHỨNG MƠ HÌNH TỐI ƯU HĨA 66 6.1 Nghiên cứu tối ưu toàn cầu 6.2 Mạng lưới Sharmir 6.2.1 Giới thiệu mạng lưới Shamir 67 69 69 6.2.2 Kết tối ưu mạng Shamir 71 6.2.3 So sánh kết tối ưu GA.P với kết nghiên cứu trước 74 6.3 Mạng lưới Hà Nội Fujiwara Khang HVTH : Phạm Thị Minh Lành 75 Luận văn thạc sĩ CBHD : TS Lê Đình Hồng 6.3.1 Giới thiệu mạng lưới Hà Nội 75 6.3.2 Kết chạy GA.P cho mạng Hà Nội 78 6.4 Mạng lưới New York 6.4.1 Giới thiệu mạng lưới New York 6.4.2 Kết chạy GA.P cho mạng New York 82 82 85 CHƯƠNG VII : 89 ÁP DỤNG MÔ HÌNHTỐI ƯU HĨA 89 7.1 Giới thiệu quận Liên Chiểu – Đà Nẵng 7.1.1 Điều kiện tự nhiên 90 90 7.1.2 Hiện trạng cấp nước 91 7.1.3 Dự án xây dựng nhà máy xử lý nước cấp cho quận Liên Chiểu 93 7.2 Hệ thống phân phối nước quận Liên Chiểu – thành phố Đà Nẵng 7.2.1 Phân cấp mạng lưới 94 95 7.2.2 Kế hoạch xây dựng 95 7.2.3 Vật liệu ống cấp nước 95 7.2.4 Mô thủy lực mạng lưới 96 7.3 Tối ưu WDNquận Liên Chiểu – Đà Nẵng ứng dụng GA 7.3.1 Thiết lập chương trình tối ưu cho WDN quận Liên Chiểu 101 101 7.3.2 Kết chạy chương trình so sánh với mạng thực tế 101 7.4 Ứng dụng mơ hình tối ưu cho WDN quận Phú Nhuận, Bình Thạnh 7.4.1 Mô tả mạng lưới 107 107 7.4.2 Thiết lập mô hình tối ưu cho WDN quận Phú Nhuận, Bình Thạnh 110 7.4.3 So sánh kết tối ưu thực tế 110 CHƯƠNG VIII : KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 114 8.1 Kết luận 8.2 Kiến nghị PHỤ LỤC 115 116 118 Chương trình tối ưu hóa WDN quận Liên Chiểu – Đà Nẵng TÀI LIỆU THAM KHẢO 118 127 HVTH : Phạm Thị Minh Lành 10 Luận văn thạc sĩ CBHD : TS Lê Đình Hồng Các hình vẽ luận văn Hình 2.1 Các bước tối ưu hình 26 Hình 3.1 Tối ưu cục tối ưu tồn cục 33 Hình 3.2 Thuật tốn luyện kim 34 Hình 4.1 Cấu trúc thuật tốn di truyền 42 Hình 4.2 Tương quan hệ số phạt số lần lặp kích thước quần thể 54 Hình 5.1 Mơ mạng lưới EPANET 62 Hình 5.2 Lưu mạng lưới dạng tệp inp 62 Hình 5.3 Quá trình tối ưu hóa mạng lưới phân phối nước 65 Hình 6.1 Mạng lưới cấp nước Shamir 69 Hình 6.2 Kết chạy GA.P 20 lần lặp 71 Hình 6.3 Quá trình hội tụ kết tối ưu mạng Shamir 73 Hình 6.4 Mơ áp lực mạng lưới Shamir tối ưu 73 Hình 6.5 Kết nghiên cứu tối ưu WDNs GA qua giai đoạn 75 Hình 6.6 Mạng lưới cấp nước Hà Nội 76 Hình 6.7 Kết chạy GA.P 20 lần lặp 79 Hình 6.8 Quá trình hội tụ hàm chi phí tối ưu mạng Hà Nội 79 Hình 6.9 WDN thành phố New York 83 Hình 6.10 Kết tối ưu qua 20 lần chạy GA.P 86 Hình 6.11 Sự hội tụ đến điểm tối ưu mạng New York 86 Hình 7.1 : Bản đồ thành phố Đà Nẵng 90 Hình 7.2 : Quy hoạch tổng thể mạng lưới cấp nước thành phố Đà Nẵng 93 Hình 7.3 : Quy hoạch mạng lưới cấp nước quận Liên Chiểu 94 Hình 7.4 Sơ đồ thủy lực mạng lưới cấp nước quận Liên Chiểu 97 Hình 7.5 Giá trị hàm mục tiêu tốt 20 lần lặp 102 Hình 7.6 Đường hội tụ hàm chi phí WDN quận Liên Chiểu 102 Hình 7.7 Sơ đồ phân vùng áp lực WDN tối ưu quận Liên Chiểu 104 Hình 7.8 So sánh đường kính tối ưu với đường kính WDN quận Liên Chiểu 105 Hình 7.9 Sơ đồ phân bố áp lực WDN quận Phú Nhuận, Bình Thạnh 109 Hình 7.10 Bản đồ quy hoạch WDN quận Phú Nhuận, Bình Thạnh 108 HVTH : Phạm Thị Minh Lành ... : 29 LỰA CHỌN THUẬT TOÁN TỐI ƯU 29 3.1 Bài toán tối ưu hệ thống phân phối nước 3.1.1 Xác định nhiệm vụ toán tối ưu 3.1.2 Bài toán tối ưu tính tốn hệ thống phân phối nước HVTH : Phạm Thị Minh... giải toán thiết kế tối ưu WDN  Kết luận yếu tố có ảnh hưởng chủ yếu đến lời giải tối ưu WDN  Phân tích ưu điểm phương pháp thiết kế tối ưu so với phương pháp thiết kế truyền thống  Kết nghiên... nước bị chi phối yếu tố địa hình khu vực, mật độ dân số, nhu cầu cấp nước? ?? Chi phí xây dựng hệ thống phân phối nước chiếm từ 50-80% chi phí xây dựng tồn hệ thống phân phối nước Một hệ thống phân