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 Luận văn thạc sĩ 114 CBHD : TS Lê Đình Hồng CHƯƠNG VIII : KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ - Kết luận - Kiến nghị HVTH : Phạm Thị Minh Lành 115 Luận văn thạc sĩ CBHD : TS Lê Đình Hồng CHƯƠNG VIII : KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 8.1 Kết luận Việc thực quy hoạch, thiết kế, hoạt động, xây dựng bảo dưỡng hệ thống cấp nước dự án sở hạ tầng lớn thành phố, chi phí dự án cấp nước đạt giá trị đến hàng trăm tỷ đồng cho thành phố lớn Chính vậy, dự án cấp nước cần thiết kế tỉ mỉ Trong bốn thập kỷ qua, nhà nghiên cứu cố gắng để thiết kế mạng lưới phân phối nước cách tối ưu Thuật toán di truyền (GA), công cụ tối ưu hóa tồn cầu, phương pháp có điều kiện tốt để tối ưu hoá GA bao gồm tốn tử tiêu chuẩn; tốn tử có liên quan với thơng số thuật tốn Mỗi thay đổi tốn tử có ảnh hưởng trực tiếp tới hiệu suất chương trình tối ưu Các tốn tử phụ thuộc vào đặc điểm trường hợp tối ưu hóa khác mạng, nên khơng thể có giá trị lý tưởng Để giải tốn, chương trình máy tính (GA.P) phát triển GA.P chương trình máy tính xây dựng phần mềm MATLAB,kết hợp công cụ lập trình EPANET để giải vấn đềthủy lực mạng lưới Để có thiết lập phù hợp thông số cho mạng, phương pháp áp dụng mô tả : - Sau định giá trị ban đầu thông số cách sử dụng kinh nghiệm riêng tìm kiếm tài liệu; cách thay đổi giá trị tham số cần tìm, tham số khơng đổi, GA.P chạy nhiều lần để tìm tham số tối ưu Giá trị tham số nằm khoảng xác định trước kết tất lần chạy lưu - Xem xét mức độ thoả mãn mặt thủy lực chi phí hệ thống, giá trị phù hợp lựa chọn giữ nguyên xác định tham số tối ưu Đối với nghiên cứu này, thông số xem xét bao gổm độ lớn quần thể, số hệ sinh ra, hệ số hàm phạt, tỷ lệ đột, xác suất lai kiểu lai Khi HVTH : Phạm Thị Minh Lành Luận văn thạc sĩ 116 CBHD : TS Lê Đình Hồng thơng số thích hợp xác định, đề xuất ứng dụng vào mạng lưới biết đến mạng lưới Shamir, mạng Hà Nội Fujiwara mạng New York Sau đó, áp dụng cho mạng thực tế Đánh giá kết rằng, thông số thuật tốn có liên quan với mạng, trường hợp tối ưu hóa phát triển chương trình máy tính Do đặc tính mạng khác nên thông số GA cho mạng khơng có giá trị lý tưởng Kết cho thấy sau : - Việc tăng số lượng quần thể quan trọng tăng số hệ sinh - Chi phí phạt áp lực khác tùy thuộc vào chi phí đường ống đặc điểm mạng xét Hệ số phạt giới thiệu hàm phạt,tỷ lệ thuận với thời gian chạy chương trình để đưa tốn hội tụ nhanh hơn.Hiệu biến thể qua giá trị hàm phạt - Tốc độ đột biến, xác suất lai, kiểu lai tìm thấy khơng đổi Đột biến diễn quần thể thứ hai trở đi, quần thể giá trị hàm mục tiêu nhỏ tất quần thể giữ lại, đột biến xảy quần thể gây nên xáo trộn lớn hệ sinh tốn khó tiến đến hội tụ - Quá trình lựa chọn xác định ngẫu nhiên quần thể Việc xác định thơng số cần thiết q trình tối ưu hoá mạng lưới Kết ứng dụng GA.P để tìm đường kính tối ưu cho mạng lưới hoàn toàn hợp lý 8.2 Kiến nghị Đối với mạng khác thời gian chạy chương trình khác Với phát triển cơng nghệ tin học nay, rút ngắn thời gian tính tốn; thay đổi biến bước tối ưu hóa Thiết kế chương trình máy tín có cấu trúc tốt cải thiện cách sử dụng thuật tốn phân tích làm giảm thời gian tính tốn Hầu hết thời gian tính toán GA.P dành cho giải vấn đề thuỷ lực mạng lưới Vì vậy, phát triển thuật toán giải thuỷ lực mạng lưới để tích hợp với GA.P làm giảm thời gian tính tốn HVTH : Phạm Thị Minh Lành Luận văn thạc sĩ 117 CBHD : TS Lê Đình Hồng Trong q trình tối ưu hóa, chương trình xác định đường kính ống xem xét đường ống sẵn có phù hợp thủy lực mạng Tuy nhiên, xây dựng mạng lưới thực tế, việc đặt đường kính có kích thước khác nhaucạnh tuyến khơng mong muốn, làm tăng chi phí xây dựng Ngồi ra, số đường ống mạng, tuyến ống dẫn nước từ trạm xử lý vào mạng đường kính ống khơng thể thay đổi Khi điều kiện thêm vào thuật tốn tối ưu hóa, mạng lưới tối ưu khơng dùng khơng hiệu xây dựng Vấn đề loại bỏ cách nhóm đường ống mạng lưới theo thứ tự ưu tiên chúng Khi ống dẫn nhóm lại, nhóm phải thiết lập riêng cho kích thước ống sử dụng Bằng cách giảm số lượng đường ống sẵn có này, khơng gian tìm kiếm thuật tốn giảm đáng kể Vì vậy, nhóm đường ống theo cách cải thiện thuật tốntối ưu mạng lưới tiện lợi thời gian tính tốn Một cách khác sử dụng thay đổi toán tử di truyền Giao diện sử dụng GA.P phát triển trở thành chương trình ứng dụng độc lập, thực thi tất máy tính Để cải thiện hiệu hội tụ thời gian tính tốn áp dụng mã hóa mã xám (Gray), lý thuyết tiến hóa Lamarck Làm số sửa đổi bổ sung tốn tử GA bổ sung thêm số toán tử khác tốn tử tiến hố, di trú tăng hiệu suất GA.P Nghiên cứu ứng dụng thành cơng thuật tốn di truyền cho thiết kế tối ưu mạng lưới phân phối nước Lấy cảm hứng từ tiến hóa tự nhiên, chương trình máy tính phát triển áp dụng cho mạng lưới cấp nước Mặc dù GA.P có khả phân tích mạnh, cần cải thiện để dễ dàng sử dụng cho thiết kế mạng lưới thực tế HVTH : Phạm Thị Minh Lành 118 Luận văn thạc sĩ CBHD : TS Lê Đình Hồng PHỤ LỤC Chương trình tối ưu hóa WDN quận Liên Chiểu – Đà Nẵng % % % % % Binary Genetic Algorithm Minimizes the objective function designated in ff Set all the parameters in parts I, II, and III tic clear; clc; clf; cla; close all; fprintf('Lienchieu mincost =188.000') fprintf('\n') fprintf('\n') opticost = 188.000; fid = fopen('Lienchieu.txt', 'w'); iga_opti = 1; % _ % I Setup the GA popsize =1200; maxit = 600; % max number of iterations maxloop = 10; npar = 54;% number of pipes = number of optimization variables nbits = 4; node = 48; % number of nodes Nt = nbits * npar; mutrate = 03; % set mutation rate selection = 0.5; % fraction of population kept keep = selection * popsize; % #population members that survive newborn = popsize - keep; % # population to be newly born power = 5; fprintf(fid, 'popsize, maxit, mutrate, selection, power %10.4f\n', popsize, maxit, mutrate, selection, power); %required pressure for i = 1: node - reqpressure(i) = 10.; end % available pipe diameter dc(1) =200 ; dc(2) =200 ; dc(3) =250 ; dc(4) =300 ; dc(5) =300; dc(6) =400; dc(7) =500 ; dc(8) =600 ; dc(9) =700; dc(10) =700; dc(11) =800; dc(12) =1000; dc(13)=1200; dc(14) =1200; dc(15)= 1800; dc(16) =2000 ; HVTH : Phạm Thị Minh Lành Luận văn thạc sĩ 119 CBHD : TS Lê Đình Hồng % cost per unit length in accordance to the above pipe diameter co(1) = 0.284;co(2) =0.284; co(3) =0.300; co(4) = 0.492 ; co(5) = 0.492;co(6) = 0.900;co(7) = 1.400;co(8) = 2.046; co(9) = 2.900;co(10) = 2.900;co(11) = 6.420;co(12) = 9.545; co(13)= 11.745;co(14) = 11.745;co(15) = 19.700;co(16) = 21.200; % _ % II Stopping criteria for loop = 1:maxloop loop % _ % Create the initial population iga = 1; % generation counter initialized pop = round(rand(popsize,Nt));%random population of 1s and 0s % Convert random number to the index of pipe diameter for the whole % population for i = 1: popsize for j = 1: npar dindex(i,j) = 1; for k = 1: nbits n = ( j - 1)*nbits + k; dindex(i,j) = dindex(i,j) + pop(i,n)*2^(k-1); end%k end%j end%i if ~libisloaded('epanet2') loadlibrary('epanet2', 'epanet2.h'); end wdsfile='LC-DN.inp'; s = which(wdsfile); if ~isempty(s) wdsfile = s; end [errorcode] = calllib('epanet2', 'ENopen', wdsfile, 'temp1.$$$', 'temp2.$$$'); fprintf('nodes = %d\n',getdata('EN_NODECOUNT')) fprintf('links = %d\n',getdata('EN_LINKCOUNT')) [dia] = getdata('EN_DIAMETER'); for k = 1: 12 dorigin(k) = dia(k); end [length] = getdata('EN_LENGTH'); sumlength = sum(length); HVTH : Phạm Thị Minh Lành 120 Luận văn thạc sĩ CBHD : TS Lê Đình Hồng % maximum cost maxcost = sumlength*co(16); mincost = sumlength*co(1); refcost = (maxcost + mincost) / 2.; fprintf(' maxcost = %10.0f', maxcost) fprintf('\n') fprintf(' mincost = %10.0f', mincost) fprintf('\n') fprintf(' refcost = %10.0f', refcost) fprintf('\n') %fprintf('\n') %fprintf('Assigned diameter') %fprintf('%8.0f', dia) %fprintf('\n') [P] = getdata('EN_PRESSURE'); %fprintf('%10.2f', P(1:node)) fprintf('\n') fprintf('\n') fprintf(' fprintf('\n') Start Calculation for the first population') for i = 1: popsize for j = 1: npar dia(12+j) = dc(dindex(i,j)); % assign pipe diameter for each population end%j % length-weighted average pipe diameter calculated for each population dav(i) = 0; % assign pipe diameter to Epanet model setdata('EN_DIAMETER', dia) % get nodal pressure [P] = getdata('EN_PRESSURE'); minpressure(i) = min(P(1:node-1)); %deficit of pressure for k = 1: node - lackpressure(k) = reqpressure(k) - P(k); end maxdeficit_pop(i) = max(lackpressure); %maximum deficit for population i % cost of the pipe system calculated for each population cost(i) = 0; for j = 1: npar cost(i) = cost(i) + co(dindex(i,j))*length(12+j); HVTH : Phạm Thị Minh Lành Luận văn thạc sĩ 121 CBHD : TS Lê Đình Hồng end costt(i) = cost(i); % penalty function for population having minimum pressure less than % required pressure if maxdeficit_pop(i) > costt(i) = costt(i) + maxcost * maxdeficit_pop(i) * (iga/maxit) ^ power; end end% i.popsize % finish calculation cost, pressure for the whole population %dav [costt,ind] = sort(costt); cost = cost(ind); pop = pop(ind,:); minc(iga) = min(costt); meanc(iga) = mean(costt); maxc(iga) = max(costt); maxdeficit_iga(iga) = max(maxdeficit_pop); maxdeficit_pop = maxdeficit_pop(ind); dindex = dindex(ind,:); %fprintf('\n') fprintf(' .\n') fprintf(' Start Iteration \n') fprintf(' .\n') %fprintf('\n') % _ % Iterate through generations while iga < maxit iga = iga + 1; % increments generation counter %fprintf(' Iteration iga no %6.i', iga) %fprintf('\n') % _ % Pair and mate M = (popsize - keep)/2; % number of matings prob = flipud([1:keep]'/sum([1:keep]));% weights % chromosomes based upon position in list odds = [0 cumsum(prob(1:keep))']; % probability distribution function pick1 = rand(1,M); % mate #1 pick2 = rand(1,M); % mate #2 % ma and pa contain the indicies of the chromosomes that will mate HVTH : Phạm Thị Minh Lành Luận văn thạc sĩ 122 CBHD : TS Lê Đình Hồng ic = 1; while ic costt(i) = costt(i) + maxcost * maxdeficit_pop(i) * (iga/maxit) ^ power; end end%i.popsize % _ % Sort the costs and associated parameters [costt,ind] = sort(costt); pop = pop(ind,:); minc(iga) = min(costt); meanc(iga) = mean(costt); maxc(iga) = max(costt); maxdeficit_iga(iga) = max(maxdeficit_pop); maxdeficit_pop = maxdeficit_pop(ind); dindex = dindex(ind,:); HVTH : Phạm Thị Minh Lành 124 Luận văn thạc sĩ CBHD : TS Lê Đình Hồng if iga > 50 & minc(iga) < minc(iga - 1) iga_opti = iga; for idia = 1: npar dopti(idia+12) = dc(dindex(1,idia)); end end % _ % Do statistics for a single nonaveraging run end%iga fprintf(' maxit %10.f minc(maxit)) dc(dindex(1,:)); mincost %12.0f\n', maxit, for j = 1: npar dia(12+j) = dc(dindex(1,j)); % assign pipe diameter end%j figure h= plot(minc); set(h,'LineWidth',2) set(gca,'xtick',0:50:maxit,'Fontsize',11); set(gca,'ytick',0:2*10^5:10^7,'Fontsize',11); grid xlabel('Generation','Fontsize',12,'fontweight','b'); ylabel('Cost','Fontsize',12,'fontweight','b'); title('GA optimization','Fontsize',12,'fontweight','b'); [D] = getdata('EN_DIAMETER') setdata('EN_DIAMETER', dia); [P] = getdata('EN_PRESSURE'); minpressure = min(P(1:node-1)); for k = 1: node - lackpressure(k) = P(k) - reqpressure(k); end max_negative = min(lackpressure); if loop == wdsfile_bis elseif loop == wdsfile_bis elseif loop == wdsfile_bis elseif loop == wdsfile_bis elseif loop == wdsfile_bis elseif loop == wdsfile_bis = 'Lienchieu_optimize_1.inp'; = 'Lienchieu_optimize_2.inp'; = 'Lienchieu_optimize_3.inp'; = 'Lienchieu_optimize_4.inp'; = 'Lienchieu_optimize_5.inp'; = 'Lienchieu_optimize_6.inp'; HVTH : Phạm Thị Minh Lành 125 Luận văn thạc sĩ elseif loop == wdsfile_bis elseif loop == wdsfile_bis elseif loop == wdsfile_bis else wdsfile_bis end CBHD : TS Lê Đình Hồng = 'Lienchieu_optimize_7.inp'; = 'Lienchieu_optimize_8.inp'; = 'Lienchieu_optimize_9.inp'; = 'Lienchieu_optimize_10.inp'; fprintf('min_calculated pressure %8.3f\n', minpressure) mincost = min(minc); fprintf('min_calculated cost min(minc) %10.f\n', mincost) avgcost = mean(meanc); fprintf('average_calculated cost %10.f\n', avgcost) fprintf('Optimum result at iga = %10.f\n', iga_opti) [errorcode] = calllib('epanet2', 'ENsaveinpfile', wdsfile_bis); fprintf(fid, fprintf(fid, fprintf(fid, fprintf(fid, fprintf(fid, fprintf(fid, 'Optimum result at iga = %10.f\n', iga_opti); '\n'); 'Min_calculated cost = %12.2f\n', mincost); '\n'); 'Optimized diameters = %10.f\n', dopti); '\n'); setdata('EN_DIAMETER', dopti); [P] = getdata('EN_PRESSURE'); minpressure = min(P(1:node-1)) for k = 1: node - lackpressure(k) = P(k) - reqpressure(k); end max_negative = min(lackpressure) end%loop setdata('EN_DIAMETER', dopti); [P] = getdata('EN_PRESSURE'); minpressure = min(P(1:node-1)); for k = 1: node - lackpressure(k) = P(k) - reqpressure(k); end max_negative = min(lackpressure); wdsfile_bis = 'Lienchieu_optimize.inp'; [errorcode] = calllib('epanet2', 'ENsaveinpfile', wdsfile_bis); HVTH : Phạm Thị Minh Lành Luận văn thạc sĩ 126 CBHD : TS Lê Đình Hồng [errorcode] = calllib('epanet2', 'ENclose'); if (errorcode) fprintf('EPANET error occurred Code %g\n', num2str(errorcode)); end if libisloaded('epanet2') unloadlibrary('epanet2'); end fprintf('Calculated time (min) = %10.2f\n', toc/60) HVTH : Phạm Thị Minh Lành 127 Luận văn thạc sĩ CBHD : TS Lê Đình Hồng TÀI LIỆU THAM KHẢO Nguồn tài liệu tham khảo chủ yếu báo số tạp chí, tài liệu thư viện, mạng internet số giáo trình lưu hành thị trường Các tài liệu tham khảo tiêu biểu sau: [1] Dương Thanh Lượng, “Giáo trình hệ thống cấp nước”, Trường đại học Thủy Lợi-NXB Xây Dựng, 2006 [2] D.Nagesh Kumar, T Rama Mohana Rao and M Bandyopadhyay, “Optimal design of water distribution system using linear programming gradient (LPG) method”, Tạp chí Hiệp hội cơng trình nước Ấn Độ, 1998 [3] Hà Văn Khối, “Giáo trình Quy hoạch quản lý nguồn nước”,Trường đại học Thủy Lợi - NXB Nông Nghiệp, 2005 [4] M van Dijk, SJ van Vuuren JE van Zyl, “Optimising water distribution systems using a weighted penalty in a genetic algorithm”, trường đại học Pretorianam Châu Phi, 2008 [5] Nguyễn Viết Trung, “Thiết kế tối ưu”, NXB Xây Dựng, 2003 [6] NIU Zhi-guang, ZHANG Hong-wei,“Application of LINGO to the Solution of the Water Supply System’s Optimal Operation Model”, Trường đại học TianjinTrung Quốc, 2002 [7] Larry W.Mays and Yeou-Koung Tung, “Hydrosystems engineering and management”, NXB McGraw-Hill, 1992 [8] Larry W.Mays, “Water distribution systems handbook”, NXBMcGraw-Hill, 2000 [9] Lijie Cui and George Kuczera, “Optimization of urban water supply using parallel genetic algorithms and replicate compression”, Nghiên cứu đại học Newcastle-Úc [10] Trịnh Xn Lai, “Tính tốn mạng lưới phân phối nước phân tích nước va”, NXB Xây Dựng, 2009 [11] Zong woo geem, “Optimal cost design of water distribution networks using harmony search”, Chương trình quy hoạch môi trường quản lý, trường đại học Johns Hopkins- Mỹ HVTH : Phạm Thị Minh Lành LÝ LỊCH TRÍCH NGANG Họ tên: PHẠM THỊ MINH LÀNH Ngày, tháng, năm sinh: 20/09/1984 Nơi sinh: NAM ĐỊNH Địa liên lạc: 211/134C Hoàng Hoa Thám, Phường 5, Quận Phú Nhuận, TP Hồ Chí Minh Q TRÌNH ĐÀO TẠO Từ năm 2003-2008 sinh viên trường ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC HÀ NỘI Từ năm 2008-nay học viên trường ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP HỒ CHÍ MINH Q TRÌNH CƠNG TÁC Từ năm 2008 – giảng viên trường ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC TP HỒ CHÍ MINH ... : 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