تعیین ابعاد بهینه سد بتنی وزنی با استفاده از الگوریتم‌های فراکاوشی (مقایسه‌ی الگوریتم‌ها)

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 مهندسی عمران دانشگاه سیستان و بلوچستان، زاهدان، ایران

2 گروه مهندسی عمران، دانشگاه سیستان و بلوچستان

3 دانشگاه سیستان و بلوچستان

4 گروه عمران، دانشکده مهندسی شهید نیکبخت، دانشگاه سیستان و بلوچستان، زاهدان، ایران

چکیده

سدهای بتنی وزنی پایداری خود را تنها با استفاده از وزن بتنی که در آن‌ها ریخته شده است تأمین می‌کنند، بنابراین حداقل‌سازی وزن آن‌ها و یا حداقل سازی حجم بتن مصرفی در آن‌ها هزینه‌های ناشی از ساخت سد را به‌طور قابل‌توجهی کاهش می‌دهد. هدف از این مطالعه، ارزیابی عملکرد سه الگوریتم فراکاوشی جست­و­جوی هارمونی، الگوریتم اجتماع ذرات و جامعه زنبور‌های عسل مصنوعی در یافتن مقطع بهینه سدهای بتنی وزنی می‌باشد. بدین منظور سد کوینا واقع در کشور هند به‌عنوان مطالعه موردی در نظر گرفته شد. برنامه‌نویسی در محیط متلب صورت گرفت و هر الگوریتم تحت قیود مقاومت در برابر لغزش، واژگونی و محدوده تنش‌های مجاز، شش بار برای این مسئله اجرا گردید که در نهایت، یک مقدار به‌عنوان جواب بهینه انتخاب شد. نتایج نشان دادند که گرچه هر سه الگوریتم‌ نسبت به حالت واقعی جواب بهینه‌تری می‌دهند، اما الگوریتم جست­و­جوی هارمونی نسبت به دو الگوریتم دیگر مطلوب‌ترین جواب را یافته است. در ادامه به منظور بررسی نقش عدم قطعیت­های موجود در طراحی مقطع سد، به طراحی مبتنی بر قابلیت اعتماد بر اساس روش شبیه­سازی مونت کارلو پرداخته شد. نتایج حاصل، ایمنی بالاتر در طراحی سد را نسبت به طراحی بهینه­ بدون اعمال قابلیت اعتماد نشان داد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Determination the optimal dimensions of concrete gravity dam by using metaheuristic algorithms (Comparison of algorithms)

نویسندگان [English]

  • Bahareh Pirzadeh 1
  • Jafar Jafari-asl 2
  • Ali Mohtashami 3
  • sima ohadi 4
1 Civil eng department, USB, Zahedan, Iran
2 department of civil engineering, university of sistan and baluchestan
3 University of Sistan and Baluchestan
4 Department of Civil Engineering, University of Sistsn and Baluchestan, Zahedan, Iran
چکیده [English]

Concrete gravity dams secure their stability by the weight of the concrete used in their structure. Therefore, minimizing their weight (the volume of concrete consumed in their body) can reduce the costs significantly. This study aims to evaluate the performance of three metaheuristic optimization algorithms: harmony search, particle swarm optimization, and artificial bee colony, to find the optimal cross-section size of the gravity dam. In this way, the Koyna dam located in India is considered a case study. The programming is applied in Matlab software. Each algorithm under the constraints of this problem (the sliding, overturning, and vertical tension on the body of the dam) is run 6 times. Finally, the lowest value was chosen as the optimal result. The results revealed that however all the algorithms have the optimal outputs than their real one but the optimum one is for the harmony search algorithm. To investigate the role of available uncertainties of dam cross-section, Monte Carlo simulation is engaged. The achieved results based on reliability show more safety of dam design.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Koyna gravity dam
  • optimization
  • Metaheuristic Algorithms
  • Reliability
  • Monte Carlo
علی نژاد، ب.، طلیعه، و. ۱۳۹۵. مقایسه کاربردی طراحی بهینه سدهای بتنی وزنی با استفاده از الگوریتم‌های فراکاوشی، دومین کنفرانس بین المللی یافته های نوین پژوهشی در مهندسی عمران، معماری و مدیریت شهری، تهران، کنفدراسیون بین المللی مخترعان جهان (IFIA)،  دانشگاه جامع علمی کاربردی.
غضنفری هاشمی، آ. بحرینی‌نژاد، ا. و محمد تقی احمدی. ۱۳۸۷، بهینه شکل سد وزنی توسط الگوریتم شبیه‌سازی بازپخت، چهاردهمین کنفرانس دانشجویان مهندسی عمران سراسر کشور، سمنان، دانشگاه سمنان.
ملازاده، م.، بارانی، غ. و رسولی، ا. ۱۳۸۶. بررسی شکل مقطع سدهای بتنی وزنی با استفاده از الگوریتم جامعه پرندگان، ششمین کنفرانس هیدرولیک ایران، شهرکرد، انجمن هیدرولیک ایران، دانشگاه شهرکرد.
 
Abedinia, O., Barazande, E.S. and Amjady, N., 2012. Solving optimal unit commitment problem based on wind power effects using harmony search algorithm. International Journal of Basic and Applied Science (IJBAS), 2(11):11764-11773.
Anon, 1976. Design of Gravity Dams, Colorado, United states department of the interior Bureau of reclamation (USBR). A water resources technical publication.
Baghlani, A., Sattari, M. and Makiabadi, M.H., 2014. Application of genetic programming in shape optimization of concrete gravity dams by metaheuristics. Cogent Engineering, 1(1):982348.
Calayir, Y. and Karaton, M., 2005. A continuum damage concrete model for earthquake analysis of concrete gravity dam–reservoir systems. Soil Dynamics and Earthquake Engineering, 25(11):857-869.
Chiti, H., Khatibinia, M., Akbarpour, A. and Naseri, H.R., 2016. Reliability–based design optimization of concrete gravity dams using subset simulation. International of journal of Optimization in Civil Engineering, 6(3): 329-348.
Deepika, R. and Suribabu, C.R., 2015. Optimal design of gravity dam using differential evolution algorithm. Iran University of Science & Technology, 5(3): 255-266.
Geem, Z.W., Kim, J.H. and Loganathan, G.V., 2002. Harmony search optimization: application to pipe network design. International Journal of Modelling and Simulation, 22(2):125-133.
Geem, Z.W., Tseng, C.L. and Park, Y., 2005, August. Harmony search for generalized orienteering problem: best touring in China. In International conference on natural computation.741-750.
Ghodousi, H. and Oskouhi, M., 2015. Determination of optimal dimensions of concrete gravity dams using LINGO11 nonlinear modeling. Journal of Civil Engineering and Urbanism, 5(2): 47-52.
Karaboga D., Bahriye, A., 2009 A Comparitive Study of Artificial Bee Colony Algorithm, Journal of Applied Mathematics and Computation, 2(14): 108-132.
Kennedy, J. and Eberhart, R., 1995, November. Particle swarm optimization. In Proceedings of ICNN'95-International Conference on Neural Networks, 4: 1942-1948.
Khatibinia, M. and Khosravi, S., 2014. A hybrid approach based on an improved gravitational search algorithm and orthogonal crossover for optimal shape design of concrete gravity dams. Applied Soft Computing, 16:223-233.
Khatibinia, M., Chiti, H., Akbarpour, A. and Naseri, H.R., 2016. Shape optimization of concrete gravity dams considering dam–water–foundation interaction and nonlinear effects. Iran University of Science & Technology, 6(1):115-134.
Li, F.A.N., Qie, S.B.Z., Wu, T.C.X. and Gao, F.D.P., 2011, May. A method based on PSO-RBF to the optimization of dam structure. In 2011 Chinese Control and Decision Conference. 1846-1850.
Salajegheh, J. and Khosravi, S., 2011. Optimal shape design of gravity dams based on a hybrid meta-heruristic method and weighted least squares support vector machine. Iran University of Science & Technology, 1(4): 609-632.
Salajegheh, J. Salajegheh, E. Khatibinia, M and Khosravi, S., 2012. A hybrid meta–heuristic method and weighted least squares support vector machine method for the optimal shape design of gravity dams. The Eleventh International Conference on Computational Structures Technology, Dubrovnik, Croatia.
Salmasi, F., 2011. Design of gravity dam by genetic algorithms. International Journal of Civil and Environmental Engineering, 3(3):187-192.
Stacey, A., Jancic, M. and Grundy, I., 2003, December. Particle swarm optimization with mutation. Congress on Evolutionary Computation. 2: 1425-1430.
Tan, F. and Lahmer, T., 2019. Shape design of arch dams under load uncertainties with robust optimization. Frontiers of Structural and Civil Engineering, 13(4): 852-862.
Vasebi, A., Fesanghary, M. and Bathaee, S.M.T., 2007. Combined heat and power economic dispatch by harmony search algorithm. International Journal of Electrical Power & Energy Systems, 29(10): 713-719.
Wang, Y.Q., Zhao, R.H., Liu, Y., Chen, Y.Z. and Ma, X.Y., 2019. Shape Optimization of Single-Curvature Arch Dam Based on Sequential Kriging-Genetic Algorithm. Applied Sciences, 9(20):4366.
Wu, X., Qie, Z., Zhou, Z. and Zhang, H., 2008. Application of improved PSO to optimization of gravity dam and sluice gate. 7th World Congress on Intelligent Control and Automation. 6178-6182.