التصميم الامثل لشبكات الصرف الصحي باستخدام الخوارزمية الجينية

رسالة ماجستير

اسم الباحث : صفاء صبري محمد مهدي

الكلية : كلية الهندسة

الاختصاص : هندسة البنى التحتية‏

سنة نشر البحث : 2017

تحميل الملف : اضغط هنا لتحميل البحث

     شبكات الصرف الصحي هي أحد العناصر الاساسية المهمة للبنى التحتية في المدن الحديثة التي تخدم المساكن المحلية، والمصانع، والمستشفيات والمدارس وغيرها من الأنشطة الحيوية من خلال التخلص من المياه العادمة غير المرغوب فيها ومنع تلوث البيئة المائية. وفي السنوات الأخيرة، ازداد عدد سكان العالم زيادة كبيرة بالتوازي مع الأنشطة التجارية والصناعية. وقد أدى ذلك إلى زيادة استهلاك المياه وما يترتب على ذلك من زيادات في كمية المياه المستعملة المنتجة، مما يعني أن هناك حاجة إلى إنشاء شبكات صرف صحي جديدة في العديد من المناطق.

     ويوضح هذا البحث تطبيق الخوارزمية الجينية (Genetic Algorithm) الهجينة مع البرمجة الارشادية (Heuristic Programming)، في التقنية ) GA-HP ( الجديدة من أجل إيجاد التصميم الأمثل لشبكات المجاري. والهدف من ذلك هو التقليل إلى أدنى حد من وظيفة تكلفة البناء، التي تتمثل في عمق الحفر وقطر الأنابيب. وقد استوفى نموذج (GA-HP) المقترح مهمة التصميم الأمثل في مرحلتين. أولا، تم تطبيق الخوارزمية الجينية ) GA ( للحصول على الأقطار اللازمة للتصميم الأولي للشبكة. ثانيا، استخدمت التصاميم الأولية للبرمجة الارشادية (Heuristic Programming) للحصول على المنحدر الأمثل لتلك الأقطار وتحديد خصائص أخرى مثل السرعة والعمق النسبي للمياه وأعماق الحفر والتكلفة الإجمالية للشبكة.

تم استخدام كود الماتلاب لتنفيذ نموذج الامثلية  (GA-HP ) . وقد اختبر نموذج  ( GA-HP )المقترح لتحديد تأثير سلوك التقارب للحل الامثل من خلال أداء ثمانية طرق مختلفة لاختيار الابوين و هي  RWS ) ، RRWS ، LRS ، ERS ، TRS ، SUS ، TOS ، RMS) ، وسبع طرق مختلفة لتزاوج للكروموسومات ( One-point ، N-point ، Uniform ، Flat Arithmetic ، Intermediate ، Shuffle )، ومختلف حجم السكان ( 50 ، 100 ، 200 ، 300 ، 400 ). وقد أثبتت طريقة اختيار البطولةTournament selection  وطريقة التزاوج ذات النقطة الواحدة ( One-point crossover)   أنها الأكثر فعالية فيما يتعلق بالتصميم الأمثل. يتم اختبار نموذج  (GA-HP) المقترح باستخدام بعض الامثلة القياسية لشبكات الصرف الصحي من خلال الدراسات السابقة وحالتين دراسية في مدينة كربلاء المقدسة. وأظهرت النتائج أن نموذج (GA-HP) متفوق على جميع الأساليب السابقة.

من أجل ضمان كفاءة نموذج  (GA-HP ) المقترح لتصميم الشبكات الكبيرة، تم فحصه مع حالتين دراسية تقعان في مدينة كربلاء المقدسة، ثم قارنت تكلفة التصاميم اليدوية مع التصاميم التي تم الحصول عليها من هذا النموذج للشبكات. وبلغت نسبة الادخار ( 28.1 ٪) و ( 28.45 ٪) للشبكات الصغيرة نسبياَ والكبيرة، على التوالي.

Optimal Design of Sewer Networks Using Genetic Algorithm

  Sewerage pipeline networks are one of the essential infrastructures in modern cities serving domestic housing, manufacturing plants, hospitals, schools and other vital utility activities by disposing unwanted wastewater and preventing contamination of the water environment. In recent years, the global population has increased significantly in parallel with commercial and industrial activities. This has led to an increase in water consumption and consequential increases in the quantity of the wastewater produced, meaning that there is a need to construct new sewer networks in various places.

    This research illustrates the application of a new hybrid Genetic Algorithm with Heuristic Programming (GA-HP) technique in order to find the optimal design for sewer networks. The objective was to minimize the construction cost function, which is represented by excavation depth and pipe diameter. The proposed GA-HP model has fulfilled the optimum design task into two stages. Firstly, the Genetic Algorithm (GA) was applied to obtain the diameters needed for the preliminary design of the network. Secondly, Heuristic Programming (HP) preliminary designs were used to obtain the optimal slope for those diameters and to determine other characteristics such as the velocity, relative depth of water, excavation depths and total cost of the network.

    A MATLAB code was used to perform the GA-HP optimization model. The performance of eight different selection methods (RWS, RRWS, LRS, ERS, TRS, SUS, TOS and RMS), seven different crossover methods (One-point, N-point, Uniform, Flat Arithmetic, Intermediate and Shuffle), and different population sizes (50,100, 200, 300 and 400), have been examined using the proposed model to determine their impact on convergence behaviour. Tournament Selection method (TOS) and the One-point Crossover method proved to be the most efficient in relation to the optimal design. The proposed GA-HP model is tested using some benchmark problems of sewer networks from the literature. The results show that the GA-HP model is superior to all previous methods.

     In order to ensure the efficiency of the proposed GA-HP model for the design of large networks, it was examined with two case studies located in Karbala Holy city, and compared the cost of the manual designs with the designs obtained from the present model for networks. The saving percentages were (28.1%) and (28.45%) for relatively small and large networks, respectively.