Ο αλγόριθμος αναζήτησης αρμονίας σε εφαρμογές διαχείρισης υδατικών πόρων

Abstract

Applying metaheuristic algorithms towards the optimum management of water resources is a common practice, which scientists follow during the last decades. In spite of the numerous optimization techniques that have been designed and evolved together with computer progress, the scientists are still seeking faster and more efficient metaheuristics.Harmony Search Algorithm (HSA), which comprises a modern optimization technique, will be analyzed here after a presentation of the scientific field of Optimization as well as the most important metaheuristic algorithms. HSA's structure and its main characteristics are presented along with logic diagrams and pseudo-codes. Calibration of HSA's parameters in appropriate test functions is implemented for both "classic" HSA and its variants.The following chapters present the solution - optimization of water resources management problems. Initially the optimum allocation of a group of wells over an under-pressure aquifer is encountered. Next, two large-scale reservoir systems are managed in an optimum way with the use of Harmony Search Algorithm. These systems are used for flood prevention, production of electricity, irrigation and environmental protection.Harmony Search Algorithm is also applied in multiobjective optimization problems. Along with Multiobjective-HSA, a novel, powerful variant is designed and presented. Polyphonic-HSA (Poly-HSA) is evaluated and calibrated in complex mathematic test-functions.Finally, a complex and demanding multiobjective application is solved. This application involves the optimum operation of a pumping station. As expected, Harmony Search Algorithm managed to locate the optimal Pareto-front, obtaining excellent results and converging to optimum solutions. In that way, it is proved that HSA is a robust tool towards the optimum management of Water Resources.

Η εφαρμογή των μεταευρετικών μεθόδων στη βέλτιστη διαχείριση υδατικών πόρων είναι μια πρακτική που ακολουθείται με επιτυχία εδώ και δεκαετίες. Παρά τα σημαντικά βήματα και τις αρκετές μεθόδους που έχουν σχεδιαστεί και αναπτυχθεί παράλληλα με την εξέλιξη των ηλεκτρονικών υπολογιστών, οι επιστήμονες εξακολουθούν να αναζητούν αποτελεσματικότερες και ταχύτερες μεθόδους.Μετά τη μελέτη της εξέλιξης του κλάδου της βελτιστοποίησης και των μεθόδων που έχουν παρουσιαστεί μέχρι πρόσφατα, αναλύεται μια σύγχρονη μέθοδος, ο Αλγόριθμος Αναζήτησης Αρμονίας (HSA). Παρουσιάζεται η δομή του, τα χαρακτηριστικά του, εφαρμογές που έχουν δημοσιευθεί και τα αντίστοιχα λογικά διαγράμματα και κώδικες. Ακολουθεί βαθμονόμηση των παραμέτρων του σε συναρτήσεις δοκιμής τόσο για τον «κλασικό» HSA, όσο και για τις παραλλαγές του.Στη συνέχεια παρουσιάζεται η επίλυση - βελτιστοποίηση προβλημάτων διαχείρισης υδατικών πόρων. Αρχικά αντιμετωπίζεται το πρόβλημα της βέλτιστης χωροθέτησης μιας συστοιχίας πηγαδιών άντλησης σε υπό-πίεση υδροφόρο στρώμα. Ακολουθεί η βέλτιστη διαχείριση δυο συστημάτων ταμιευτήρων που χρησιμοποιούνται για αντιπλημμυρική προστασία, παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας και παροχή αρδευτικού νερού. Εντοπίζονται οι λύσεις εκείνες που οδηγούν στη βέλτιστη λειτουργία των συστημάτων, ταυτόχρονα με την περιβαλλοντική προστασία.Ακολουθεί η επέκταση του HSA σε προβλήματα πολυκριτηριακής βελτιστοποίησης (multiobjective optimisation). Προτείνεται μια νέα, ισχυρή παραλλαγή, ο Πολυφωνικός HSA ο οποίος παρουσιάζεται αναλυτικά μαζί με τον Πολυκριτηριακό HSA. Ακολουθεί η αξιολόγηση και η βαθμονόμησή τους σε σύνθετα προβλήματα δοκιμής.Τέλος, παρουσιάζεται μια απαιτητική εφαρμογή πολυκριτηριακής βελτιστοποίησης ενός αντλιοστασίου. Όπως αναμενόταν, ο HSA παρείχε εξαιρετικά αποτελέσματα, αποδεικνύοντας ότι είναι ένα σημαντικό εργαλείο για τη βέλτιστη Διαχείριση Υδατικών Πόρων.