مریم روحانی(دانشجوی دوره دکتری مهندسی عمران-آب)، چهاردهم تیرماه 1393 از پروژه دکتری خود با عنوان «نوآوری در کاربرد روش اتوماتای سلولی در طراحی بهینه شبکه های فاضلاب» دفاع می کند. 

چکیده این رساله که راهنمایی آن را دکتر محمدهادی افشار بر عهده دارند به شرح زیر است. این جلسه دفاعیه ساعت 9:30 در سالن کنفرانس شماره یک دانشکده مهندسی عمران برگزار می شود. 

شبکه‌های فاضلاب یکی از مهمترین سیستم‌ها در هر شهر و منطقه مسکونی محسوب می‌شوند و عدم وجود شبکه فاضلاب مناسب می‌تواند سبب مسائل زیست محیطی شود. از آنجایی که این شبکه‌ها بسیار پرهزینه هستند، هر گونه تلاش برای کاهش هزینه آنها می‌تواند صرفه‌جویی قابل ملاحظه‌ای را به همراه داشته باشد. به همین دلیل بسیاری از دانشمندان طراحی شبکه‌های فاضلاب را با استفاده از روش‌های مختلف بهینه‌سازی مانند برنامه‌ریزی غیرخطی، برنامه‌ریزی پویا و الگوریتم‌های فراکاووشی انجام دادند. اما روش برنامه‌ریزی غیرخطی در مسایل غیر‌محدب به جواب بهینه نمی‌رسد. روش برنامه‌ریزی پویا دارای محدودیت نفرین ابعادی است و الگوریتم‌های فراکاووشی نیز عموما زمان‌بر هستند. 

در این تحقیق از الگوریتم اتوماتای سلولی برای طراحی شبکه‌های فاضلاب استفاده شده است. این الگوریتم در ابتدای ظهور خود به عنوان شبیه‌ساز در علوم مختلف مورد استفاده قرار گرفته بود و اخیرا نیز به عنوان یک روش بهینه‌ساز مورد توجه قرار گرفته است. 

در این تحقیق قابلیت‌های موجود و کارایی و کارآمدی الگوریتم اتوماتای سلولی برای طراحی همزمان جانمایی و ابعاد شبکه‌های فاضلاب توسعه داده می‌شود. بدین منظور در ابتدا مسئله طراحی ابعاد شبکه فاضلاب با جانمایی ثابت شبکه و سپس طراحی همزمان جانمایی و ابعاد شبکه مد نظر قرار می‌گیرد. برای طراحی ابعاد شبکه فاضلاب با جانمایی ثابت شبکه روش اتوماتای سلولی دو‌مرحله‌ای (HCA) پیشنهاد می‌شود. روش HCA با در نظر گرفتن عمق گرهی و قطر لوله‌ها به عنوان متغیرهای تصمیم، فرآیند بهینه‌سازی را در دو مرحله انجام می‌دهد. با توجه به این‌که در این روش عمق گرهی به عنوان متغیر تصمیم در نظر گرفته شده است، مدل ارائه شده توانایی منظور کردن ایستگاه پمپاژ و یا آدمرو ریزشی را ندارد. برای رفع این محدودیت روش اتوماتای سلولی انعطاف‌پذیر (GCA) پیشنهاد می‌شود. در روش GCA عمق کارگذاری دو سر لوله‌ها به عنوان متغیر تصمیم در نظر گرفته می‌شود و فرآیند بهینه‌سازی در یک مرحله انجام می‌شود. در این روش فرآیند محاسبه عمق کارگذاری دو سر لوله‌ها با فرض نسبت پر‌شدگی حداکثر برای لوله‌ها صورت می‌گیرد و پس از آن قطر لوله‌ها به گونه‌ای تعیین می‌شود که کلیه قیود مسئله تامین گردد. با توجه به فرضیات محدود‌کننده در نظر گرفته شده در روش GCA، روش اتوماتای سلولی دو‌مرحله‌ای انعطاف‌پذیر (GHCA) برای رفع این محدویت پیشنهاد می‌شود. در این روش، با در نظر گرفتن عمق کارگذاری دو سر لوله‌ها و قطر لوله‌ها به عنوان متغیرهای تصمیم، فرآیند بهینه‌سازی در دو مرحله انجام می‌شود. در مرحله اول عمق کارگذاری دو سر لوله‌ها با فرض ثابت بودن قطر لوله‌ها محاسبه می‌شود و در مرحله دوم، قطر لوله‌ها با عمق‌های کارگذاری به دست آمده از مرحله اول محاسبه می‌شود و فرآیند تا رسیدن به همگرایی ادامه می‌یابد. اگرچه روش GHCA قابلیت طراحی همزمان جانمایی ایستگاه پمپاژ و ابعاد شبکه را به دلیل نوع متغیرهای تصمیم استفاده شده دارد اما ویژگی‌های اصلی روش از جمله کارایی و کارآمدی آن در صورت معلوم بودن جانمایی (محل) ایستگاه پمپاژ افزایش می‌یابد و لذا در ادامه این تحقیق از روش GHCA تنها برای طراحی ابعاد شبکه فاضلاب استفاده می‌شود و لازم است که جانمایی ایستگاه پمپاژ معلوم باشد. به این ترتیب با ترکیب الگوریتم‌های ژنتیک و اتوماتای سلولی دو‌مرحله‌ای انعطاف‌پذیر دو روش موثر و کارآمد برای طراحی بهینه جانمایی ایستگاه پمپاژ و ابعاد شبکه فاضلاب با جانمایی ثابت شبکه ارائه می‌شود. در روش اول، GA-GHCA1، محل ایستگاه‌های پمپاژ و هدهای مربوطه با استفاده از الگوریتم ژنتیک تعیین می‌شود و سایر مشخصات شبکه فاضلاب، قطر و عمق کارگذاری لوله‌ها، با استفاده از روش GHCA و بر اساس مشخصات ایستگاه‌های پمپاژ به دست آمده از الگوریتم ژنتیک محاسبه می‌شود، در حالی که در روش دوم، GA-GHCA2، تنها محل ایستگاه‌های پمپاژ با استفاده از الگوریتم ژنتیک به دست می‌آید و مشخصات شبکه فاضلاب شامل قطر و عمق کارگذاری لوله‌ها و هد ایستگاه‌های پمپاژ با استفاده از روش GHCA محاسبه می‌شود. 

با توجه به این که طراحی جانمایی و ابعاد شبکه فاضلاب مستقل از یکدیگر نیستند و برای طراحی جامع یک شبکه بایستی این دو بخش همزمان با یکدیگر منظور شوند، دو روش ترکیبی طراحی همزمان جانمایی و ابعاد شبکه فاضلاب با استفاده از الگوریتم‌های ژنتیک و جامعه مورچگان و ترکیب هر یک از آنها با الگوریتم اتوماتای سلولی دو‌مرحله‌ای انعطاف‌پذیر ارائه می‌شود. در روش اول، GA-GHCA، از الگوریتم ژنتیک دودویی به همراه مکانیزمی شهودی مبتنی بر قضاوت مهندسی برای به دست آوردن جانمایی شبکه استفاده می‌شود و ابعاد شبکه با استفاده از روش اتوماتای سلولی دو‌مرحله‌ای انعطاف‌پذیر تعیین می‌شود. در روش دوم، ACOA-GHCA، از الگوریتم جامعه مورچگان به همراه الگوریتم رشد و توسعه درختی برای ساختن جانمایی شبکه استفاده می‌شود و طراحی ابعاد شبکه فاضلاب با به کارگیری الگوریتم پیشنهادی اتوماتای سلولی دو‌مرحله‌ای انعطاف‌پذیر انجام می‌شود. الگوریتم رشد و توسعه درختی وظیفه هدایت مورچه‌ها را برای ساخت شبکه شاخه‌ای دارد که سبب بالا بردن کارایی الگوریتم جامعه مورچگان می‌شود. روش‌های پیشنهادی GA-GHCA و ACOA-GHCA برای حل مسئله طراحی بهینه همزمان جانمایی تصفیه‌خانه، شبکه و ابعاد شبکه فاضلاب توسعه داده می‌شود. 

در انتها عملکرد روش‌های پیشنهادی بر روی چند شبکه فاضلاب مورد بررسی قرار می‌گیرد. مقایسه نتایج حاصل با سایر روش‌ها بیانگر بالاتر بودن کارآمدی، کارایی و همچنین موثرتر بودن روش‌های پیشنهادی نسبت به سایر روش‌ها است. 

واژه‌های کلیدی: شبکه جمع‌آوری فاضلاب، الگوریتم اتوماتای سلولی، روش بهینه‌سازی، روش ترکیبی، طراحی همزمان جانمایی و ابعاد 

ایمیل دانشجو: mrohani@iust.ac.ir