ارزیابی توابع جریمه مختلف در بهینه‌سازی خط پروژه راه با استفاده از الگوریتم‌های بهینه‌سازی ازدحام ذرات شتابدار (APSO) و برخورد اجسام(CBO)

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانش آموخته کارشناسی ارشد، دانشکده مهندسی عمران و حمل و نقل، دانشگاه اصفهان، اصفهان، ایران

2 دانشیار، دانشکده مهندسی عمران، دانشگاه صنعتی سیرجان، سیرجان، ایران

چکیده

طراحی خط پروژه‌ای بهینه که کمترین هزینه عملیات خاکی را داشته باشد، می‌تواند در کاهش هزینه‌های اجرایی پروژه‌های راه‌سازی بسیار مؤثر باشد. در تحقیقات گذشته تابع هدف عموماً به‌صورت کمینه‌سازی مجموع قدر مطلق فاصله بین خط پروژه و خط زمین در نظر گرفته‌می‌شد و با توجه به پیچیدگی تعیین احجام عملیات خاکی توجه چندانی به حداقل نمودن حجم دقیق عملیات خاکی نشده است. همچنین برای مقابله با محدودیت‌ها صرفاً از تابع جریمه ساکن استفاده‌شده است که درصورت عدم براورده شدن یکی از محدودیت‌ها، ضریب نسبتاً بزرگی در تابع هدف ضرب و درنتیجه بسیاری از جمعیت‌های اولیه حذف می‌شوند و زمان همگرایی در تعیین جواب بهینه افزایش می-یابد. هدف این تحقیق مقایسه توابع جریمه مختلف برای بهینه‌سازی خط پروژه با استفاده از روش‌های بهینه‌سازی فراابتکاری است. برای این منظور، نخست مسئله بهینه‌سازی خط پروژه بر اساس تابع هدف و محدودیت‌های مسئله فرمول‌بندی شد و تابع هدف به‌صورت هزینه اجرای عملیات خاکریزی و خاکبرداری و محدودیت‌ها به‌صورت حداکثر و حداقل شیب طولی، حداقل ارتفاع پل، عدم‌تداخل قوس‌ها و حداقل طول قوس‌های قائم در نظر گرفته شد. برای بهینه‌سازی مسئله از دو الگوریتم ازدحام ذرات شتابدار (APSO) و بهینه‌سازی برخورد اجسام (CBO) استفاده شد. نتایج این تحقیق نشان داد که انتخاب تابع جریمه بر سرعت و همچنین جواب بهینه که همان حداقل‌سازی هزینه اجرای عملیات خاکی است، تأثیر می‌گذارد. این تحقیق همچنین نشان داد که تابع جریمه از نوع تبرید همراه با الگوریتم بهینه‌سازی برخورد اجسام می‌تواند به صورت موثر برای بهینه‌سازی خط پروژه بکار رود.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Valuating Different Penalty Functions for Optimization of Highway Vertical Alignment using Accelerated Particle Swarm Optimization (APSO) and Colliding Bodies Optimization (CBO) Algorithms

نویسندگان [English]

  • Nasrin Heidarabadizadeh 1
  • Ali Reza Ghanizadeh 2
1 MSc. Grad., Department of Civil Engineering, Isfahan University, Isfahan, Iran
2 Associate Professor, Department of Civil Engineering, Sirjan University of Technology, Sirjan, Iran
چکیده [English]

Design of vertical alignment with minimum earthwork cost can effectively reduce the construction costs of highways. In most past researches, the objective function has been considered as the sum of the absolute value of difference between the vertical alignment and the existing ground and due to the complexity of earthwork calculation, real costs of earthwork have been ignored. Also, to deal with constraints just the static penalty functions are employed. In case of static penalty functions, if one of the constraints is violated, a relatively large coefficient is multiplied by the objective function and as a result, many early populations are removed in the next iteration and the convergence time increases. This paper aims to compare different penalty functions for problem of vertical alignment optimization. To this end, station, elevation and vertical curve length in case of each point of vertical intersection (PVI) were considered as decision variables. The objective function was considered as earthwork cost and constraints were assumed as the maximum and minimum longitudinal slope, minimum elevation of compulsory points, and the minimum length of vertical curves. For solving of this optimization problem, the accelerated particle swarm optimization (APSO) and the colliding bodies optimization (CBO) algorithm were employed. The results illustrate that the selected penalty function greatly affects the convergence speed as well as the optimum solution (earthwork costs). This study also showed that the effective optimization of highway vertical alignment can be achieved using annealing penalty function and CBO algorithm.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Optimization of vertical alignment
  • earthwork volumes
  • constrained optimization
  • annealing penalty function
  • Colliding Bodies Optimization (CBO)

مراجع

-   Abbey, L. (1992)  “Highways”, Van Nostrand Reinhold, New York.
-   AUSTROADS Guide. (1993) "Rural road design “ , Guide to the geometric design of rural roads, AUSTROADS Publication AP-1/89, Sydney, Australia.
-   Bababeik, M. and Monajjem, M. S.  (2012) "Optimizing longitudinal alignment in railway with regard to construction and operating costs", Journal of transportation engineering, Vol. 138, No.18, pp.1388-1395.
-   Banks, J. H. (2002) “Introduction to transportation engineering”, New York:McGraw-Hill.
-   Carlson, S. E. and Shonkwiler, R. (1998) "Annealing a genetic algorithm over constraints “ , Systems, Man, and Cybernetics, 1998. 1998 IEEE International Conference on, IEEE.
-   Coello, C. A. C. (2002) "Theoretical and numerical constraint-handling techniques used with evolutionary algorithms: a survey of the state of the art “ , Computer Methods In Applied Mechanics and Engineering, Vol. 191, No.10,pp. 1245-1287.
-   Easa, S. M. (1988) "Selection of roadway grades that minimize earthwork cost using linear programming” , Transportation Research Part A: General, Vol.22, No.12, pp. 121-136.
-   Easa, S. M. (1999) "Optimum vertical curves for highway profiles “ , Journal Of Surveying Engineering, Vol. 125, No. 26, pp. 147-157.
-   Garber, N. J. and L. A. Hoel (2014)  “Traffic and highway engineering”, Cengage Learning.
-   Goktepe, A. B. and Lav, A. H.  (2003) "Method for balancing cut-fill and minimizing the amount of earthwork in the geometric design of highways", Journal of Transportation Engineering, Vol. 129, No. 14,pp. 564-571.
-   Goktepe, A. B. and Lav, A. H.  (2004) "Method for optimizing earthwork considering soil properties in the geometric design of Highways", Journal Of Surveying engineering, Vol. 130, No. 14, pp. 183-190.
-   Hare, W., Hossain, S., Lucet, Y. and Rahman F. (2014) "Models and strategies for efficiently determining an optimal vertical alignment of roads", Computers & Operations Research, Vol. 44, No. 56, pp. 161-173.
-   Homaifar, A., Lai, S.H.Y. and Qi, X. (1994) "Constrained optimization via genetic algorithms", Simulation, Vol. 62, pp. 242-253.
-   Joines, J. A. and. Houck, C. R (1994) "On the use of non-stationary penalty functions to solve nonlinear constrained optimization problems with GA's “ , Evolutionary Computation, 1994. IEEE World Congress on Computational Intelligence., Proceedings of the First IEEE Conference on, IEEE.
-   Kaveh, A. and Ilchi Ghazaan, M. (2014) "Computer codes for colliding bodies optimization and its enhanced version “ , Int J Optim Civil Eng. Vol 4, pp. 321-332.
-   Kaveh. A and Talatahari, S. (2010) "A novel heuristic optimization method: charged system search” , Acta Mech,Vol. 213, No, 16, pp. 267–89.
-   Kaveh, A. and Mahdavi,  V. (2014) "Colliding bodies optimization: a novel meta-heuristic method", Computers & Structures, Vol. 139, No. 38,pp. 18-27.
-   Kaveh, A. and Mahdavi, V. R. (2015) “Colliding bodies optimization: extensions and applications:, Springer.
-   Kennedy, J. and Eberhart, R. (1995) “PSO optimization”, Proc. IEEE Int. Conf. Neural Networks, IEEE Service Center, Piscataway, NJ.
-   Lee, Y. and J.-F. Cheng (2001) "Optimizing highway grades to minimize cost and maintain traffic speed." Journal of Transportation Engineering, Vol. 127, pp. 303-310.
-   Li, W., Pu.,H . (2017). "Mountain railway alignment optimization with bidirectional distance transform and genetic algorithm", Computer‐Aided Civil and Infrastructure Engineering, Vol. 32. No.8, pp. 691-709.
-   Michalewicz, Z. and Attia, N. (1994) "Evolutionary optimization of constrained problems “ , Proceedings of the 3rd Annual Conference On Evolutionary Programming, World Scientific Publishing, River Edge, NJ.
-   Papacostas, C. S. and Prevedouros, P. D.  (1993) “Transportation engineering and planning”, London: Prentice Hall.
-   Pu, H., Zhang, H., Li, W., Wang, L. and Xiong, J. (2017) "Concurrent Optimization of Railway Alignment and Station Locations in Mountains Terrain “ , 96th annual meeting of Transportation Research Board, Washington, USA.
-   Tat, C. W. and F. Tao (2003). "Using GIS and genetic algorithm in highway alignment optimization, Intelligent Transportation Systems, Proceedings. 2003 IEEE, IEEE.
-   Wang, W. , Lukas,  K. and Ji, Y. (2011) "Two-stage optimization of highway vertical alignment using genetic algorithms”, Computational Modeling and Simulation Group.
-   Yang, X.-S., Deb, S. and Fong S, editors. (2011) "Accelerated particle swarm optimization and support vector machine for business optimization and applications", Networked Digital Technologies. No. 47. pp. 53-66.
-   آیین­نامه طرح هندسی راه­ها ایران.، "نشریه شماره 415 “ ,، معاونت برنامه­ریزی و نظارت راهبردی رئیس‌جمهور، 1391.
فصلنامه مهندسی حمل و نقل
دوره 11، شماره 3 - شماره پیاپی 44
فروردین 1399
صفحه 697-717

فایل ها

سابقه مقاله

  • تاریخ دریافت: 10 اسفند 1396
  • تاریخ بازنگری: 15 مرداد 1397
  • تاریخ پذیرش: 16 مرداد 1397

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار