Phương Pháp Tối Ưu Không Dựa Vào Đạo Hàm Bằng Phương Pháp Lagrangian Tăng Cường: Giảm Chi Phí Trong Mô Hình Hệ Thống Bùn Hoạt Tính Đơn Giản

Springer Science and Business Media LLC - Tập 14 - Trang 35-53 - 2014
Isabel Espirito Santo1, Roman Denysiuk1, Edite M.G.P. Fernandes1
1Algoritmi Research Centre, University of Minho, Campus de Gualtar, Braga, Portugal

Tóm tắt

Bài báo này trình bày một phương pháp tìm kiếm các giá trị tối ưu của các biến quyết định từ một mô hình toán học đơn giản hóa hiệu quả của hệ thống bùn hoạt tính. Công trình được trình bày ở đây xuất phát từ bối cảnh thiết kế nhà máy xử lý nước thải, nơi mà chi phí đầu tư và chi phí vận hành cần được tối thiểu hóa và nỗ lực tính toán cần được giảm thiểu. Để đạt được thiết kế tốt nhất, một phương pháp giải tối ưu phi tuyến dựa trên cách tiếp cận Lagrangian tăng cường được đề xuất. Tại mỗi lần lặp, một bài toán con được giải toàn cục bằng một kỹ thuật phân nhánh đệ quy không dựa vào đạo hàm, được biết đến với tên gọi thuật toán tìm kiếm tọa độ đa cấp của Huyer và Neumaier. Kỹ thuật được trình bày đã cho thấy hoạt động khá tốt khi giải bài toán tối ưu có ràng buộc phi lồi và không trơn trợt được đề xuất ở đây. Các kết quả số cho thấy sự tin cậy của các giải pháp thu được với chi phí tính toán giảm.

Từ khóa

#tối ưu hóa #bùn hoạt tính #phương pháp Lagrangian #chi phí đầu tư #nhà máy xử lý nước thải

Tài liệu tham khảo

Abramson, M.A., Audet, C., Dennis Jr. J.E.: Filter pattern search algorithms for mixed variable constrained optimization problems. SIAM J. Optimiz. 11, 573–594 (2004) Afonso, P.N.C.M.: Modelação matemática de reactores biológicos no tratamento terciário de efluentes. Ph.D. Thesis (in portuguese), Universidade do Porto (2001) Alex, J., Benedetti, L., Copp, J., Gernaey, K., Jeppsson, U., Nopens, I., Pons, M., Rosen, C., Steyer, J., Vanrolleghem, P.: Benchmark simulation model no. 1 (BSM1). Technical Report, IWA Taskgroup pn Benchmarking of Control Strategies for WWTPs (2008) Andreani, R., Birgin, E.G., Martinez, J.M., Schuverdt, M.L.: On augmented Lagrangian methods with general lower-level constraints. SIAM J. Optimiz. 18, 1286–1309 (2007) Audet, C., Dennis Jr. J.E.: A pattern search filter method for nonlinear programming without derivatives. SIAM J. Optimiz. 14, 980–1010 (2004) Bartholomew-Biggs, M.: Nonlinear Optimization with Engineering Applications. Springer (2008) Bertsekas, D.: Constrained optimization and Lagrange multiplier methods. Athena Scientific, Belmont (1996) Clara, N.: Neural networks complemented with genetic algorithms and fuzzy systems for predicting nitrogenous effluent variables in wastewater treatment plants. WSEAS Trans. Syst. 7, 695–705 (2008) Conn, A.R., Gould, N.I.M., Toint, Ph.L.: A globally convergent augmented Lagrangian algorithm for optimization with general constraints and simple bounds. SIAM J. Numer. Anal. 28, 545–572 (1991) Elias, A., Ibarra, G., Ormazabal, J., Murgia, I., Zugazti, P.: ADM: A model for water treatment in an anaerobic biological reactor. In: Brebbia, C.A. (ed.) Development and Application of Computer Techniques to Environmental Studies VI, Wessex Institute of Technology, United Kingdom & P. Zannetti, Failure Analysis Associates Inc, California (1996) Ekama, G.A., Barnard, J.L., Günthert, F.W., Krebs, P., McCrquodale, J.A., Parker, D.S., Wahlberg, E.J.: Secondary settling tanks: Theory, modelling, design and operation, Technical Report No. 6, IAWQ - International Association on Water Quality (1997) Espírito Santo, I.A.C.P., Fernandes, E.M.G.P.: Simplified model for the activated sludge system: WWTP cost minimization via an augmented Lagrangian pattern search method. In: Simos, T.E., Psihoyios, G., Tsitouras, Ch. (eds.) Numerical Analysis and Applied Mathematics: ICNAAM 2010, AIP Conference Proceedings ISBN: 978-0-7354-0834-0, Vol. 1281 pp. 971-974 (2010) Espírito Santo, I.A.C.P., Fernandes, E.M.G.P., Araújo, M.M., Ferreira, E.C.: On the secondary settler models robustness by simulation. WSEAS Trans. Inf. Sci. Appl. 12, 2323–2330 (2006) Espírito Santo, I.A.C.P., Fernandes, E.M.G.P., Araújo, M.M., Ferreira, E.C.: An augmented Lagrangian pattern search method for optimal WWTP designs. In: Proceedings of the ICOSSSE ’07, pp. 313–318 (2007) Güçlü, D., Dursum, Ş.: Artificial neural networks modelling of a large-scale wastewater treatment plant operation. Bioproc. Biosyst. Eng. 33, 1051–1058 (2010) Hakanen, J., Miettinen, K., Sahlstedt, K.: Wastewater treatment: New insight provided by interactive multiobjective optimization. Decis. Support Syst. 51, 328–337 (2011) Henze, M., Grady, C.P.L., Gujer, W., Marais, G.V.R., Matsuo, T.: Activated Sludge Model No. 1. Scientific and Technical Report, Vol. 1. IWA Publishing, London (1987) Henze, M., Gujer, W., Mino, T., Van Loosdrecht, M.C.M.: Activated Sludge Models: ASM1, ASM2, ASM2d and ASM3. Scientific and Technical Report, Vol. 9. IWA Publishing, London (2000) Hooke, R., Jeeves, T.A.: Direct search solution of numerical and statistical problems. J. Assoc. Comput. 8, 212–229 (1961) Huyer, W., Neumaier, A.: Global optimization by multilevel coordinate search. J. Glob. Optim. 14, 331–355 (1999) Hydromantis, Inc., Canada, GPS-X V4.1 (2002). http://www.hydromantis.com Jones, D.R., Perttunen, C.D., Stuckman, B.E.: Lipschitzian optimization without the Lipschitz constant. J. Optimiz. Theory App. 79, 157–181 (1993) Kolda, T.G., Lewis, R.M., Torczon, V.: Optimization by direct search: new perspectives on some classical and modern methods. SIAM Rev. 45, 385–482 (2003) Kolda, T.G., Lewis, R.M., Torczon, V.: Stationarity results for generating set search for linearly constrained optimization. SIAM J. Optimiz. 17, 943–968 (2006) Lewis, R.M., Torczon, V.: Pattern search algorithms for bound constrained minimization. SIAM J. Optimiz. 9, 1082–1099 (1999) Lewis, R.M., Torczon, V.: A globally convergent augmented Lagrangian pattern search algorithm for optimization with general constraints and simple bounds. SIAM J. Optimiz. 12, 1075–1089 (2002) Luo, H., Sun, X., Wu, H.: Convergence properties of augmented Lagrangian methods for constrained global optimization. Optim. Method. Softw. 23, 763–778 (2008) Luo, J.: Biegler, L.T.: Dynamic optimization of aeration operations for a benchmark wastewater treatment plant. 18th IFAC Word Congr., 14189–14194 (2011) Neumaier, A.: MINQ - General Definite and Bound Constrained Indefinite Quadratic Programming. WWW-Document (1998). http://www.mat.univie.ac.at/neum/software/minq/ Otterpohl, R., Rolfs, T., Londong, J.: Optimizing operation of wastewater treatment plants by offline and online computer simulation. Water Sci. Technol 30, 165–174 (1994) Seco, A., Serralta, J., Ferrer, J.: Biological nutrient removal model no.1 (BNMR1). Water Sci. Technol 50, 69–78 (2004) Takȧcs, I., Patry, G.G., Nolasco, D.: A dynamic model of the clarification-thickening process. Water Res. 25, 1263–1271 (1991) Torczon, V.: On the convergence of pattern search algorithms. SIAM J. Optimiz. 7, 1–25 (1997) Tyteca, D., Smeers, Y., Nyns, E.J.: Mathematical modeling and economic optimization of wastewater treatment plants. Crit. Rev. Env. Contr. 8, 1–89 (1977) Zhang, X., Zhao, D., Wang, Z., Wu, B., Li, W., Cheng, S.P.: Environmental biological model based optimization of activated sludge process. Int. J. Environ. Sci. Te. 6, 69–76 (2009)