Optimal design of groundwater remediation systems using a multi-objective fast harmony search algorithm
Optimal design of groundwater remediation systems using a multi-objective fast harmony search algorithm
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使用多目标快速和谐搜索算法优化地下水修复系统设计
DOI：
10.1007/s10040-012-0900-0
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发表时间：
2012-09
影响因子：
2.8
通讯作者：
Wu Jichun
中科院分区：
文献类型：
--
作者：
Luo Qiankun;Wu Jianfeng;Sun Xiaomin;Yang Yun;Wu Jichun
A new multi-objective optimization methodology is developed, whereby a multi-objective fast harmony search (MOFHS) is coupled with a groundwater flow and transport model to search for optimal design of groundwater remediation systems under general hydrogeological conditions. The MOFHS incorporates the niche technique into the previously improved fast harmony search and is enhanced by adding the Pareto solution set filter and an elite individual preservation strategy to guarantee uniformity and integrity of the Pareto front of multi-objective optimization problems. Also, the operation library of individual fitness is introduced to improve calculation speed. Moreover, the MOFHS is coupled with the commonly used flow and transport codes MODFLOW and MT3DMS, to search for optimal design of pump-and-treat systems, aiming at minimization of the remediation cost and minimization of the mass remaining in aquifers. Compared with three existing multi-objective optimization methods, including the improved niched Pareto genetic algorithm (INPGA), the non-dominated sorting genetic algorithm II (NSGAII), and the multi-objective harmony search (MOHS), the proposed methodology then demonstrated its applicability and efficiency through a two-dimensional hypothetical test problem and a three-dimensional field problem in Indiana (USA).RésuméUne nouvelle méthodologie d’optimisation multi-objectif est développée, où un algorithme multi-objectif de recherche rapide d’harmonie (AMORH) est couplé à un modèle d’écoulements souterrains et de transport afin de trouver la conception optimale de systèmes de remédiation des eaux souterraines dans des conditions hydrogéologiques générales. L’AMORH intègre la technique de «niche» dans l’algorithme précédent amélioré de recherche rapide d’harmonie et est amélioré en ajoutant une solution Pareto avec un ensemble de filtres et une stratégie de préservation spécifique optimale afin de garantir l’uniformité et l’intégrité du front de Pareto pour les problèmes d’optimisation multi-objectif. Aussi, la bibliothèque des fonctions d’adaptation (fitness) est introduite afin d’améliorer la vitesse de calcul. De plus, l’AMORH est couplé avec les codes utilisés communément pour les écoulements souterrains et le transport, MODFLOW et MT3DMS, afin de chercher la structure optimale de systèmes de pompage et de traitement, avec pour objectif de minimiser les coûts de remédiation ainsi que la masse restant dans les aquifères. La méthodologie proposée comparée à trois méthodes existantes d’optimisation multi-objectif comprenant l’algorithme génétique de Pareto amélioré, l’algorithme génétique II de tri non dominant et l’ AMORH, démontre son applicabilité et son efficacité pour un cas théorique hypothétique bidimensionnel et pour un problème réel tridimensionnel en Indiana (USA).ResumenSe desarrolla una nueva metodología de optimización multiobjetivo, mediante el cual una búsqueda multiobjetivo armónica rápida (MOFHS) se acopla con un modelo de flujo y transporte de agua subterránea para buscar un diseño óptimo de sistemas de remediación de agua subterránea bajo condiciones hidrogeológicas generales. El MOFHS incorpora una técnica de nicho dentro de la búsqueda armónica rápida mejorada previamente y es enriquecida por la adición de la solución del conjunto de filtros de Pareto y una estrategia de élite de preservación individual para garantizar la integridad y la uniformidad del frente de Pareto de los problemas de optimización de multiobjetivos. Además, se introduce la biblioteca de operación de ajuste individual para mejorar la velocidad de cálculo. Por otra parte, el MOFHS se acopla con los códigos comúnmente usados de transporte y flujo MODFLOW y MT3DMS, para buscar diseños óptimos de los sistemas de bombeo y tratamiento, apuntando a la minimización de los costos de remediación y la minimización de la masa remanente en el acuífero. Comparado con tres métodos de optimización multiobjetivos existentes, incluyendo el algoritmo genético mejorado de niched Pareto (INPGA), el algoritmo II no dominado por la clasificación genética (NSGAII), y la búsqueda armónica multiobjetivo (MOHS), la metodología propuesta demostró entonces su aplicabilidad y eficiencia a través de un problema hipotética de prueba bidimensional y un problema de campo tridimensional en Indiana (EEUU).摘要本文提出一种新的多目标快速和谐搜索算法(multi-objective fast harmony search, MOFHS),并将其与地下水流与溶质运移模型相耦合来优化设计场地条件下地下水修复系统的运行方案。MOFHS将小生境技术引入到改进和谐搜索算法中,采用Pareto解集过滤器和精英个体保留策略来增强Pareto解的全局性和最优性。个体适应值库的引入也提高了该算法的求解效率。同时,将MOFHS与常用的地下水流模拟软件MODFLOW和溶质运移模拟软件MT3DMS相耦合来优化地下水修复系统的两个目标函数:最小化污染治理成本和最小化含水层中的残余污染物。进一步将该方法应用于地下水污染抽出-处理系统的二维理想算例和美国印第安纳州的三维场地实例的优化设计实践。优化结果表明,与改进小生境Pareto排序遗传算法(improved niched Pareto genetic algorithm, INPGA),改进非劣分类遗传算法(non-dominated sorting genetic algorithm II, NSGAII),多目标和谐搜索算法 (multi-objective harmony search, MOHS)等相比,MOFHS具有更好的鲁棒性和更高的求解效率.ResumoDesenvolveu-se uma nova metodologia de otimização multiobjetivo em que um sistema de busca harmónica multiobjetivo rápida (MOFHS) é acoplado com um modelo de escoamento e de transporte de águas subterrâneas, visando encontrar uma solução ótima de sistemas de reabilitação de águas subterrâneas sob condições hidrogeológicas gerais do meio. O MOFHS incorpora a técnica de nicho na pesquisa harmónica rápida anteriormente aperfeiçoada, melhorando-a através da junção do filtro de solução Pareto e de uma estratégia de preservação de elite individual, para garantir a uniformidade e integridade dos problemas de otimização multiobjetivo Pareto. Além disso, a operação da aptidão individual é introduzida, para melhorar a velocidade de cálculo. Finalmente, o MOFHS é acoplado com os modelos de escoamento e de transporte MODFLOW e MT3DMS, comummente usados, para encontrar a melhor otimização de sistemas de bombagem e tratamento (pump-and-treat), visando minimizar os custos de reabilitação e minimizar o volume remanescente de massa de água poluída nos aquíferos. Comparando com os três métodos existentes de otimização multiobjetivos, incluindo o algoritmo genético de Pareto (INPGA), o não-dominado algoritmo II de triagem genética (NSGAII) e o sistema de busca harmónica multiobjetivo (MOHS), a metodologia proposta demonstrou sua aplicabilidade e eficiência, através da resolução de um problema de teste hipotético bidimensional e de um problema de campo tridimensional em Indiana (EUA).
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DOI：
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发表时间：
1999-12
期刊：
--
影响因子：
--
作者：
C. Zheng;Paul P. Wang
通讯作者：
C. Zheng;Paul P. Wang
影响因子：
7.3
作者：
S. Sivasubramani;K. Swarup
通讯作者：
S. Sivasubramani;K. Swarup
影响因子：
2.6
作者：
C. Zheng;P. Wang
通讯作者：
C. Zheng;P. Wang
影响因子：
5.4
作者：
C. Tiedeman;S. Gorelick
通讯作者：
C. Tiedeman;S. Gorelick
影响因子：
5.4
作者：
D. Dougherty;Robert A. Marryott
通讯作者：
D. Dougherty;Robert A. Marryott