توصيفگر ها :
تسطيح زمين , بهينه سازي , برنامه ريزي غيرخطي آميخته با اعداد صحيح , بهينه سازي ازدحام ذرات , حداقل سازي حجم خاك برداري و خاك ريزي
چكيده فارسي :
چكيده
تسطيح زمين يكي از فرآيندهاي حياتي در پروژههاي عمراني، كشاورزي، و جادهسازي است كه با بهبود زيرساختها، كاهش هزينههاي اجرايي، و افزايش بهرهوري همراه است. اين پژوهش باهدف توسعه الگويي بهينه براي تسطيح زمين، بهمنظور كمينهسازي حجم عمليات خاكبرداري و خاكريزي انجام ميشود. براي اين منظور، مدل رياضي مبتني بر برنامهريزي غيرخطي آميخته با اعداد صحيح طراحي ميشود كه با بهرهگيري از فرمولهاي غيرخطي، حجم عمليات خاكي را با دقت بالا محاسبه ميكند. اين مدل محدوديتهاي فني نظير شيبهاي مجاز، نسبت خاكبرداري به خاكريزي و ارتفاع نقاط كنترل را در نظر ميگيرد.
زمين موردمطالعه بهصورت شبكه مربعي (گريدبندي شده) مدلسازي ميشود و براي هر سلول شبكه، شش حالت تسطيح بر اساس تركيب خاكبرداري و خاكريزي در گوشههاي سلول تعريف ميگردد. مدل رياضي با استفاده از متغيرهاي باينري براي انتخاب حالت بهينه هر سلول و متغيرهاي پيوسته براي تعيين شيب و ارتفاع صفحه تسطيح به كمينهسازي مجموع حجم عمليات خاكي ميپردازد. به دليل غيرخطي و غيرمحدب بودن مدل، حل دقيق با نرمافزار گمس انجام ميشود. همچنين، روشهاي فراابتكاري بهينهسازي ازدحام ذرات و جستوجوي محلي براي يافتن جوابهاي نزديك به بهينه در زمان كمتر پيادهسازي ميشوند. الگوريتم بهينهسازي ازدحام ذرات با تنظيم وزن اينرسي و ضرايب يادگيري، سرعت و انعطافپذيري بالايي ارائه ميدهد، درحاليكه جستوجوي محلي با تعادل بين دقت و كارايي محاسباتي، براي مسائل بزرگتر مناسب است.
براي اعتبارسنجي، دادههاي واقعي از يك پروژه تسطيح اراضي استفاده ميشود و نتايج با روشهاي سنتي مانند رگرسيون دومتغيره و حداقل مربعات مقايسه ميگردد. نتايج نشان ميدهد كه گمس دقيقترين جوابها را با حجم كل 905.146 توليد ميكند، درحاليكه روشهاي بهينهسازي ازدحام ذرات و جستوجوي محلي به ترتيب حجمهاي 957 و 1021 را ارائه ميدهند.
نوآوري اين پژوهش در ادغام فرمولهاي شش حالت تسطيح در يك مدل غيرخطي آميخته با اعداد صحيح جامع و استفاده از متغيرهاي باينري براي مدلسازي حالتهاي تركيبي عمليات خاكي است كه نسبت به روشهاي خطي سنتي، انعطافپذيري بيشتري در تطبيق با توپوگرافيهاي پيچيده فراهم ميكند. تركيب حل دقيق گمس با روشهاي بهينهسازي ازدحام ذرات و جستوجوي محلي، امكان دستيابي به جوابهاي بهينه يا نزديك به بهينه را در زمان معقول فراهم ميكند.
نتايج پژوهش الگويي بهينه براي تسطيح زمين ارائه ميدهد كه ضمن رعايت محدوديتهاي فني، حجم عمليات خاكي را كاهش ميدهد و هزينهها، مصرف انرژي، و اثرات زيستمحيطي را كم ميكند. اين چارچوب براي مهندسان عمران، كشاورزي، و برنامهريزان شهري راهنمايي عملي است و باقابليت تعميم به پروژههاي مختلف، به بهينهسازي تسطيح اراضي كمك ميكند.
چكيده انگليسي :
Abstract
Land leveling, a critical process in civil engineering, agriculture, and road construction, enhances infrastructure development, reduces costs, and improves efficiency. This study aims to design an optimal land leveling pattern to minimize the volumes of cut and fill operations. A mixed-integer nonlinear programming (MINLP) model was developed, utilizing the nonlinear Shih and Kriz formulas to accurately compute earthwork volumes. The model incorporates technical constraints such as allowable slopes, cut-to-fill ratio, and control point elevations.
The land was modeled as a rectangular grid, with each cell assigned six leveling configurations based on cut and fill combinations at its corners. The MINLP model, employing binary variables to select optimal cell configurations and continuous variables to determine slopes and elevations of the leveling plane, minimizes total earthwork volume. Due to the model’s nonlinearity and non-convexity, exact solutions were obtained using GAMS with the BARON solver. Additionally, metaheuristic methods, including particle swarm optimization (PSO) and local search, were implemented to find near-optimal solutions efficiently. PSO, with tuned parameters (inertia weight and learning coefficients), offered high flexibility and speed, while local search balanced accuracy and computational efficiency, making it suitable for larger problems.
Validation was performed using real-world data from a land leveling project, with results compared against traditional methods like bivariate regression and least squares. GAMS yielded the most accurate results with a total volume of 905.146, followed by PSO (957) and local search (996).
The study’s innovation lies in integrating Shih and Kriz formulas into a comprehensive MINLP model, using binary variables to model complex cut-fill configurations, offering greater flexibility than traditional linear models. The combined use of GAMS, PSO, and local search ensures optimal or near-optimal solutions within reasonable computational time. The resulting optimal leveling pattern significantly reduces earthwork volumes, project costs, energy consumption, and environmental impacts, promoting sustainability. This framework serves as a practical guide for civil and agricultural engineers and urban planners, with broad applicability to diverse leveling projects.