Kopplung von Simulation und Optimierung Eine Vorstellung von BlueM.Opt Felix Froehlich, Christoph...
-
Upload
adeltrudis-radle -
Category
Documents
-
view
110 -
download
1
Transcript of Kopplung von Simulation und Optimierung Eine Vorstellung von BlueM.Opt Felix Froehlich, Christoph...
Kopplung von Simulation und OptimierungEine Vorstellung von BlueM.Opt
Felix Froehlich, Christoph Hübner
Fachgebiet Ingenieurhydrologie und Wasserbewirtschaftung Institut für Wasserbau und Wasserwirtschaft Technische Universität Darmstadthttp://www.ihwb.tu-darmstadt.de/
1. Darmstädter Ingenieurkongress, 14.-15.09.2009 - Darmstadt
15. September 2009 | Felix Froehlich | Fachgebiet ihwb | Institut für Wasserbau und Wasserwirtschaft | TUD | http://www.ihwb.tu-darmstadt.de/ | 2
Prinzip simulationsbasierter Optimierung
OptimierungsalgorithmusOptimierungsalgorithmusModellModell
Optimierungswerkzeug Simulationswerkzeug
Simulationsergebnisse
Sim
ulation
Modellparameter
15. September 2009 | Felix Froehlich | Fachgebiet ihwb | Institut für Wasserbau und Wasserwirtschaft | TUD | http://www.ihwb.tu-darmstadt.de/ | 3
Problembeschreibung
Kein einzelnes Modell/Simulationswerkzeug kann alle Anwendungsgebiete abdecken
Kein einzelner Optimierungsalgorithmus ist für alle Problemstellungen geeignet
→ Entwicklung eines generischen Optimierungssystems für die problemgetriebene Kopplung von geeigneten Modellen und Optimierungsalgorithmen
15. September 2009 | Felix Froehlich | Fachgebiet ihwb | Institut für Wasserbau und Wasserwirtschaft | TUD | http://www.ihwb.tu-darmstadt.de/ | 4
Modularer Aufbau
Sim
ulatio
nsm
od
elle
Zusätzliche
Werkzeuge
BlueM.Opt
Op
tim
ieru
ng
salg
ori
thm
en
15. September 2009 | Felix Froehlich | Fachgebiet ihwb | Institut für Wasserbau und Wasserwirtschaft | TUD | http://www.ihwb.tu-darmstadt.de/ | 5
Optimierungsalgorithmen
BlueM.Opt
Op
tim
ieru
ng
salg
ori
thm
en
15. September 2009 | Felix Froehlich | Fachgebiet ihwb | Institut für Wasserbau und Wasserwirtschaft | TUD | http://www.ihwb.tu-darmstadt.de/ | 6
Integrierte Algorithmen
PES: Parametric Evolution Strategy (Muschalla, 2006 und Hübner, 2003) CES: Combinatorial Evolution Strategy (Hübner, 2008) HYBRID: Kombination von PES and CES (Hübner, 2008)
Hooke & Jeeves: Gradientenverfahren (Hooke & Jeeves, 1961) MetaEvo: Sequentielle Nutzung globaler und lokaler Verfahren (Kerber, 2008)
DDS: Dynamically Dimensioned Search (Tolson & Shoemaker, 2007)
TSP: Traveling Salesman Problem SensiPlot: Sensitivitätsanalyse …
15. September 2009 | Felix Froehlich | Fachgebiet ihwb | Institut für Wasserbau und Wasserwirtschaft | TUD | http://www.ihwb.tu-darmstadt.de/ | 7
Integration von Optimierungsalgorithmen
BlueM.Opt
Hooke-Jeeves
Controller
MOES DDS SensiPlot ...
BlueM.Opt
ProblemdefinitionEinstellungen
15. September 2009 | Felix Froehlich | Fachgebiet ihwb | Institut für Wasserbau und Wasserwirtschaft | TUD | http://www.ihwb.tu-darmstadt.de/ | 8
Simulationsmodelle
Sim
ulatio
nsm
od
elle
BlueM.Opt
Op
tim
ieru
ng
salg
ori
thm
en
15. September 2009 | Felix Froehlich | Fachgebiet ihwb | Institut für Wasserbau und Wasserwirtschaft | TUD | http://www.ihwb.tu-darmstadt.de/ | 9
Integrierte Simulationsmodelle
BlueM.Sim: Hydrologisches Flussgebietsmodell SMUSI: Schmutzfrachtsimulationsmodell SWMM: Storm Water Management Model …
Interne Anwendungen: Testprobleme: Mathematische Optimierungsprobleme
Traveling Salesman: Rundreiseproblem …
15. September 2009 | Felix Froehlich | Fachgebiet ihwb | Institut für Wasserbau und Wasserwirtschaft | TUD | http://www.ihwb.tu-darmstadt.de/ | 10
BlueM.Opt
Sim
BlueM.Opt
BlueM.DLLAdapter
BlueM.Sim.DLL
1xn
1x1
SMUSI.DLLAdapter
SMUSI.DLL
1xn
1x1
BlueM.Sim SMUSI SWMM ...
Integration von Simulationsmodellen
Fortran
.NET
.NET Wrapper → launchSim()
[EXE / DLL]→ readSimResults()
[Werte / Zeitreihen]
Mutterklasse → writeParameters()
[Textdateien]
Möglichkeit paralleler Evaluierung (multithreading)
15. September 2009 | Felix Froehlich | Fachgebiet ihwb | Institut für Wasserbau und Wasserwirtschaft | TUD | http://www.ihwb.tu-darmstadt.de/ | 11
Zusätzliche Werkzeuge
Sim
ulatio
nsm
od
elle
Zusätzliche
Werkzeuge
BlueM.Opt
Op
tim
ieru
ng
salg
ori
thm
en
15. September 2009 | Felix Froehlich | Fachgebiet ihwb | Institut für Wasserbau und Wasserwirtschaft | TUD | http://www.ihwb.tu-darmstadt.de/ | 12
EingabedateienDefinition des Optimierungsproblems
Eingabe über Textdateien Unabhängig von Simulationsmodell
oder Algorithmus
15. September 2009 | Felix Froehlich | Fachgebiet ihwb | Institut für Wasserbau und Wasserwirtschaft | TUD | http://www.ihwb.tu-darmstadt.de/ | 13
Zusätzliche WerkzeugeGrafische Benutzeroberfläche
Optimierungen starten, stoppen, … Einstellungen bearbeiten, laden, … Überwachung des
Optimierungsfortschritts
15. September 2009 | Felix Froehlich | Fachgebiet ihwb | Institut für Wasserbau und Wasserwirtschaft | TUD | http://www.ihwb.tu-darmstadt.de/ | 14
Zusätzliche WerkzeugeAnalysemöglichkeiten
Datenbank von Lösungen Lösungsauswahl / -vergleich Ganglinienanzeige Scatterplot Matrix
15. September 2009 | Felix Froehlich | Fachgebiet ihwb | Institut für Wasserbau und Wasserwirtschaft | TUD | http://www.ihwb.tu-darmstadt.de/ | 15
Anwendungsgebiete
Wassergüteorientierte Optimierung urbaner Entwässerungssysteme Optimierung der regelbasierten Steuerung urbaner
Entwässerungssysteme Mono- und multikriterielle Autokalibrierung von N-A- und
Kanalnetzmodellen (Quantität und Qualität) Optimierung von Speicherbetriebsregeln hinsichtlich Ökologie,
Wasserversorgung, Wasserkrafterzeugung und Hochwasserschutz Optimierung von Hochwasserschutzstrategien hinsichtlich Platzierung,
Typ und Retentionsvermögen von Maßnahmen …
15. September 2009 | Felix Froehlich | Fachgebiet ihwb | Institut für Wasserbau und Wasserwirtschaft | TUD | http://www.ihwb.tu-darmstadt.de/ | 16
Verfügbarkeit
Lauffähige Version Freier Download
Quellcode Für Forschungszwecke nach Absprache und Vereinbarung
http://www.ihwb.tu-darmstadt.de/bluem/
15. September 2009 | Felix Froehlich | Fachgebiet ihwb | Institut für Wasserbau und Wasserwirtschaft | TUD | http://www.ihwb.tu-darmstadt.de/ | 17
Vielen Dank!
Felix Froehlich und das ihwb-Team, [email protected]://www.ihwb.tu-darmstadt.de/bluem/
15. September 2009 | Felix Froehlich | Fachgebiet ihwb | Institut für Wasserbau und Wasserwirtschaft | TUD | http://www.ihwb.tu-darmstadt.de/ | 18
Algorithmus: PESAnwendung: Testprobleme
2 Parameter,1 Zielfunktion
15 Parameter,2 Zielfunktionen
(konvex, nicht stetig)
2 Parameter,2 Zielfunktionen,
2 Randbedingungen
15. September 2009 | Felix Froehlich | Fachgebiet ihwb | Institut für Wasserbau und Wasserwirtschaft | TUD | http://www.ihwb.tu-darmstadt.de/ | 19
Algorithmus: HYBRID (PES + CES)Anwendung: BlueM.Sim
Optimierung von Hochwasserschutzstrategien hinsichtlich Platzierung, Typ und Retentionsvermögen von Maßnahmen
Jede Farbe entspricht einer anderen Kombination von Maßnahmen
15. September 2009 | Felix Froehlich | Fachgebiet ihwb | Institut für Wasserbau und Wasserwirtschaft | TUD | http://www.ihwb.tu-darmstadt.de/ | 20
Algorithmus: SensiPlotSensitivitätsanalyse
15. September 2009 | Felix Froehlich | Fachgebiet ihwb | Institut für Wasserbau und Wasserwirtschaft | TUD | http://www.ihwb.tu-darmstadt.de/ | 21
Algorithmus: TSP
Rundreiseproblem (Traveling Salesman)