همیشه انسان به دنبال دستیابی به بهترین گزینه و مسیر بوده و هست. مفهوم بهینه سازی از همین عبارت بسیار کوتاه نشات می گیرد. اینکه ما به دنبال بهینه ترین مسیر یا مناسب ترین گزینه در موضوعات مختلف زندگی هستیم. هدف از بهينه‌سازي يافتن بهترين جواب قابل قبول، با توجه به محدوديت‌ها و نيازهاي مسأله است. بگذارید کمی ساده تر بگویم. به عنوان مثال، هدف یک کشاورز افزایش سود اقتصادی حاصل از فروش محصولات (تابع هدف) با توجه به محدودیت هایی همچون سطح زیرکشت، مقدار منابع آب، تعداد نیروی انسانی، هزینه های داشت کاشت برداشت و … (محدودیت) می باشد. اینکه ما بتوانیم با توجه به محدودیت های موجود، فروش محصولات را حداکثر کنیم، یعنی به سمت بهینه کردن تابع هدفمان پیش می رویم. همین مسئله را در حوزه مدیریت منابع آب گسترش دهید.
بهینه سازی سامانه های منابع آب از جمله راه کارهای کاربردی در ارتقای وضعیت منابع آب موجود می باشد. اینکه بتوانیم با حداقل سازی منابع آب (تابع هدف) به افزایش سود قابل توجه در بخش کشاورزی برسیم، یعنی بهینه سازی کردیم (مفهوم ساده از بهینه سازی). در این نوشته می خواهیم بیشتر به مفاهیم اولیه بهینه سازی سامانه های منابع آب بپردازیم. قصدمان بر این است که در این سلسله درس ها، در ادامه به معرفی روش های بهینه سازی، چگونگی حل آنها با مثال های آبی و همچنین به تحلیل روش های نوین بهینه سازی بپردازیم. پس با ما تا اخر همراه باشید.
بهینه سازی سامانه های منابع آب چه زمانی مطرح می شود؟
به طور کلی بهینه سازی زمانی مطرح می شود که از بین منابع موجود (که می تواند مواردی مانند آب، زمین، منابع مالی، نیروی کار و … باشند) یک و یا تعدادی از آنها عامل محدود کننده توسعه باشند. واضح است که در صورت وجود فراوانی از نظر تمام منابع مود نیاز برای توسعه، اهمیت استفاده بهینه از منابع چندان مطرح نمی شود. بنابراین بهینه سازی اغلب زمانی مطرح می شود که با استفاده از یک یا چند منبع به طور آزادانه و بی دغدغه ممکن نباشد و یا انجام برداشت از یک مقدار خاص سبب بروز آسیب های جدی بر سامانه آبی و یا کاهش بازده اقتصادی طرح گردد. در کشور ما ایران، آب یک منبع محدود کننده توسعه، در برخی منطقه ها است. در بیشتر منطقه های ایران کمبود آب یک مشکل جدی بوده و استفاده بهینه از منابع آب مسئله مطرح ملی است. بنابراین استفاده از روش های بهینه سازی، راه کاری برای مدیریت بهتر منابع آب می باشد.
امّا یک مسئله بهینه سازی چگونه است؟
مسئله بهینه سازی زیر را در نظر بگیرید:
میخواهیم به یک شرکت مهندس مشاور جهت احداث و یا عدم احداث سد مشاوره دهیم. این شرکت مهندس مشاور بر روی 100 رودخانه پروژه گرفته است. میخواهد بداند که بر روی کدام رودخانه ها سد ساخته شود و یا نشود به شرطی که حداکثر سود اقتصادی، حداکثر ذخیره آب و … (چند تابع هدف) داشته باشد. وقتی همه این موارد را در نظر بگیریم یک مسئله بهینه سازی تعریف کردیم.
اما ما با چند انتخاب مواجه هستیم؟ به عبارت دیگر تعداد حالات انتخاب در این مسئله بهینه سازی این است که تصمیم بگیریم که بر روی کدام رودخانه سد احداث شود و یا نشود. اگر ما 100 تا رودخانه داشته باشیم، با 100 تا گزینه تصمیم گیری مواجه هستیم. که به اینها متغییرهای تصمیم می گویند.
اما جواب های این مسئله بهینه سازی به چه معنا است؟ یعنی نتیجه ای که بعد از اون تصمیم ها بدست می آید مثلاً مقدار حداکثر سود اقتصادی و یا مقدار حداکثر ذخیره آب و … که به اینها جواب های تابع هدف گویند. که اگر یک تابع هدف داشته باشیم، مسئله ما تک هدفه و اگر چند هدف داشته باشیم، چند هدفه خواهد بود.
مثال دیگری را در نظر بگیرید:
فرض کنید که مسئله طراحی قطر لوله های یک شبکه توزیع آب شهری مدنظر است. در این مثال یافتن مناسب ترین مقدارها برای قطر لوله های شبکه است به طوری که علاوه بر رعایت شدن محدودیت های هیدرولیکی، هزینه اجرای شبکه نیز کمینه شود. اگر شبکه ای را در نظر بگیریم که تنها دارای 20 لوله بوده و 10 قطر تجاری نیز برای آن در بازار موجود باشد، 1020 حالت یا انتخاب متفاوت برای طراحی این شبکه ممکن است.
سوال اینجاست که اگر این مسئله بهینه سازی را با سعی و خطا حل شود، چاره ای به غیر از جستجو در بین 1020 حالت طراحی مختلف وجود ندارد. در هر گام از این جستجو، علاوه بر محاسبه هزینه لوله های به کار رفته در ساخت شبکه، بررسی رعایت شدن محدودیت های هیدرولیکی شبکه نیز مورد نیاز است. بنابراین در صورتی که برای هر جستجو تنها یک ثانیه زمان انجام محاسبه ها در نظر گرفته شود، ارزیابی کلی حالت های ممکن و کسب اطمینان از یافتن پاسخ بهینه ممکن برای این مسئله بهینه سازی، چیزی در حدود چندین قرن زمان نیاز دارد. پس برای حل این مسئله بهینه سازی چه باید کرد؟ در جلسه بعد به شما خواهیم گفت.
در درس بعدی به شما خواهیم گفت که چگونه یک مسئله بهینه سازی سامانه های منابع آب را در عرض چند دقیقه حل کنید. خوشحال می شویم که تجربه ها و سوالات خودتون رو در بخش نظرات با ما به اشتراک بگذارید. نظرات شما انگیزه ای برای ادامه دادن این دروس است.
