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Kopplung von Simulation und Optimierung

Kopplung von Simulation und Optimierung. Eine Vorstellung von BlueM.Opt. Felix Froehlich , Christoph Hübner Fachgebiet Ingenieurhydrologie und Wasserbewirtschaftung Institut für Wasserbau und Wasserwirtschaft Technische Universität Darmstadt http://www.ihwb.tu-darmstadt.de/

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Kopplung von Simulation und Optimierung

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  1. Kopplung von Simulation und Optimierung Eine 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

  2. Prinzip simulationsbasierter Optimierung Optimierungswerkzeug Simulationswerkzeug Modellparameter Optimierungsalgorithmus Modell Simulation Simulationsergebnisse 15. September 2009 | Felix Froehlich | Fachgebiet ihwb | Institut für Wasserbau und Wasserwirtschaft | TUD | http://www.ihwb.tu-darmstadt.de/ | 2

  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/ | 3

  4. Modularer Aufbau Zusätzliche Simulationsmodelle BlueM.Opt Optimierungsalgorithmen Werkzeuge 15. September 2009 | Felix Froehlich | Fachgebiet ihwb | Institut für Wasserbau und Wasserwirtschaft | TUD | http://www.ihwb.tu-darmstadt.de/ | 4

  5. Optimierungsalgorithmen BlueM.Opt Optimierungsalgorithmen 15. September 2009 | Felix Froehlich | Fachgebiet ihwb | Institut für Wasserbau und Wasserwirtschaft | TUD | http://www.ihwb.tu-darmstadt.de/ | 5

  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/ | 6

  7. Problemdefinition Einstellungen Integration von Optimierungsalgorithmen 15. September 2009 | Felix Froehlich | Fachgebiet ihwb | Institut für Wasserbau und Wasserwirtschaft | TUD | http://www.ihwb.tu-darmstadt.de/ | 7

  8. Simulationsmodelle Simulationsmodelle BlueM.Opt Optimierungsalgorithmen 15. September 2009 | Felix Froehlich | Fachgebiet ihwb | Institut für Wasserbau und Wasserwirtschaft | TUD | http://www.ihwb.tu-darmstadt.de/ | 8

  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/ | 9

  10. Mutterklasse → writeParameters()[Textdateien] .NET Wrapper → launchSim() [EXE / DLL] → readSimResults()[Werte / Zeitreihen] Integration von Simulationsmodellen • Möglichkeit paralleler Evaluierung (multithreading) .NET Fortran 15. September 2009 | Felix Froehlich | Fachgebiet ihwb | Institut für Wasserbau und Wasserwirtschaft | TUD | http://www.ihwb.tu-darmstadt.de/ | 10

  11. Zusätzliche Werkzeuge Zusätzliche Simulationsmodelle BlueM.Opt Optimierungsalgorithmen Werkzeuge 15. September 2009 | Felix Froehlich | Fachgebiet ihwb | Institut für Wasserbau und Wasserwirtschaft | TUD | http://www.ihwb.tu-darmstadt.de/ | 11

  12. Eingabedateien Definition 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/ | 12

  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/ | 13

  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/ | 14

  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/ | 15

  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/ | 16

  17. Vielen Dank! Felix Froehlich und das ihwb-Team, froehlich@ihwb.tu-darmstadt.dehttp://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

  18. Algorithmus: PES Anwendung: Testprobleme 15 Parameter, 2 Zielfunktionen(konvex, nicht stetig) 2 Parameter, 2 Zielfunktionen, 2 Randbedingungen 2 Parameter, 1 Zielfunktion 15. September 2009 | Felix Froehlich | Fachgebiet ihwb | Institut für Wasserbau und Wasserwirtschaft | TUD | http://www.ihwb.tu-darmstadt.de/ | 18

  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/ | 19

  20. Algorithmus: SensiPlotSensitivitätsanalyse 15. September 2009 | Felix Froehlich | Fachgebiet ihwb | Institut für Wasserbau und Wasserwirtschaft | TUD | http://www.ihwb.tu-darmstadt.de/ | 20

  21. Algorithmus: TSP Rundreiseproblem (Traveling Salesman) 15. September 2009 | Felix Froehlich | Fachgebiet ihwb | Institut für Wasserbau und Wasserwirtschaft | TUD | http://www.ihwb.tu-darmstadt.de/ | 21

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