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研究生:蔡威平
研究生(外文):Wei-Ping Tsai
論文名稱:應用遺傳演算法與參數優選於地下水最佳觀測
論文名稱(外文):Application of Genetic Algorithm and Parameter Optimization to the Groundwater Monitoring Network Design
指導教授:張良正張良正引用關係
指導教授(外文):Liang C. Chang
學位類別:碩士
校院名稱:國立交通大學
系所名稱:土木工程系
學門:工程學門
學類:土木工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:1999
畢業學年度:87
語文別:中文
論文頁數:90
中文關鍵詞:遺傳演算法地下水參數優選井網設計試驗設計
外文關鍵詞:Genetic AlgorithmgoundwaterParameter OptimizationMonitoring Network Designexperiment design
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本研究目的為應用遺傳演算法(Genetic Algorithm)結合試驗設計原理,發展一以二維地下水流模式參數檢定為目的之最佳井網設計模式。在本研究中,試驗設計部份採用D-Optimal準則,而D-Optimal之內涵,為求取使得估計參數變異數矩陣行列式值為最小之設計組合,即使得估計參數之可靠度為最大,文中所探討之最佳井網設計目標,經合理簡化後,表示為取樣點數量及位置的函數。任一組井網設計結果,乃使用遺傳演算法(Genetic Algorithm)進行近似全域的搜尋,而得在一定成本限制下使估計參數可靠度達到最大之觀測井網佈置。
本文之水流數值模式及參數檢定模式,乃採用美國地質調查局(U.S.G.S.)所發展之MODFLOW及MODFLOWP程式。MODFLOWP程式乃是將非線性迴歸理論與MODFLOW程式結合,藉以優選由MODFLOW所建立之地下水流模式中的參數,並且得到估計參數的敏感度矩陣。最後,本文自行設計一虛擬之區域地下水流系統,運用數值算例,測試本研究所設計之井網佈置最佳化系統的成果。
This research is to develop a groundwater monitoring network design model by integrating the Genetic Algorithms (GA) and experiment design theory. The goal of experiment design is to minimize the estimated parameters'' variance that can be expressed with the covariance matrix. Base on the D-Optimal criteria the algorithm seeks the number and locations of the sampling sites that minimize the determinant of the matrix, i.e., maximize the reliability of the estimated parameters. . This research apply the Genetic Algorithm, one of the global search algorithm, to search the optimal well locations, and the MODFLOWP developed by U.S.G.S. to implement the parameter optimization and compute the sensitivity matrix. The sensitivity matrix is then used to calculate the covariance matrix. Constrained by the available resources, the solution is the optimal network layout with the minimum parameter estimation covariance. At last, numerical examples are presented to demonstrate the results with the design system.
一、 諸論1
1.1研究動機及目的1
1.2獻回顧2
二、 模式定義與演算步驟6
2.1觀測井網設計模式定義6
2.2演算步驟9
三、 參數優選與共變異數矩陣12
3.1地下水水流數值模式12
3.2 MODFLOWP非線性迴歸優選模式16
3.3估計參數之共變異數矩陣18
四、 遺傳演算法之介紹21
4.1傳統搜尋法的介紹21
4.2遺傳演算法之概述23
4.3遺傳演算法的架構25
五、 遺傳演算法優選佈井模式的建立32
5.1編碼及解碼方式32
5.2模式流程說明34
5.3染色體適合度的衡量方法35
5.4模式收斂方式37
六、 數值算例39
七、 結論與建議64
八、 參考文獻67
附錄A、非線性迴歸參數優選模式70
A.1線性模式架構71
A.2最小二乘法推估73
A.3線性迴歸求最佳參數76
A.4非線性迴歸法79
A.5計算參數敏感度84
附錄B、模板理論及隱平行性質87
1. 林明杰,"遺傳演算法應用於擬三維地下水數值模式之參數優選" ,國立交通大學土木工程研究所碩士論文,(1998)。
2. 陳宏嘉,"遺傳演算法於地下水觀測井網規劃之應用" ,國立交通大學土木工程研究所碩士論文,(1998)。
3. 陳世弘,"二維地下水流系統污染傳輸模式參數檢定之最佳試驗設計" ,國立台灣大學土木工程研究所碩士論文 ( 1998 )。
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6. 邵長平,"非線性迴歸應用於大區域之地下水參數優選",國立交通大學土木工程研究所碩士論文,(1997)。
7. 左正民,"遺傳演算法於地層下限模式參數檢定之應用",國立交通大學土木工程研究所碩士論文,(1997)。
8. 許澤宇,"二維地下水流系統參數檢定之最佳試驗設計" ,國立台灣大學土木工程研究所碩士論文 ( 1997 )。
9. 陳莉,"以物件導向之遺傳演算法優選水庫運用規線之研究",國立台灣大學農業工程研究所博士論文,(1995)。
10. 鄭仁獄,"一維非穩定拘限含水層參數檢定問題之研究",國立台灣大學土木工程研究所碩士論文 ( 1995 )。
11. 張斐章、陳莉,"遺傳演算法於專家系統中參數優選之研究",農業工程學報,39卷2期,第1~12頁,(1993)。
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