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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:陳信華
研究生(外文):Hsin -Hua Chen
論文名稱:應用遺傳演算法與試驗設計原則於地下水觀測井網設計
論文名稱(外文):Application of Genetic Algorithm and Experimental Design on Designing a Groundwater Monitoring Network
指導教授:張良正張良正引用關係
指導教授(外文):Liang -Cheng 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:2002
畢業學年度:90
語文別:中文
論文頁數:130
中文關鍵詞:遺傳演算法參數優選井網設計試驗設計
外文關鍵詞:Genetic AlgorithmParameter OptimizationMonitoring Network DesignExperimental Design
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本研究目的為應用遺傳演算法(Genetic Algorithm)結合試驗設計原則,發展地下水觀測井網設計模式。在本研究中,試驗設計部份採用D-Optimal準則,而D-Optimal之內涵,乃求取得估計參數變異數矩陣行列式值為最小。本研究除了根據試驗設計原則架構出井網設計的一般化表示式外,並將此一般化問題簡化成觀測井網設計、抽水井網設計、觀測頻率設計及參數分區型式設計等四類問題。再以遺傳演算法(Genetic Algorithm)進行近似全域搜尋,求得在一定成本限制下使估計參數可靠度達到最大之設計。本文之地下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UCODE程式。UCODE程式乃是應用非線性迴歸理論與地下水流模式結合,本文藉以優選由MODFLOW所建立之地下水流模式中的參數,並得到估計參數的敏感度矩陣。本研究針對四類問題,以各種簡化案例進一步探討,研究成果顯示計算參數對水位的敏感度--傑可比矩陣(Jacobian Matrix),對最佳井網設計有顯著地影響,由於該矩陣乃由模擬模式求得,因此模式的最佳設計確能反應出系統的物理條件。由頻率設計結果顯示,系統誤差將會干擾敏感度資訊,使得在不同位置對應之條件下(邊界、外力、…),應有不同觀測頻率的現象無法突顯。另外,分區設計在參數維度龐大時,不易收歛至最佳解(還原真實分區),若能適度降低維度,可改善不易收歛至最佳解之情形。
This study presents a novel groundwater network design model by integrating the Genetic Algorithms (GA) and experimental design theory. The experimental design attempts to minimize the estimated parameters’ variance that can be represented by the determinant of covariance matrix (D-optimal Criteria). Based on the D-Optimal criteria, this study also develops a general formulation based on the optimal groundwater network design problem. The general problem is then classified into three classes of network design problems; a monitoring network designing problem, a pumping network design problem and a frequency design problem. The Genetic Algorithm seeks to obtain a network design or monitoring frequency that minimizes the determinant of the covariance matrix, i.e., maximizes the reliability of the estimated parameters. Additionally, the UCODE developed by U.S.G.S. is used to implement the parameter optimization and compute the sensitivity matrix. The sensitivity matrix is then used to calculate the covariance matrix. Focusing on the three classes of problems, several numerical examples are presented to investigate the mechanism affecting the optimal design system. Numerical results indicate that the sensitivity of the hydraulic head (the Jacobian matrix), which is computed by the simulation model, plays an important role in selecting the optimal network design. Its importance implies that the algorithm can accurately reflect the physical configuration of the problem when designing an optimal network. Regarding the frequency design problem, the system error can disturb the information associated with the Jacobian matrix and uniformized spatially the monitoring frequency.
中文摘要………………………………………………………………….i
英文摘要…………………………………………………………………ii
謝誌……………………………………………………………………...iii
章節目錄………………………………………………………………...iv
表目錄……………………………………………………………...……vi
圖目錄…………………………………………………………………..vii
一、緒論…………………………………………………………………1
 1.1 緣起與目的……………………………………………………...1
 1.2 文獻回顧………………………………………………………...2
二、模式基本定義與演算步驟…………………………………………6
 2.1 模式定義………………………………………………………...6
 2.2 模式之演算流程……………………………………………….16
三、參數檢定與共變異數矩陣…………………………………………19
 3.1 地下水流數值模式…………………………………………….19
3.2 非線性迴歸優選模式………………………………………….24
 3.3 估計參數之共變異數矩陣…………………………………….26
四、遺傳演算法最佳井網設計模式建立……………………………..28
 4.1 傳統搜尋法與遺傳演算法之簡介…………………………….28
 4.2 遺傳演算法之架構…………………………………………….31
 4.3 編碼及解碼方式……………………………………………….38
 4.4 遺傳演算法流程說明………………………………………….41
 4.5 染色體適合度之衡量方式…………………………………….42
 4.6 模式收歛方式………………………………………………….44
五、數值算例…………………………………………………………..45
 5.1 觀測井網設計………………………………………………….45
 5.2 抽水井網設計………………………………………………….74
 5.3 觀測頻率設計………………………………………………….80
 5.4 參數分區設計……………………………………………….…84
六、結論與建議…………………………………………………………90
 6.1 結論…………………………………………………………….90
 6.2 建議…….……………...……………………………………….91
參考文獻………………………………………………………………..92
附錄A、UCODE模式使用說明………….……………………………97
 A.1 UNI輸入檔格式……….………………………………………98
 A.2 PRE輸入檔格式……….…………………………………….102
 A.3 TPL輸入檔格式…….………………………………………..106
 A.4 FNC輸入檔格式…..…….….………………………………..107
 A.5 EXT輸入檔格式.....………...………………………………..108
附錄B、非線性迴歸參數優選模式……..………..….……….………111
 B.1 線性模式架構………………………………………………...111
 B.2 最小二乘法推估……………………………………………...113
 B.3 線性迴歸求最佳參數…………………………………….…..116
 B.4 非線性迴歸法…………………………………………….…..119
 B.5 計算參數敏感度……………………………………………..124
附錄C、模板理論及隱平行性質……….……………………………127
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QRCODE
 
 
 
 
 
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                               
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