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研究生:羅健榕
研究生(外文):Lo Chien Jung
論文名稱:平行運算於地下水管理模式之應用
論文名稱(外文):A Study and Application of Parallel Computation to solve a groundwater optimal management problem for an unconfined aquifer
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:89
中文關鍵詞:遺傳演算法平行運算微分動態規劃非拘限含水層
外文關鍵詞:genetic alorithmparallel computationdifferential dynamic programmingunconfined aquifer
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本研究應用平行演算於提高非拘限含水層之水量及水質管理模式之計算效率。由於所應用之地下水管理模式整合了兩個優選模式,分別為遺傳演算法和限制型可微分動態規劃,以及地下水數值模擬模式,使得此一整合模式在運作時之計算量十分的龐大,因此有必要發展平行運算以增進計算效率,使得模式能應用於大型之地下水管理規劃中。由於遺傳演算法本身即具有『隱平行』的特性,因此平行演算乃以遺傳演算法作為平行運算的主軸,並以國家高速電腦中心之平行電腦作為硬體計算平台配合使用MPI平行運算軟體,研究成果顯示平行效率十分優良。由結果顯示,若採用50顆CPU參與平行計算,則平行化之非拘限含水層水量管理模式之計算時間約為未平行化之循序模式之1/22,證明了平行運算確實可有效節省計算時間。

This study attempted to solve a groundwater optimal management problem for an unconfined aquifer by performing parallel computation to increase the computational capacity of a hybrid algorithm. The proposed hybrid optimization algorithm integrates a genetic algorithm (GA) and constrained differential dynamics programming (CDDP). Since the groundwater management problem considers fixed and operating costs simultaneously, the computational complexity of the problem is significantly increased. However, the integrated algorithm can be effectively parrallelized since the GA is an ”implicit parallel” algorithm. This study also implements the parallel computation using MPI. Computational results demonstrate that the computational time using fifty CPUs is only 1/22 of the one using a single CPU, demonstrating the high efficiency of the parallel computation.

中文摘要 i
章節目錄……………………………………………………………..ii
表目錄………………………………………………………………..iv
圖目錄 v
一、 諸論 1
1.1前言 1
1.2文獻回顧 1
1.3研究步驟與方法…………………………………………….2
二、 非拘限含水層地下水管理模式定義 4
2.1 非拘限地下水流模式定義 4
2.2 地下水容量擴張水量管理模式定義 7
2.3 模式利率計算方式 10
2.4 地下水水質管理模式 11
三、 平行運算 13
3.1平行運算簡介 13
3.2平行運算操作與所使用之軟體 14
3.3循序程式之平行化 17
3.3.1耗時分析 18
3.3.2族群切割 18
3.3.3均勻負載之分析 21
3.4平行程式效能評估分析 22
四、 遺傳演算法與微分動態規劃理論介紹 24
4.1 遺傳演算法介紹 24
4.2 遺傳演算法的架構 26
4.3 微分動態規劃理論 31
4.3.1 無限制式微分動態規劃 32
4.3.2 限制型微分動態規劃 37
五、 平行化地下水管理模式評估與模擬 47
5.1 地下水管理模式平行化之步驟 47
5.2 地下水管理模式模擬 54
5.3 平行化地下水管理模式效能評估 55
5.3.1 各案例之時間與效率分析 55
5.3.2 採用『記事本法』前後之時間分析 55
5.3.3 採用『記事本法』前後之效率分析 56
5.3.4 水量及水質模式之比較 57
六、 結論與建議 83
6.1結論 83
6.2建議 84
七、 參考文獻 86

第七章 參考文獻
1. 蕭金財,“動態控制理論與遺傳演算法應用於地下水之管理與污染整治” ,國立交通大學土木工程研究所博士論文,(2001)。
2. 金孝忠,“考慮容量擴張之非拘限含水層水量管理規劃模式” ,國立交通大學土木工程研究所碩士論文,(2001)。
3. 薛安聿,“應用遺傳演算法與最佳控制於非拘限含水層之水量管理營運” ,國立交通大學土木工程研究所碩士論文,(2000)。
4. 周文勇,“平行運算於地層下陷模式之應用與研究” ,國立交通大學土木工程研究所碩士論文,(2000)。
5. 蕭金財,“序率最佳控制理論應用於水庫系統之優選操作” ,國立交通大學土木工程研究所碩士論文,(1994)。
6. 鄭守成, “高效能計算訓練教材”,行政院國科會國家高速電腦中心,(2001)。
7. 李天佑、游輝宏,“非線性系統之平行計算-區域分割方法在流體力學計算上的應用”,高速計算世界第七卷第四期,(1999)。
8. 許至璁、葉克家 。“分散式平行計算在渠道變量流模擬之應用”。高速計算世界第三卷第三期,(1996)。
9. 連和政、葉克家。“分散式平行計算在土石流堆積模擬之應用”。高速計算世界第三卷第三期,(1996)。
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