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/ 1. Darmstädter Ingenieurkongress, 14.-15.09.2009 - Darmstadt 25. März 2017 |

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

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

Optimierungsalgorithmen Modularer Aufbau Zusätzliche Simulationsmodelle BlueM.Opt Optimierungsalgorithmen Modularer Aufbau Werkzeuge 15. September 2009 | Felix Froehlich | Fachgebiet ihwb | Institut für Wasserbau und Wasserwirtschaft | TUD | http://www.ihwb.tu-darmstadt.de/ | 4 25. März 2017 |

Optimierungsalgorithmen BlueM.Opt Optimierungsalgorithmen Modularer Aufbau 15. September 2009 | Felix Froehlich | Fachgebiet ihwb | Institut für Wasserbau und Wasserwirtschaft | TUD | http://www.ihwb.tu-darmstadt.de/ | 5 25. März 2017 |

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

Integration von Optimierungsalgorithmen Problemdefinition Einstellungen * BlueM.Opt übergibt dem Controller das Problem und die Einstellungen * Controller können auf Schnittstellen für Diagrammanzeige, Simulationsausführung, etc. zugreifen 15. September 2009 | Felix Froehlich | Fachgebiet ihwb | Institut für Wasserbau und Wasserwirtschaft | TUD | http://www.ihwb.tu-darmstadt.de/ | 7 25. März 2017 |

Optimierungsalgorithmen Simulationsmodelle Simulationsmodelle BlueM.Opt Optimierungsalgorithmen Modularer Aufbau 15. September 2009 | Felix Froehlich | Fachgebiet ihwb | Institut für Wasserbau und Wasserwirtschaft | TUD | http://www.ihwb.tu-darmstadt.de/ | 8 25. März 2017 |

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

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

Zusätzliche Werkzeuge Simulationsmodelle BlueM.Opt Optimierungsalgorithmen Modularer Aufbau Werkzeuge 15. September 2009 | Felix Froehlich | Fachgebiet ihwb | Institut für Wasserbau und Wasserwirtschaft | TUD | http://www.ihwb.tu-darmstadt.de/ | 11 25. März 2017 |

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

Zusätzliche Werkzeuge Grafische 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

Zusätzliche Werkzeuge Analysemöglichkeiten Datenbank von Lösungen Lösungsauswahl / -vergleich Ganglinienanzeige Scatterplot Matrix Wave bietet zusätzlich Schnittstelle für Einlesen gängiger Zeireihenformate 15. September 2009 | Felix Froehlich | Fachgebiet ihwb | Institut für Wasserbau und Wasserwirtschaft | TUD | http://www.ihwb.tu-darmstadt.de/ | 14 25. März 2017 |

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

Verfügbarkeit Lauffähige Version Quellcode 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

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

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

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

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

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