Kopplung von Simulation und Optimierung

Präsentation zum Thema: "Kopplung von Simulation und Optimierung"—  Präsentation transkript:

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 Darmstadt 1. Darmstädter Ingenieurkongress, Darmstadt 25. März 2017 |

2 Prinzip simulationsbasierter Optimierung
Optimierungswerkzeug Simulationswerkzeug Modellparameter Optimierungsalgorithmus Modell Simulation Simulationsergebnisse 15. September 2009 | Felix Froehlich | Fachgebiet ihwb | Institut für Wasserbau und Wasserwirtschaft | TUD | | 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 | | 3

4 Optimierungsalgorithmen
Modularer Aufbau Zusätzliche Simulationsmodelle BlueM.Opt Optimierungsalgorithmen Modularer Aufbau Werkzeuge 15. September 2009 | Felix Froehlich | Fachgebiet ihwb | Institut für Wasserbau und Wasserwirtschaft | TUD | | 4 25. März 2017 |

5 Optimierungsalgorithmen
BlueM.Opt Optimierungsalgorithmen Modularer Aufbau 15. September 2009 | Felix Froehlich | Fachgebiet ihwb | Institut für Wasserbau und Wasserwirtschaft | TUD | | 5 25. März 2017 |

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 | | 6

7 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 | | 7 25. März 2017 |

8 Optimierungsalgorithmen
Simulationsmodelle Simulationsmodelle BlueM.Opt Optimierungsalgorithmen Modularer Aufbau 15. September 2009 | Felix Froehlich | Fachgebiet ihwb | Institut für Wasserbau und Wasserwirtschaft | TUD | | 8 25. März 2017 |

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 | | 9

10 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 | | 10

11 Zusätzliche Werkzeuge
Simulationsmodelle BlueM.Opt Optimierungsalgorithmen Modularer Aufbau Werkzeuge 15. September 2009 | Felix Froehlich | Fachgebiet ihwb | Institut für Wasserbau und Wasserwirtschaft | TUD | | 11 25. März 2017 |

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 | | 12

13 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 | | 13

14 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 | | 14 25. März 2017 |

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 | | 15

16 Verfügbarkeit Lauffähige Version Quellcode
Freier Download Quellcode Für Forschungszwecke nach Absprache und Vereinbarung 15. September 2009 | Felix Froehlich | Fachgebiet ihwb | Institut für Wasserbau und Wasserwirtschaft | TUD | | 16

17 Vielen Dank! Felix Froehlich und das ihwb-Team, 15. September 2009 | Felix Froehlich | Fachgebiet ihwb | Institut für Wasserbau und Wasserwirtschaft | TUD | | 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 | | 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 | | 19

20 Algorithmus: SensiPlot Sensitivitätsanalyse
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21 Algorithmus: TSP Rundreiseproblem (Traveling Salesman)
15. September 2009 | Felix Froehlich | Fachgebiet ihwb | Institut für Wasserbau und Wasserwirtschaft | TUD | | 21