Kopplung von Simulation und Optimierung Eine Vorstellung von

Prinzip simulationsbasierter Optimierungswerkzeug Simulationswerkzeug Modellparameter Modell Simulation Optimierungsalgorithmus Simulationsergebnisse 15. September 2009 | Felix

Problembeschreibung § Kein einzelnes Modell/Simulationswerkzeug kann alle Anwendungsgebiete abdecken § Kein einzelner Optimierungsalgorithmus ist

Modularer Aufbau Simulationsmodelle Blue. M. Optimierungsalgorithmen Zusätzliche Werkzeuge 15. September 2009 | Felix Froehlich

Blue. M. Optimierungsalgorithmen 15. September 2009 | Felix Froehlich | Fachgebiet ihwb | Institut

Integrierte Algorithmen § PES: Parametric Evolution Strategy (Muschalla, 2006 und Hübner, 2003) § CES:

Integration von Optimierungsalgorithmen Problemdefinition Einstellungen 15. September 2009 | Felix Froehlich | Fachgebiet ihwb

Simulationsmodelle Blue. M. Optimierungsalgorithmen Simulationsmodelle 15. September 2009 | Felix Froehlich | Fachgebiet ihwb

$Integrierte Simulationsmodelle § Blue. M. Sim: Hydrologisches Flussgebietsmodell § SMUSI: Schmutzfrachtsimulationsmodell § SWMM: Storm$

Integration von Simulationsmodellen ü Möglichkeit paralleler Evaluierung (multithreading) Mutterklasse → write. Parameters() [Textdateien]. NET

Zusätzliche Werkzeuge Simulationsmodelle Blue. M. Optimierungsalgorithmen Zusätzliche Werkzeuge 15. September 2009 | Felix Froehlich

Eingabedateien Definition des Optimierungsproblems § Eingabe über Textdateien § Unabhängig von Simulationsmodell oder Algorithmus

Zusätzliche Werkzeuge Grafische Benutzeroberfläche § Optimierungen starten, stoppen, … § Einstellungen bearbeiten, laden, …

Zusätzliche Werkzeuge Analysemöglichkeiten § Datenbank von Lösungen § Lösungsauswahl / -vergleich § Ganglinienanzeige §

Anwendungsgebiete § Wassergüteorientierte Optimierung urbaner Entwässerungssysteme § Optimierung der regelbasierten Steuerung urbaner Entwässerungssysteme §

Verfügbarkeit § Lauffähige Version § Freier Download § Quellcode § Für Forschungszwecke nach Absprache

Vielen Dank! Felix Froehlich und das ihwb-Team, froehlich@ihwb. tu-darmstadt. de http: //www. ihwb. tu-darmstadt.

Algorithmus: PES Anwendung: Testprobleme 2 Parameter, 1 Zielfunktion 15 Parameter, 2 Zielfunktionen (konvex, nicht

Algorithmus: HYBRID (PES + CES) Anwendung: Blue. M. Sim Optimierung von Hochwasserschutzstrategien hinsichtlich Platzierung,

Algorithmus: Sensi. Plot Sensitivitätsanalyse 15. September 2009 | Felix Froehlich | Fachgebiet ihwb |

Algorithmus: TSP Rundreiseproblem (Traveling Salesman) 15. September 2009 | Felix Froehlich | Fachgebiet ihwb

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Kopplung von Simulation und Optimierung Eine Vorstellung von Blue. M. 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 | * |

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

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) § Meta. Evo: Sequentielle Nutzung globaler und lokaler Verfahren (Kerber, 2008) § DDS: Dynamically Dimensioned Search (Tolson & Shoemaker, 2007) § TSP: Traveling Salesman Problem § Sensi. Plot: Sensitivitätsanalyse §… 15. September 2009 | Felix Froehlich | Fachgebiet ihwb | Institut für Wasserbau und Wasserwirtschaft | TUD | http: //www. ihwb. tu-darmstadt. de/ | 6

$Integrierte Simulationsmodelle § Blue. M. Sim: Hydrologisches Flussgebietsmodell § SMUSI: Schmutzfrachtsimulationsmodell § SWMM: Storm$

Integrierte Simulationsmodelle § Blue. M. 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 ü Möglichkeit paralleler Evaluierung (multithreading) Mutterklasse → write. Parameters() [Textdateien]. NET Wrapper → launch. Sim() [EXE / DLL] → read. Sim. Results() [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 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

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 § 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

Algorithmus: PES Anwendung: Testprobleme 2 Parameter, 1 Zielfunktion 15 Parameter, 2 Zielfunktionen (konvex, nicht stetig) 2 Parameter, 2 Zielfunktionen, 2 Randbedingungen 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: Blue. M. 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