تحقیقات آب و خاک ایران

تحقیقات آب و خاک ایران

مقایسه عملکرد مدل‌های خطی و غیرخطی هیدرولیک کانال در چارچوب یادگیری تقویتی گسسته

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسنده
گروه علوم و مهندسی آب، دانشکده کشاورزی، دانشگاه بوعلی سینا همدان، همدان، ایران.
چکیده
مدیریت و کنترل کانال‌های انتقال و توزیع آب به دلیل رفتار غیرخطی جریان، تأخیر زمانی و برداشت‌های متغیر از مسائل چالش‌برانگیز مهندسی آب است. در سال‌های اخیر، یادگیری تقویتی به‌عنوان روشی نوین در این سامانه‌ها استفاده شده است، اما تأثیر نوع مدل هیدرولیکی بر یادگیری به‌صورت کمی بررسی نشده است. هدف این پژوهش، مقایسه عملکرد یادگیری تقویتی گسسته در تلفیق با دو محیط شبیه‌سازی شامل مدل غیرخطی مبتنی بر معادلات کامل سنت‌ونانت و مدل خطی‌ یک کانال است. عامل یادگیرنده به‌طور مستقل با هر یک از دو مدل آموزش داده شد و عملکرد سیاست‌های کنترلی حاصل بر اساس خطاهای تحویل آب و شاخص‌های راندمان و کفایت ارزیابی گردید. نتایج نشان داد مدل غیرخطی در بازه‌های پایین‌دست با حداقل مقادیر شاخص‌های راندمان و کفایت به‌ترتیب ۹۶۲/0 و ۹۷۲/0، خطاهای کمتری از مدل خطی با حداقل راندمان برابر با 497/0 در بازه‌های انتهایی و حداکثر خطای مطلق ۵۹ درصد دارد. مدل خطی به دلیل سادگی، همگرایی سریع‌تری در فرآیند یادگیری دارد و در محدوده خطی‌سازی (۲۰± درصد تغییرات دبی) عملکرد قابل قبولی ارائه می‌دهد، اما در خارج از محدوده خطی‌سازی، سیاست‌های کنترلی ضعیف‌تر یادگیری می‌شود و منجر به کاهش کیفیت توزیع آب، به‌ویژه در پایین‌دست، می‌شود.
کلیدواژه‌ها
موضوعات

عنوان مقاله English

Comparison of Linear and Nonlinear Hydraulic Canal Model Performance within a Discrete Reinforcement Learning Framework

نویسنده English

کاظم Shahverdi
Water Science and Engineering Department, Faculty of Agriculture, Bu-Ali Sina University, Hamedan, Iran.
چکیده English

Water management and control in irrigation canals are challenging due to the nonlinear behavior of open-channel flow, time delays, and variable water withdrawals. In recent years, reinforcement learning has emerged as a promising approach for controlling such systems; however, the influence of the underlying hydraulic model on the quality of the learning process has not yet been quantitatively investigated. This study compares the performance of a discrete reinforcement learning algorithm integrated with two simulation environments: a nonlinear hydraulic model based on the full Saint-Venant equations and a linearized hydraulic model of an irrigation canal. The learning agent was trained independently using each model, and the resulting control policies were evaluated based on water delivery errors as well as the efficiency and adequacy performance indicators. The results show that the nonlinear model achieved substantially smaller delivery errors than the linear model in the downstream reaches, with minimum efficiency and adequacy values of 0.962 and 0.972, respectively. In contrast, the minimum efficiency of the linear model decreased to 0.497 in the terminal reaches, while the maximum absolute delivery error reached 59%. Although the linear model exhibited faster convergence during training and provided acceptable performance within the linearization range (±20% discharge variation), it learned weaker control policies outside this range, resulting in degraded water distribution performance, particularly in the downstream reaches.

کلیدواژه‌ها English

Intelligent Control
Linear Model
Nonlinear Model
Performance Indices

مقالات آماده انتشار، پذیرفته شده
انتشار آنلاین از 16 تیر 1405