Comparison of optimization algorithms for inverse FEA of heat and mass transport in biomaterials

• Autorzy: Weres J. , Olek W. , Kujawa S.

Warianty tytułu

PL

Porównanie algorytmów optymalizacji w analizie odwrotnej transportu ciepła i masy w biomateriałach

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Inverse analysis has become increasingly important for estimating coefficient values for heat and moisture transport in complex biological materials. With this approach, an improved accuracy of predicting transport processes can be obtained as compared to simulations based on coefficients determined by experimental procedures only. Such improvement is indispensable for successful analyzing, designing and managing most technological processes in the agri-food and forest products industries. In recent years, many optimization algorithms have been developed to solve inverse problems. Performance of the following algorithms was analyzed and compared in this paper: simulated annealing, tabu search, genetic algorithm, variable metric algorithm and trust region algorithm. Results demonstrated that although all the algorithms were able to estimate the coefficients, there were differences in their performance and due to high computational complexity of the problem only the trust region procedure was acceptable.

PL

Znaczenie analizy odwrotnej w oszacowywaniu wartości współczynników transportu ciepła i wody w złożonych materiałach pochodzenia biologicznego stale wzrasta. Dzięki zastosowaniu tej metody można zwiększyć dokładność prognozowania procesów transportowych w porównaniu do symulacji opartych na współczynnikach, których wartości są określane wyłącznie metodą eksperymentów naturalnych. Uzyskiwana poprawa dokładności jest niezmiernie przydatna w analizie, projektowaniu i zarządzaniu większością procesów technologicznych w przemyśle rolno-spożywczym i drzewnym. W ostatnich latach zostało opracowanych wiele algorytmów optymalizacji do rozwiązywania zagadnień odwrotnych. W niniejszej pracy poddano analizie i porównano działanie następujących algorytmów: symulowane wyżarzanie, poszukiwanie z tabu, algorytm genetyczny, algorytm zmiennej metryki oraz algorytm obszarów zaufania. Wyniki wskazały, że chociaż wszystkie algorytmy potrafiły oszacować wartości współczynników, pojawiły się różnice w ich działaniu i ze względu na dużą złożoność obliczeniową rozpatrywanego problemu tylko procedura obszarów zaufania przynosiła satysfakcjonujące wyniki.

Słowa kluczowe

EN

heat conduction; water diffusion; inverse modeling

• Wydawca: Polskie Towarzystwo Mechaniki Teoretycznej i Stosowanej
• Czasopismo: Journal of Theoretical and Applied Mechanics
• Rocznik: 2009
• Tom: Vol. 47 nr 3
• Strony: 701--716
• Opis fizyczny: Bibliogr. 29 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Weres J.

autor

Olek W.

autor

Kujawa S.

• Poznań University of Life Sciences, Institute of Agricultural Engineering, Poznań, Poland,

Bibliografia

• 1. Bazaraa M.S., Sherali H.D., Shetty C.M., 2006, Nonlinear Programming: Theory and Algorithms, 3rd ed., Wiley, Hoboken, NJ
• 2. Caserta M., M´arquez Uribe A., 2009, Tabu search-based metaheuristic algorithm for software system reliability problems, Computers and Operations Research, 36, 3, 811-822
• 3. Chainate W., Thapatsuwan P., Pongcharoen P., 2007, A new heuristic for improving the performance of genetic algorithm, Proceedings of World Academy of Science, Engineering and Technology, 21, 217-220
• 4. Dennis J.E., El-Alem J.M., Mciel M.C., 1997, A global convergence theory for general trust-region-based algorithms for equality constrained optimization, SIAM Journal on Optimization, 7, 1, 177-207
• 5. Gay D.M., 1984, A trust region approach to linearly constrained optimization, Numerical Analysis Proceedings, Lecture Notes in Mathematics, Springer-Verlag, New York
• 6. Glover F., Laguna F., 1997, Tabu Search, Kluwer, Norwell, MA
• 7. Irudayaraj J., Wu Y., 1999, Numerical modeling of heat and mass transfer in starch systems, Transactions of the ASAE, 42, 2, 449-455
• 8. Isakov, V., 1998, Inverse Problems for Partial Differential Equations, Springer-Verlag, New York
• 9. Jongen H.T., Meer K., Triesch E., 2004, Optimization Theory, Springer,Berlin
• 10. Kirsch, A., 1996, An Introduction to the Mathematical Theory of Inverse Problems, Springer-Verlag, New York
• 11. Mousavi S.S., Hooman K., Mousavi S.J., 2008, A genetic algorithm optimization for a finned channel performance, Applied Mathematics and Mechanics, 28, 12, 1597-1604
• 12. Nash S., Sofer A., 1996, Linear and Nonlinear Programming, McGraw-Hill, New York
• 13. Nocedal J., Wright S., 2006, Numerical Optimization, 2nd ed., Springer-Verlag, Berlin
• 14. Olek W., Perr´e P., Weres J., 2005, Inverse analysis of the transient bound water diffusion in wood, Holzforschung 59, 38-45
• 15. Olek W., Weres J., 2005, Computer aided identification of transport properties of wood and wood based panels, Archives of Metallurgy and Materials, 50, 1, 139-146
• 16. Olek W., Weres J., 2007, Effects of the method of identification of the diffusion coefficient on accuracy of modeling bound water transfer in wood, Transport in Porous Media, 66, 1-2, 135-144
• 17. Olek W., Weres J., Guzenda R., 2003, Effects of thermal conductivity data on accuracy of modeling heat transfer in wood, Holzforschung 57, 317-325
• 18. Pabis S., Jayas D.S., Cenkowski S., 1998, Grain Drying: Theory and Practice, Wiley, Hoboken, NJ
• 19. Perr´e P., Turner I., 2007, Coupled heat and mass transfer, In: Fundamentals of wood drying, Perrｴe P. (Ed.), A.R.BO.LOR., Nancy, 203-241
• 20. Privault C., Herault L., 1998, Solving a real world assignment problem with a metaheuristic, Journal of Heuristics, 4, 4, 383-398
• 21. Vanderplaats G.N., 2001, Numerical Optimization Techniques for Engineering Design: with Applications, 3rd ed., Vanderplaats Research & Development, Inc., Colorado Springs
• 22. Weres J., 1997, Finite element analysis of heat and mass transport in biological materials, Proceedings of the XIII Polish Conference ”Computer Methods in Mechanics”, 1387-1392
• 23. Weres J., 2008, Computer aided analysis of selected properties of agricultural and forest products, In: Elements of Agricultural Systems Engineering, Weres J., Krysztofiak A., Boniecki P., Nowakowski K. (Eds.), Wyd. UP Poznań, 205-218 [in Polish]
• 24. Weres J., Jayas D.S., 1994, Effects of corn kernel properties on predictions of moisture transport in the thin-layer drying of corn, Transactions of the ASAE (American Society of Agricultural Engineers), 37, 5, 1695-1705
• 25. Weres J., Kujawa S., Kluza T., 2007, Information system for analyzing, designing and managing drying and storage of cereal grains, Proceedings of the 6th Biennial Conference of the European Federation of IT in Agriculture (EFITA/WCCA), 6 pp., CD-ROM Edition
• 26. Weres J., Olek W., 2005, Inverse finite element analysis of technological processes of heat and mass transport in agricultural and forest products, Drying Technology, 23, 8, 1737-1750
• 27. Weres J., Olek W., Guzenda R., 2000, Identification of mathematical model coefficients in the analysis of the heat and mass transport in wood, Drying Technology, 18, 8, 1697-1708
• 28. Xiaojiao T., Shuzi Z., 2003, Global convergence of trust region algorithm for equality and bound constrained nonlinear optimization, Applied Mathematics – A Journal of Chinese Universities, 18, 1, 83-94
• 29. Zhang J.Z., Deng N.Y., Chen L.H., 1999, New Quasi-Newton equation and related methods for unconstrained optimization, Journal of Optimization Theory and Applications, 102, 147-167