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Algoritmo híbrido de búsqueda del cuco para optimizar muros de contrafuertes

Acaban de publicarnos un artículo en la revista Mathematics,  revista indexada en el primer cuartil del JCR. En este artículo se presenta un algoritmo híbrido de búsqueda del cuco y de clasificación no supervisada para optimizar el coste y las emisiones de CO2 de un muro de contrafuertes. El trabajo se enmarca dentro del proyecto de investigación DIMALIFE que dirijo como investigador principal en la Universitat Politècnica de València.

La Búsqueda Cuco se basa en la estrategia de reproducción de algunas especies de pájaros cucos. Éstos pájaros dejan sus huevos en los nidos de otros pájaros de otras especies para que éstas los críen, expulsando incluso los huevos del nido invadido. Si el pájaro anfitrión se percata que el huevo no es el propio, lo sacará del nido o directamente lo abandonará y construirá otro nido.

Por su parte, K-means es un algoritmo de clasificación no supervisada (clusterización) que agrupa objetos en k grupos basándose en sus características. El agrupamiento se realiza minimizando la suma de distancias entre cada objeto y el centroide de su grupo o cluster.

En este artículo se propone un algoritmo híbrido, en el que la metaheurística de búsqueda del cuco se utiliza como mecanismo de optimización en espacios continuos y la técnica de aprendizaje no supervisada k-means para discretizar las soluciones. Se diseña un operador aleatorio para determinar la contribución del operador k-means en el proceso de optimización. Se comparan los mejores valores, los promedios y los rangos intercuartiles de las distribuciones obtenidas. Los resultados muestran que el operador k-means contribuye significativamente a la calidad de las soluciones y que nuestro algoritmo es altamente competitivo.

Abstract

The counterfort retaining wall is one of the most frequent structures used in civil engineering. In this structure, optimization of cost and CO2 emissions are important. The first is relevant in the competitiveness and efficiency of the company, the second in environmental impact. From the point of view of computational complexity, the problem is challenging due to the large number of possible combinations in the solution space. In this article, a k-means cuckoo search hybrid algorithm is proposed where the cuckoo search metaheuristic is used as an optimization mechanism in continuous spaces and the unsupervised k-means learning technique to discretize the solutions. A random operator is designed to determine the contribution of the k-means operator in the optimization process. The best values, the averages, and the interquartile ranges of the obtained distributions are compared. The hybrid algorithm was later compared to a version of harmony search that also solved the problem. The results show that the k-mean operator contributes significantly to the quality of the solutions and that our algorithm is highly competitive, surpassing the results obtained by harmony search.

Keywords

CO2emission; earth-retaining walls; optimization; k-means; cuckoo search

Referencia:

GARCÍA, J.; YEPES, V.; MARTÍ, J.V. (2020). A hybrid k-means cuckoo search algorithm applied to the counterfort retaining walls problem. Mathematics,  8(4), 555. DOI:10.3390/math8040555

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Optimización de emisiones de CO2 y costes de muros de contrafuertes con el algoritmo del agujero negro

Acaban de publicarnos un artículo en la revista Sustainability,  revista indexada en JCR. En este artículo minimizamos las emisiones de CO2 en la construcción de un muro de contrafuertes de hormigón armado usando la metaheurística del agujero negro (Black Hole Algorithm). El trabajo se enmarca dentro del proyecto de investigación DIMALIFE que dirijo como investigador principal en la Universitat Politècnica de València.

La optimización del costo y de las emisiones de CO2 en los muros de contención de tierras es relevante, pues estas estructuras se utilizan muy frecuentemente en la ingeniería civil. La optimización de los costos es esencial para la competitividad de la empresa constructora, y la optimización de las emisiones es relevante en el impacto ambiental de la construcción. Para abordar la optimización se utilizó la metaheurística de los agujeros negros, junto con un mecanismo de discretización basado en la normalización mínimo-máxima. Se evaluó la estabilidad del algoritmo con respecto a las soluciones obtenidas; se analizaron los valores de acero y hormigón obtenidos en ambas optimizaciones. Además, se compararon las variables geométricas de la estructura. Los resultados muestran un buen rendimiento en la optimización con el algoritmo de agujero negro.

Abstract

The optimization of the cost and CO 2 emissions in earth-retaining walls is of relevance, since these structures are often used in civil engineering. The optimization of costs is essential for the competitiveness of the construction company, and the optimization of emissions is relevant in the environmental impact of construction. To address the optimization, black hole metaheuristics were used, along with a discretization mechanism based on min–max normalization. The stability of the algorithm was evaluated with respect to the solutions obtained; the steel and concrete values obtained in both optimizations were analyzed. Additionally, the geometric variables of the structure were compared. Finally, the results obtained were compared with another algorithm that solved the problem. The results show that there is a trade-off between the use of steel and concrete. The solutions that minimize CO 2 emissions prefer the use of concrete instead of those that optimize the cost. On the other hand, when comparing the geometric variables, it is seen that most remain similar in both optimizations except for the distance between buttresses. When comparing with another algorithm, the results show a good performance in optimization using the black hole algorithm.

Keywords

CO2 emission; earth-retaining walls; optimization; black hole; min–max discretization

Reference:

YEPES, V.; MARTÍ, J.V.; GARCÍA, J. (2020). Black hole algorithm for sustainable design of counterfort retaining walls. Sustainability, 12, 2767. DOI:10.3390/su12072767

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Comparativa medioambiental de muros atendiendo a su ciclo completo de vida

Acaban de publicarnos un artículo en la revista Journal of Cleaner Production (primer decil del JCR), de la editorial ELSEVIER, en la que analizamos una de las construcciones más habituales en la ingeniería civil, como son las estructuras de contención de tierras.

Se ha realizado para ello un análisis de ciclo de vida completo de cuatro tipos de muros: muros de hormigón armado, de hormigón en masa, de gaviones y de escollera. Además se ha realizado un estudio paramétrico para averiguar hasta qué altura de tierras es mejor una u otra tipología. Las conclusiones obtenidas no son evidentes a priori. Podéis verlas en el resumen que os paso a continuación.

Referencia:

PONS, J.J.; PENADÉS-PLÀ, V.; YEPES, V.; MARTÍ, J.V. (2018). Life cycle assessment of earth-retaining walls: An environmental comparison. Journal of Cleaner Production, 192:411-420.  https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2018.04.268

Abstract:

Earth-retaining walls are one of the most common structures in civil engineering, a discipline of the construction sector known to produce one of the highest environmental impacts. Therefore, developing cleaner design and construction practices could contribute to a more sustainable future for our planet. To make a step towards this goal, this study comprises the life cycle assessment (LCA) of the four most common earth-retaining walls built between 1 to 6 m of height: cantilever walls, gravity walls, masonry walls and gabion walls to obtain the best solutions for the environment. To assess the environmental impacts caused throughout their whole life-cycle including the production, construction, use and end of life phases, we used the OpenLCA software, the ecoinvent 3.3 database and the ReCiPe (H) method. The associated uncertainties have been considered and the results are provided in both midpoint and endpoint approaches. Our findings show that gabion and masonry walls produce the lowest global impact. On the one hand, gabion walls cause less damage to human health but on the other hand, masonry walls cause less damage to the ecosystems. Furthermore, gravity walls produce similar impacts to gabion and masonry walls between 1 and 3 m of height as well as fewer impacts than cantilever walls for a height of 4 m. In conclusion, gabion and masonry walls are preferable to concrete walls for heights between 1 and 6 m and cantilever walls should be used over gravity walls for greater heights than 4.5 m.

Keywords:

Life cycle assessment; Sustainability; Earth-retaining wall; ReCiPe

Highlights:

  • Four earth-retaining walls are compared to obtain the best environmental solution.
  • The OpenLCA software, the Ecoinvent 3.3 database and the ReCiPe (H) method are used.
  • Gabion walls cause less damage to human health than masonry walls.
  • Masonry walls cause less damage to the ecosystems than gabion walls.
  • Mass concrete walls are cleaner than reinforced ones until 4.5 m of height.