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                  

Ci =−Bi+1(D1(i)Bi+ (D4(i) + D6(i))Mt),∀i = 1, · · · , n

Φi = BiD1(i−1)Bi + Bi(D1(i)Bi+ (D4(i)+ D6(i))Mt)+

M (D4(i)Bi+ (D2(i)+ D5(i))Mt) + M (D6(i)Bi + (D5(i)+ D3(i))Mt),

∀i = 2, · · · , T

Φ1 = B1(D1(1)B1+ (D4(1) + D6(1))Mt) + M (D

4(1)B1 + (D2(1)+ D5(1))Mt)+

M (D6(1)B1+ (D5(1) + D3(1))Mt)

´

E importante destacar que as f´ormulas obtidas para Ci e Φi foram gene-

ralizadas para um modelo (x, q, v) com T intervalos de tempo. Detalhes da obten¸c˜ao das f´ormulas de Ci e Φi est˜ao no Apˆendice D.

Al´em disso, Φ possui a mesma estrutura esparsa que foi obtida na re- solu¸c˜ao de Φx = b para o modelo (x, u).

Portanto, todas as dedu¸c˜oes de utiliza¸c˜ao de fatora¸c˜ao por blocos associ- adas a matriz L, aplicadas para o modelo (x, u), podem ser utilizadas para o modelo (x, q, v).

Ou seja, ap´os os c´alculos de Φi e Ci, espec´ıficos do modelo (x, q, v), basta

utilizar o sistema (4.26) para resolver Φx = b do modelo (x, q, v).

4.4

Resumo dos MPIs

Segue um resumo das op¸c˜oes de implementa¸c˜ao dos m´etodos de pontos inte- riores para o MOUI:

1. Modelagem Matem´atica: Existem 4 modelos poss´ıveis que podem ser

adotados: (x, u), (x, u)m, (x, q, v) e (x, q, v)m.

• Modelo (x, u): Considera como vari´aveis de decis˜ao o volume xi,t,

e a defluˆencia ui,t. O m´etodo de pontos interiores implementado

para este modelo n˜ao oferece nenhum tratamento especial para a quina, usando a express˜ao (4.27).

qi,t= M in{ui,t, qi,t} (4.27)

• Modelo (x, u)m: Considera como vari´aveis de decis˜ao o volume xi,t, e a defluˆencia ui,t. Para calcular o valor da derivada primeira

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Cap´ıtulo 4. M´etodos de Pontos Interiores para o Modelo de

Otimiza¸c˜ao a Usinas Individualizadas

e segunda da fun¸c˜ao objetivo ´e utilizada a express˜ao qi,t= ui,t, no

lugar da express˜ao (4.27). A motiva¸c˜ao para esta substitui¸c˜ao ´e a de se verificar o quanto a solu¸c˜ao obtida ser´a diferente para uma solu¸c˜ao cujo modelo matem´atico trata adequadamente a express˜ao (4.27) (como os modelos (x, q, v) e (x, q, v)m).

• Modelo (x, q, v): As vari´aveis consideradas s˜ao a decis˜ao de vo-

lume xi,t, a turbinagem qi,t e o vertimento vi,t.

• Modelo (x, q, v)m: Este modelo difere do modelo (x, q, v) ao as-

sumir que a vari´avel qi,tao pode exceder seu valor qi,t. Portanto,

para uma dada itera¸c˜ao, ´e efetuada a atribui¸c˜ao dada por (4.28):

qi,t> qi,t⇒



vi,t= qi,t− qi,t

qi,t = qi,t

(4.28)

2. Estrutura esparsa: Considerando um modelo em que as vari´aveis de decis˜ao s˜ao o volume xi,t, e a defluˆencia ui,t, podem ser considerados

trˆes estruturas esparsas poss´ıveis:

• Estrutura Esparsa A: N˜ao considera nenhuma estrutura esparsa

particular, sendo que a formula¸c˜ao MOUI ser´a dada pelo sistema (4.24).

• Estrutura Esparsa ˜A e S: Considera que A = A S˜ ,

tal que a estrutura esparsa considera uma matriz para as vari´aveis de volume xi,t e outra matriz para a defluˆencia ui,t.

• Estrutura Esparsa Ai e Si: S˜ao detalhados os blocos matriciais

que existem nas matrizes ˜A e S de acordo com as caracter´ısticas

do MOUI (descritas na se¸c˜ao 4.3).

Para o caso em que as vari´aveis de decis˜ao s˜ao xi,t, qi,t e vi,t, a con-

sidera¸c˜ao de estrutura esparsa ´e an´aloga. S´o deve ser observado que o sistema (4.24) ser´a modificado atrav´es de ui,t = qi,t+ vi,t, tal que a

4.4. Resumo dos MPIs 109 M in f (x, q, v) S.a. : Ax + Sq + Sv = b˜ x≤ x ≤ x q≤ q ≤ q 0≤ v. (4.29)

Assim, podem ser consideradas 3 tipos de estruturas esparsas ao se redefinir as opera¸c˜oes matriciais para o m´etodo de pontos interiores.

3. Matriz Hessiana2: Para o caso em que as vari´aveis de decis˜ao s˜ao xi,te

ui,t, a matriz Hessiana possui a seguinte estrutura:

H = ! Hxx Hxu Hxu Huu " .

Onde: Hxx, Hxu e Huu s˜ao matrizes diagonais associadas aos valores

da derivada segunda da fun¸c˜ao objetivo.

Uma op¸c˜ao, estudada neste trabalho, ´e considerar apenas as matrizes

Hxx e Huu associadas `a diagonal principal de H e verificar o desempe-

nho dos m´etodos de pontos interiores ao utilizar esta aproxima¸c˜ao da Hessiana. Esta abordagem ser´a denominada matriz Hessiana diagonal, ao passo que a considera¸c˜ao completa da Hessiana ser´a denominada matriz Hessiana Tridiagonal (devido `a sua estrutura esparsa).

Para as formula¸c˜oes em que as vari´aveis de decis˜ao s˜ao xi,t, qi,t e vi,t, a

matriz H ser´a dada por:

H =    Hxx Hxq 0 Hxq Hqq Hvq 0 Hvq Hvv   .

Onde: Hxx, Hqq, Hvv, Hxq, Hvq s˜ao matrizes diagonais associadas aos

valores da derivada segunda da fun¸c˜ao objetivo.

2Mais detalhes sobre as dedu¸c˜oes das derivadas parciais e a estrutura esparsa da matriz

110

Cap´ıtulo 4. M´etodos de Pontos Interiores para o Modelo de

Otimiza¸c˜ao a Usinas Individualizadas

Para os modelos (x, q, v) e (x, q, v)m, a considera¸c˜ao apenas das sub- matrizes Hxx, Hqq e Hvv para o c´alculo da Hessiana ser´a denominada

Hessiana Diagonal. Se toda matriz Hessiana H for considerada, ent˜ao ser´a dito que a Hessiana Tridiagonal ´e que est´a sendo utilizada.

Assim, existem duas possibilidades de considera¸c˜ao de matriz Hessiana.

4. M´etodo de pontos interiores: O MPI a ser implementado pode utili- zar uma dire¸c˜ao preditora e outra corretora (preditor-corretor) ou n˜ao (primal-dual). Isto resulta em duas possibilidades de implementa¸c˜ao de MPI. Detalhes na se¸c˜ao 4.2.2.

5. Busca Unidimensional: A busca unidimensional descrita em [34] pode ser utilizada para fornecer um ´unico passo para as dire¸c˜oes primais e duais, ou ainda, pode ser adotado um tamanho fixo para o passo primal e outro para o dual (o tamanho do passo est´a relacionado com o parˆametro τ ).

6. Ponto inicial: Podem ser considerados quatro tipos de ponto inicial (como descritos na se¸c˜ao 4.2.2).

7. Parˆametro de centragem σ do MPI pode assumir os valores 1/n, 1/#(n) e 0.

8. Parˆametro τ que garante que o MPI permane¸ca interior pode assumir os valores 0, 995 ou 0, 99995.

O total de MPIs poss´ıveis ´e igual `a: 4× 3 × 2 × 2 × 2 × 4 × 3 × 2 = 2304. Todas as combina¸c˜oes foram implementadas e seu funcionamento verificado. Para testar e verificar qual a melhor combina¸c˜ao ´e necess´ario estabelecer dois crit´erios: Robustez e Velocidade.

Obviamente n˜ao ´e inten¸c˜ao deste trabalho expor testes exaustivos com todas as combina¸c˜oes de parˆametros. Isto, al´em de resultar em uma tarefa demorada, implicaria em dificuldades para se analisar qual combina¸c˜ao ´e melhor que as demais.

Por exemplo, se fossem considerados 10 casos testes, ent˜ao, armazenando a an´alise de desempenho e valor da fun¸c˜ao objetivo para cada op¸c˜ao de implementa¸c˜ao do MPI resultaria em um tabela 2304× 20 (valor da fun¸c˜ao objetivo e tempo computacional para cada um dos 10 casos). A solu¸c˜ao

4.4. Resumo dos MPIs 111

adotada para este problema ´e separar a obten¸c˜ao de resultados em duas fases.

Na primeira fase ser˜ao feitos testes verificando como cada op¸c˜ao de cada parˆametro se comporta em rela¸c˜ao aos demais, observando robustez e velo- cidade do MPI.

Em uma segunda fase, as melhores op¸c˜oes de cada parˆametro ser˜ao tes- tadas para problemas de grande porte.

Cap´ıtulo 5

Resultados para o Modelo de

Otimiza¸ao a Usinas

Individualizadas

5.1

Introdu¸ao

A id´eia fundamental deste Cap´ıtulo ´e selecionar uma configura¸c˜ao de m´etodo de pontos interiores, dentre as 2304 op¸c˜oes existentes, que ´e robusta e eficiente para a resolu¸c˜ao de MOUI’s com grande n´umero de usinas e intervalos de tempo considerados.

Para tanto, ser˜ao realizadas duas fases de testes. Em uma primeira fase ser˜ao selecionadas op¸c˜oes de MPI considerando apenas estudos de caso com poucas usinas e per´ıodos e comparando as op¸c˜oes de MPI observando dois crit´erios: robustez e eficiˆencia.

Na segunda fase, o MPI, com as op¸c˜oes de parˆametros selecionadas na pri- meira fase, ser´a aplicado em problemas de grande porte, como, por exemplo, as usinas hidrel´etricas do Sistema Interligado Nacional (SIN) despachadas pelo ONS (vide Figura 3.8).

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