Especificação e Implementação de um Algoritmo Genético para Otimização de Projetos de

88 Pages·2015·1.79 MB·Portuguese

UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE
CENTRO DE TECNOLOGIA
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA ELÉTRICA

Rômulo Alves de Oliveira

Especificação e Implementação de um Algoritmo
Genético para Otimização de Projetos de Iluminação
Pública

Número de ordem PPgEEC: D134
Natal, Rio Grande do Norte
Janeiro/2015
ii

Autorizo a reprodução e divulgação total ou parcial deste trabalho, por qualquer meio
convencional ou eletrônico, para fins de estudo e pesquisa desde que citada a fonte.

UFRN / Biblioteca Central Zila Mamede
Catalogação da Publicação na Fonte

Oliveira, Rômulo Alves de.
Especificação e implementação de um algoritmo genético para
otimização de projetos de iluminação pública / Rômulo Alves de Oliveira. –
Natal, RN, 2015.
73 f. : il.

Orientador: Prof. Dr. Manoel Firmino de Medeiros Junior.

Tese (Doutorado) – Universidade Federal do Rio Grande do Norte.
Centro de Tecnologia. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica
e de Computação.

1. Iluminação pública – Tese. 2. Eficiência energética – Tese. 3.
Algoritmo genético – Tese. 4. Otimização de projetos elétricos – Tese. I.
Medeiros Junior, Manoel Firmino de. II. Universidade Federal do Rio
Grande do Norte. III. Título.

RN/UF/BCZM CDU 621.31
iii

Rômulo Alves de Oliveira

Especificação e Implementação de um Algoritmo
Genético para Otimização de Projetos de Iluminação
Pública

Tese submetida ao Programa de Pós-Graduação em
Engenharia Elétrica e de Computação da
Universidade Federal do Rio Grande do Norte
como parte dos requisitos para a obtenção do grau
de Doutor em Ciências em Engenharia Elétrica (D.
Sc.).

Orientador: Prof. Dr. - Ing. Manoel Firmino de Medeiros Junior

Natal, Rio Grande do Norte

Janeiro/2015
iv

Nome: OLIVEIRA, Rômulo Alves de
Título: Especificação e Implementação de um Algoritmo Genético para Otimização de Projetos de Iluminação
Pública

Tese submetida ao Programa de Pós-Graduação em
Engenharia Elétrica e de Computação da
Universidade Federal do Rio Grande do Norte
como parte dos requisitos para a obtenção do grau
de Doutor em Ciências em Engenharia Elétrica (D.
Sc.).

Aprovada em: 27 de Janeiro de 2015

Banca examinadora
v

Aos meus pais, Geraldo de Oliveira e Maria das
Dores, a minha esposa, Roseanne, e aos meus
filhos, Letícia, Rômulo Jr. e Vanessa.
vi

AGRADECIMENTOS

Agradeço primeiramente a Deus, pela vida e pelas oportunidades.
Aos meus pais, Geraldo de Oliveira e Maria das Dores Alves de Oliveira, pelo incentivo e
pelos exemplos de vida.
Aos meus irmãos, Carlos Marximiliano Alves de Oliveira, Sérgio Alves de Oliveira, Arnaldo
Alves de Oliveira, Socorro Alves de Oliveira e Geraldo de Oliveira Júnior, pela companhia,
especialmente, no início da jornada.
A minha esposa Roseanne Santos de Carvalho, pela paciência, compreensão, companhia e
sugestões.
Aos meus filhos, Letícia Lima de Oliveira, Rômulo Alves de Oliveira Júnior e Vanessa
Carvalho de Oliveira, pela motivação.
Ao meu orientador, professor Manoel Firmino de Medeiros Júnior, pela disposição, empenho
e paciência.
Ao engenheiro Roberto Felipe Andrade Menezes pela contribuição ao trabalho.

Aos colegas do Instituto Federal de Sergipe, pelas palavras de incentivo.
vii

RESUMO

OLIVEIRA, R. A. Especificação e Implementação de um Algoritmo Genético para
Otimização de Projetos de Iluminação Pública. 2015. Tese (Doutorado) – Programa de
Pós-Graduação em Engenharia Elétrica e de Computação, Universidade Federal do Rio
Grande do Norte, Natal.

A elaboração de projetos de Iluminação Pública no Brasil deve atender os padrões
estabelecidos nas normas brasileiras. Grande parte desses projetos é elaborada através da
utilização de “regras práticas” conhecidas e praticadas pelos projetistas da área. Em alguns
casos, também são utilizadas ferramentas computacionais oferecidas, em geral, pelos
principais fabricantes de lâmpadas/luminárias. Essas ferramentas têm servido apenas como
ferramentas de cálculo, apresentando algumas limitações, tais como: não estão aptas a
verificar o atendimento ou não dos parâmetros estabelecidos pelas normas brasileiras, grande
parte das luminárias oferecida em seu banco de dados não são comercializadas no Brasil, não
possuem nenhuma preocupação com relação à análise dos custos de implantação dos projetos
elaborados e, por fim, apresentam uma enorme dificuldade na realização de testes em um
volume grande de possíveis projetos. É objetivo desta tese, desenvolver uma metodologia e
uma ferramenta computacional para a elaboração de projetos de Iluminação Pública com base
nas técnicas de Algoritmo Genético que não só realize os cálculos desses projetos, mas que
também possa testar várias possíveis projetos utilizando em seu banco de dados luminárias
comercializadas no Brasil, oferecendo ao usuário, como solução, um conjunto de projetos que
atendam as normas brasileiras e classificados em função dos custos de implantação de cada
projeto. Para ajustar a metodologia proposta foram modificados os seguintes parâmetros de
desempenho do Algoritmo Genético: número de indivíduos da população inicial;
probabilidade de realização de cross-over e de mutação. Uma comparação dessa metodologia
com os projetos elaborados com a utilização das “regras práticas” é realizada para vários tipos
de vias existentes. Os resultados obtidos utilizando a metodologia proposta e a ferramenta
computacional desenvolvida mostram que a metodologia, incluindo os ajustes nos parâmetros
de desempenho, é capaz de atender ao objetivo do trabalho.
Palavras-chave: Eficiência Energética, Algoritmo Genético, Iluminação Pública, Otimização
de Projetos Elétricos.
viii

ABSTRACT

OLIVEIRA, R. A. Specification and Implementation of a Genetic Algorithm for
Optimization of Public Illumination Projects. 2015. Thesis (Doctorate) – Post-graduate
Program in Electrical Engineering and Computer, Federal University of Rio Grande do Norte,
Natal.

The development of public lighting projects in Brazil must meet the standards established in
Brazilian standards. Many of these projects is developed through the use of knowledge about
"practical rules" practiced by the designers of this area. In some cases are also used
computational tools offered, generally, by leading manufacturers of lamps/luminaires. These
tools have served only as calculation tools, with some limitations, such as: are not able to
verify compliance or not the parameters established by Brazilian standards, most of the
luminaires offered in your database are not sold in Brazil, not have no concern about the
analysis of the implementation costs of elaborate designs and, finally, present an enormous
difficulty in performing tests on a large volume of possible projects. It is the goal of this thesis
to develop a methodology and a computational tool for the development of public lighting
projects based on genetic algorithm techniques that not only perform the calculations of these
projects, but can also test several possible projects using in your database the luminaires
marketed in Brazil, providing the user, as a solution, a set of projects that meet the Brazilian
standards and classified according the implementation costs of each project. To adjust the
proposed algorithm the following performance parameters were modified: number of
individuals in the initial population; probability of achievement of the cross-over; probability
of achievement of the mutation. A comparison of this method with the projects developed
with the use of "practical rules" is performed for various types of existing roads. The results
obtained using the proposed methodology and the developed computational tool show that the
methodology, including the adjustments in performance parameters, is able to meet the
objectives of the work.
Keywords: Energy Efficiency, Genetic Algorithm, Public Illumination, Optimization of
Electrical Projects.
ix

Sumário

Introdução .......................................................................................................................... 01
Capítulo 1. Conceitos Básicos de Luminotécnica e IP .................................................... 06
1.1. Fundamentação teórica ........................................................................................... 06
1.1.1. Fluxo luminoso ............................................................................................... 06
1.1.2. Eficiência luminosa ......................................................................................... 06
1.1.3. Intensidade luminosa ....................................................................................... 07
1.1.4. Iluminância ..................................................................................................... 08
1.1.5. Luminância ..................................................................................................... 10
1.2. Conceitos para Projetos de Iluminação Pública ....................................................... 10
1.2.1. Critérios para elaboração de um projeto de iluminação pública ....................... 11
1.2.2. Configuração para distribuição de postes ......................................................... 11
1.2.3. Lâmpadas usadas na iluminação pública ......................................................... 13
1.1.1.1 Lâmpadas de vapor de mercúrio ............................................................. 14
1.1.1.2 Lâmpadas de multivapores metálicos ...................................................... 15
1.1.1.3 Lâmpadas de vapor de sódio ................................................................... 15
1.1.1.4 Outros tipos de lâmpada ......................................................................... 16
1.2.4. Classificação do volume do tráfego em vias públicas ...................................... 17
1.2.5. Classificação de vias públicas ......................................................................... 17
1.2.6. Classes de iluminação ..................................................................................... 20
1.3. Critérios de projeto segundo a NBR5101 (2012) .................................................... 21
1.3.1. Fator de uniformidade da iluminância ............................................................. 21
1.3.2. Fator de uniformidade da luminância (uniformidade global)............................ 22
1.3.3. Fator de uniformidade da luminância (uniformidade longitudinal)................... 22
1.3.4. Iluminância média mínima .............................................................................. 23
1.3.5. Malha de cálculo ............................................................................................. 23
1.3.6. Requisitos de iluminância, luminância e uniformidade .................................... 24
Capítulo 2. Teoria Básica de Algoritmos Genéticos.......................................................... 25
2.1. Otimização ............................................................................................................. 25
2.2. Histórico ................................................................................................................ 27
x

2.3. Princípios ............................................................................................................... 28
2.4. Passos de um algoritmo genético ............................................................................ 30
2.5. Codificação ............................................................................................................ 31
2.6. População ............................................................................................................... 33
2.7. Avaliação ............................................................................................................... 34
2.8. Mecanismos de seleção .......................................................................................... 34
2.9. Elitismo .................................................................................................................. 36
2.10. Operadores de variabilidade genética .................................................................... 36
2.10.1. Mutação ....................................................................................................... 36
2.10.2. Cross-over ................................................................................................... 37
2.11. Parâmetros genéticos ............................................................................................ 38
2.11.1. Tamanho da população .................................................................................. 38
2.11.2. Taxa de cross-over ........................................................................................ 38
2.11.3. Taxa de mutação ........................................................................................... 39
2.11.4. Critério de parada .......................................................................................... 39
Capítulo 3. Modelo Proposto ............................................................................................. 40
3.1. Metodologia ........................................................................................................... 41
3.2. Representação do Cromossomo .............................................................................. 41
3.3. População inicial .................................................................................................... 43
3.4. Avaliação da norma técnica .................................................................................... 43
3.5. Função objetivo ...................................................................................................... 44
3.6. Avaliação dos custos e da aptidão ........................................................................... 45
3.7. Critério de parada adotado ...................................................................................... 46
3.8. Seleção ................................................................................................................... 46
3.9. Aplicação dos operadores de variabilidade genética ................................................ 47
3.10. Avaliação dos resultados alcançados..................................................................... 47
3.11. Ajuste do modelo ................................................................................................. 48
Capítulo 4. Implementação e Resultados de Aplicações ................................................... 51
4.1. Aplicações práticas ................................................................................................. 51
4.2. Considerações sobre as instalações atuais ............................................................... 59
Conclusões .......................................................................................................................... 62
Referências ......................................................................................................................... 64
ANEXO A – Descrição e exemplo de arquivo no padrão IES .......................................... 67