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양자기반 진화알고리즘을 이용한 평면 트러스의 구조최적화
Structural Optimization of Planar Truss using Quantum-inspired Evolution Algorithm 원문보기

한국구조물진단유지관리공학회 논문집 = Journal of the Korea Institute for Structural Maintenance and Inspection, v.18 no.4, 2014년, pp.1 - 9  

손수덕 (한국기술교육대학교 건축공학부) ,  이승재 (한국기술교육대학교 건축공학부)

초록
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최근 양자컴퓨터의 개발과 더불어 양자역학의 특성을 응용한 양자기반 탐색기법의 개발과 공학 문제에의 적용은 매우 흥미로운 연구주제 중 하나로 부각되고 있다. 이 알고리즘은 기본적으로 0과 1이 중첩되어진 양자비트를 이용하여 정보가 저장되고, 양자게이트 연산을 통해 해에 접근하게 된다. 이 과정에서 알고리즘은 탐사와 개척 두 가지 탐색 특성간의 균형이 자연스럽게 유지되며, 진화정보가 계속 누적된다는 장점으로 기존의 탐색법과 차별되어 새로운 알고리즘으로 평가되었다. 본 연구에서는 이와 같은 양자기반 진화알고리즘을 평면 트러스의 구조최적화에 적용하여 최소중량설계 기법을 제안하였다. 최적화 수리모형에서 비용함수는 최소중량이며, 제약함수는 변위와 응력에 관한 함수로 구성하였다. 진화정보의 누적과 수렴 과정을 알아보기 위해서 10부재 평면 트러스와 17부재 평면트러스 예제를 수치예제로 채택하여 결과를 분석하였다. 수치예제의 구조최적설계 결과에서 볼 때, 기존의 고전적 탐색기법의 연구결과와 비교해서 더 나은 최소중량 설계의 결과를 얻을 수 있었으며, 진화정보의 누적된 결과로 해의 정밀도를 관찰할 수 있었다. 또한 누적된 진화정보인 양자비트의 확률적 표현은 종료시점을 쉽게 판단할 수 있다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

With the development of quantum computer, the development of the quantum-inspired search method applying the features of quantum mechanics and its application to engineering problems have emerged as one of the most interesting research topics. This algorithm stores information by using quantum-bit s...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 따라서 본 연구는 최소중량설계를 위한 구조 최적화 문제에 있어서 양자기반 진화알고리즘을 적용하여 최적설계를 수행하는데 목적이 있다. 최적설계 대상구조물은 평면 트러스에 대한 최소중량설계의 수리모형을 이용하며, 변위와 응력을 제약조건 아래에서의 최소중량을 구하도록 한다.
  • 는 설계초기에 결정되며, 설계조건에 따라 값을 달리 할 수 있다. 따라서 이와 같은 제약조건식을 만족하는 최소중량을 가지는 전역 최적해를 구하는 것이 궁극적인 목적이며, 수리모형에서 각각의 제약함수는 조건의 중요도에 따라 벌칙함수의 계수를 조절하여 탐색한다.
  • 양자기반 진화알고리즘을 이용하여 평면 트러스 구조물의 최적구조설계 알고리즘의 유효성과 적용과정을 살펴보기 위해서 본 논문에서는 기존의 연구에서 많이 검증된 10부재 평면 트러스 예제와 17부재 평면 트러스 예제를 채택하여 해석을 수행하고 결과를 분석하였다. 양자진화 알고리즘의 초기 해석조건으로는 두 예제 모두 16개의 양자비트와 3그룹의 50개의 개체를 이용하였다.
  • 벌칙함수를 이용하여 변위와 응력에 관한 부등 제약을 적합도함수에 부여함으로서 문제를 해결하도록 하며, 목적에 부합된 최적설계 결과를 얻도록 한다. 적용 대상 구조물의 예제로 본 논문에서는 10부재 트러스와 17부재 평면트러스를 대상으로 해석결과를 다른 알고리즘과의 결과와 비교 고찰하도록 한다.

가설 설정

  • 689×105 MPa이다. 단면적이 설계변수가 되며, 부재조합을 고려하지 않으므로 모두 10개의 단면적이 설계 변수로 가정된다. 예제는 하중의 형태에 따라 두 가지 Case 로 나뉜다.
  • 두 경우 모두 응력제한은 ±172.36 MPa이고, 절점의 각 성분별 변위제약은 ±5.08 cm로 가정하였다.
  • 예제의 하중 P는 444.82 kN이고, 응력제한은 ±334.74 MPa, 변위제약은 ±5.08 cm로 가정하였다.
  • 양자진화 알고리즘의 초기 해석조건으로는 두 예제 모두 16개의 양자비트와 3그룹의 50개의 개체를 이용하였다. 최대 반복횟수는 1000회로 가정하였고, 양자회전 게이트의 회전 위상각은 0.2 rad의 값을 이용하였다. 이상의 조건을 이용하여 해석예제의 목적함수와 양자비트의 확률변화를 이용하여 최적해의 수렴과정과 결과를 분석하도록 한다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
양자전산이란? 양자전산이란 양자역학계의 특징인 불확정성, 중첩 (Superposition) 과 얽힘 (Entanglement), 간섭 (Perturbation) 등을 이용하여 지금까지와는 근본적으로 다른 방식으로 정보를 처리하는 일련의 기술을 의미하는 것으로, 전산 및 정보전송기술을 포함한 양자정보과학 전체를 지칭하는 말이다. 1980년대 Feynman 에 의해 처음 제안된 양자컴퓨터는 결정론적 데이터대신 불확정성을 지닌 데이터 처리를 수행하기 위해 양자 역학적 현상을 동작 원리로 사용하는 연산 기계 장치를 생각하게 되었 으며, 이제까지의 이진비트가 가지는 결정론적 개념의 데이 터에서 불확정적인 확률론적 양자비트 (Quantum-bits)의 개 념으로 획기적인 변화가 시도된 것이다.
많이 알려진 양자알고리즘에는 어떤 것들이 있는가? 많이 알려진 양자알고리즘으로는 1994년 Shor의 양자소인 수분해 알고리즘과 1996년 Grover의 양자데이터 검색 알고 리즘 (Quantum search algorithm)이 있다 (Show, 1994; Glover, 1996). 이후 몇몇 연구자들에 의해 다양한 접목이 시작되었고, 진화전산 (Evolutionary Computation)과의 다양한 접목이 1990년 후반부터 연구가 나타나기 시작했다.
양자기반 유전자알고리즘의 중요한 문제는 무엇이었나? 양자비트를 이용한 이들의 알고리즘은 기본적으로 0과 1이중첩된 비트의 표현방법과 양자게이트의 적용이었고, 어떻게 연산자가 양자데이터를 처리하도록 할 것인가가 중요한 문제이 었다. 기존의 컴퓨터에서 양자비트표현과 연산자의 처리는 결정적 데이터를 이용한 불확정성을 도입한 구조로 표현해야 했으며, 양자비트의 표현 (representation)과 측정 (measurement) 은 새로운 데이터 처리방법이 되었다.
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참고문헌 (26)

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