کاربرد سامانه مدیریت بهینه شبکه های توزیع آب در فرایند کالیبراسیون

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی دکتری مهندسی منابع آب دانشگاه ارومیه

2 دانشیار گروه مهندسی آب دانشگاه ارومیه

3 دانشیار گروه مهندسی آب دانشگاه فردوسی مشهد

4 دانشیار دانشکده مهندسی و کامپیوتر دانشگاه لندن غرب انگلستان

چکیده

یک مدل هیدرولیکی شبکه توزیع آب زمانی موفق و قابل استناد است که بتواند شرایط واقعی شبکه را با دقت بالا شبیه سازی نماید که جهت دستیابی به این هدف انجام فرایند کالیبراسیون مدل امری اجتناب ناپذیر می باشد. در این تحقیق یک سامانه جدید به نام سامانه مدیریت بهینه شبکه های توزیع آب شهری جهت کالیبراسیون شبکه توزیع آب بر مبنای یک نسخه ساده اصلاحی الگوریتم بهینه سازی ازدحام ذرات (SMPSO) به شکلی ساده و کاربرپسند برای استفاده کارشناسان شرکت آب و فاضلاب معرفی می گردد. فرایند کالیبراسیون موجود در این سامانه با هدف کمینه کردن معیار میانگین درصد خطای مطلق (MAPE) بین فشارهای مشاهداتی و شبیه سازی و بر مبنای استفاده از ضرایب زبری هیزن ویلیامز لوله ها به عنوان متغیرهای تصمیم عمل می کند. بدین منظور در این مقاله ابتدا توانایی روش SMPSO جهت کالیبراسیون یک شبکه مرجع از پژوهش قبلی مورد بررسی قرار گرفت که نتایج نشان داد مقادیر متوسط MAPE در شرایط تقاضای حداکثر، حداقل و جریان آتش نشانی به ترتیب به میزان 425/0، 857/2 و 306/0 درصد کاهش و فقط در شرایط نرمال به میزان 186/0 درصد افزایش یافته است که نشان از برتری این روش نسبت به الگوریتم ژنتیک (GA) می باشد. سپس یک شبکه واقعی در شرایط نرمال، حداکثر، حداقل و مصرف متغیر در طی 24 ساعت بررسی گردید که در تمامی این شرایط میزان MAPE نسبت به کالیبراسیون انجام شده توسط شرکت مشاور به ترتیب 82/5، 20/6، 21/5 و 95/5 درصد کاهش یافت.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

The Application of optimal management system of water distribution networks in the calibration process

نویسندگان [English]

  • Alireza Moghaddam 1
  • Hosein Rezaei 2
  • Ali Naghi Ziaei 3
  • Kourosh Behzadian 4
1 Ph.D Student, Department of Water Engineering, College of Agriculture, University of Urmia, Urmia, Iran
2 Associate Professor, Department of Water Engineering, College of Agriculture, University of Urmia, Urmia, Iran
3 Associate Professor, Department of Water Engineering, College of Agriculture, Ferdowsi University of Masshad, Mashhad, Iran
4 Senior Lecturer, School of Computing and Engineering, University of West London, London W5 5RF, U.K.
چکیده [English]

A hydraulic model of water distribution network is successful and reliable if it can simulate real condition by high accuracy. In this paper introduces a new web-based system which called optimal management system of water distribution networks with the goal of calibration of water distribution network based on simple modified particle swarm optimization (SMPSO) in a simple and user friendly way for the experts of the water and wastewater companies. The calibration process in this web-based system is aimed to minimize Mean Absolute Percentage Error criterion (MAPE) between simulated and observed pressures with the Hazen- Williams roughness coefficients as the decision variables. To achieve this purpose, firstly the SMPSO method is investigated to calibrate a benchmark network which the results showed MAPE average has reduced to 0.425, 2.857 and 0.306 percent in the maximum, minimum and fire demand conditions respectively and has increased 0.186 percent just in the normal condition. It is verify that the SMPSO algorithm performs better than the GA. Then the system is used to calculate a real case water network in the normal, maximum, minimum and different demand conditions during the 24 hours which in these condition MAPE values have decreased 5.82,6.20,5.21 and 5.95 respectively, when compared with calibration obtained by consulting company.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Calibration
  • Optimal management system
  • Simple modified particle swarm optimization
  • water distribution networks
Alvisi,S., Franchini,M. 2010. Pipe roughness calibration in water distribution systems using grey numbers. Journal of hydroinformatics. 12.4: 424-445.

Cheng,W., He,Z. 2010. Calibration of nodal demand in water distribution systems. Journal of water resources planning and management. 137.1: 31-40.

Christodoulou,S., Ellinas,G. 2011. Ant colony optimization for level of service improvements in piping networks. European water. 33: 3-10.

Dini,M., Tabesh,M. 2014. A new method for simultaneous calibration of demand pattern and hazen-williams coefficients in water distribution systems. Water resources management. 28.7: 2021-2034.

Do,N.C., Simpson,A.R., Deuerlein,J.W., Piller,O. 2016. Calibration of water demand multipliers in water distribution systems using genetic algorithms. Journal of water resources planning and management. 142.11: 0401-6044.

Haghighi,A., Ramos,H.M. 2012. Detection of leakage freshwater and friction factor calibration in drinking networks using central force optimization. Water resources management. 26.8: 2347-2363.

Jamasb,M., Tabesh,M., Rahimi,M. 2008. Calibration of EPANET using genetic algorithm. water distribution systems analysis. 1-9.

Jung,B., Karney,B. 2008. Systematic exploration of pipeline network calibration using transients. Journal of hydraulic research. 46(sup1), 129-137.

Lansey,K., El-Shorbagy,W., Ahmed,I., Araujo,J., Haan,C. 2001. Calibration assessment and data collection for water distribution networks. Journal of hydraulic engineering. 127.4: 270-279.

Melo Brentan,B., Luvizotto Jr,E., Ribeiro,L.C.L. 2013. PSO applied to reduce the cost of energy in water supply networks. Applied mechanics and materials: trans tech publ. pp. 409: 703-706.

Moghaddam,A., Alizadeh,A., Faridhosseini,A., Ziaei,A.N., Heravi,D.F. 2018. Optimal design of water distribution networks using simple modified particle swarm optimization approach. Desalination and water treatment.104: 99-110.

Mora-Melia,D., Iglesias-Rey,P., Martinez-Solano,F.J., Ballesteros-Pérez,P. 2015. Efficiency of evolutionary algorithms in water network pipe sizing. Water resources management. 29.13: 4817-4831.

Nazif,S., Karamouz,M., Tabesh,M., Moridi,A. 2010. Pressure management model for urban water distribution networks. Water resources management. 24.3: 437-458.

Ormsbee,L.E. 1989. Implicit network calibration. Journal of water resources planning and management. 115.2: 243-257.

Ostfeld,A., Salomons,E., Ormsbee,L., Uber,J.G., Bros,C.M., Kalungi,P., Burd,R., Zazula-Coetzee,B., Belrain,T.,  Kang,D. 2011. Battle of the water calibration networks. Journal of water resources planning and management. 138.5:523-532.

Roma,J., Perez,R., Sanz,G., Grau,S. 2015. Model calibration and leakage assessment applied to a real Water distribution network. Procedia engineering. 119: 603-612.

Seyoum,A.G., Tanyimboh,T.T., Siew,C. 2016. Practical application of penalty-free evolutionary multi-objective optimisation of water distribution systems. Water utility journal.12: 49-55.

Shi,Y., Eberhart,R.C. 1998a. Parameter selection in particle swarm optimization. International conference on evolutionary programming: Springer. 591-600.

Shi,Y., Eberhart,R. 1998b. A modified particle swarm optimizer. Evolutionary computation proceedings. 1998. IEEE world congress on computational intelligence. The 1998 IEEE international conference on: IEEE. 69-73.

Sunela,M.I., Puust,R. 2015. Real time water supply system hydraulic and quality modeling–a case study. Procedia engineering.119: 744-752.

Tsakiris,G., Spiliotis,M. 2012. Applying resilience indices for assessing the reliability of water distribution systems. Water utility J. 3: 19-27.

Walski,T.M., DeFrank,N., Voglino,T., Wood,R., Whitman,B.E. 2008. Determining the accuracy of automated calibration of pipe network models. Water distribution systems analysis symposium. 1-18.