Hybrid method for least-cost design of the water distribution systems

Open access

Hybridná Metóda Pre Návrh Distribučných Systémov Rozvodu Vody

V článku je predstavený model cenovej optimalizácie pri navrhovaní priemerov potrubí okruhových tlakových rozvodov určených na distribúciu vody, ktorý je založený na kombinácii metódy lineárneho programovania (LP) a genetických algoritmov (GA). Cenovo optimálny návrh okruhových sietí patrí do triedy relatívne veľkých kombinatorických problémov, ktoré sú ťažko riešiteľné klasickými technikami matematického programovania. Z tohto dôvodu bolo v posledných dvoch dekádach vyvinutých aj viacero heuristických algoritmov. Napriek tomu pretrváva určitá neistota, pokiaľ ide o spoľahlivosť existujúcich metód, ktorá sa odzrkadľuje ich malým využitím v praxi. Autori predkladajú metódu, v ktorej sa pri hľadaní optimálneho návrhu okruhových sústav v zmysle priblíženia sa ku globálnemu minimu hlavný dôraz kladie na vyššiu spoľahlivosť. Ide o hybridnú metódu, ktorá kombinuje genetické algoritmy (heuristická zložka) s lineárnym programovaním (deterministická zložka). Autori verifikujú metódu na benchmarkovej distribučnej sústave, používanej na testovanie v odbornej literatúre a na dvoch modeloch derivovaných z tejto sústavy so známym riešením. Výsledky potvrdzujú, že v porovnaní s existujúcimi modelmi navrhovaná metóda zaručí vyššiu úroveň kvality dosahovaných výsledkov, tak v zmysle priblíženia sa ku globálnemu minimu, ako aj z hľadiska jednoduchšieho nastavovania parametrov GA a rýchlejšej konvergencie. Metódu možno použiť pri navrhovaní nových systémov aj na rekonštrukciu existujúcich systémov na rozvod pitnej vody a pri navrhovaní tlakových závlahových systémov.

ALPEROVITS E., SHAMIR U., 1977: Design of Optimal Water Distribution Systems. Water Resources Research, AGU, vol. 13, no. 6, 885-900.

CUNHA M. C. and SOUSA J., 2001: Hydraulic infrastructures design using simulated annealing. Journal of Infrastructure Systems, ASCE, 7, 1, 32-39.

ČISTÝ M., 2002a): Rehabilitation of Irrigation Pressurised Pipe Systems Using Optimisation Techniques. J. of Land and Water Development, No. 6, Polish Academy of Sciences, p. 117-128.

ČISTÝ M., 2002b): Optimalizačné a simulačné modely v závlahách súčasnosti. Edícia vedeckých prác, STU Bratislava, 93 s. ISBN 80-227-1770-3.

DANDY G.C., SIMPSON A.R., and MURPHY L.J., 1996: An Improved Genetic Algorithm for Pipe Network Optimization. Water Resources Research, 32, 2, 449.

EIGER G., SHAMIR U. and BEN-TAL A., 1994: Optimal Design of Water Distribution Networks. Water Resources Research, 30, 9, 2637-2646.

EUSUFF M.M., and LANSEY K.E., 2003: Optimisation of water distribution network design using the shuffled frog leaping algorithm. J. Water Resources Planning and Management, 129, 3, 210-225.

FUJIWARA O., and KHANG D.B., 1990: A Two-Phase Decomposition Method for Optimal Design of Looped Water Distribution Networks. Water Resources Research, 26, 4, 539-549.

GEEM Z.W., KIM J.H. and LOGANATHAN G.V., 2002: Harmony search optimization: application to pipe network design. International Journal of Modelling and Simulation, 22, 2, 125-133.

GOLDBERG D.E., 1989: Genetic Algorithms in Search. Optimization and Machine Learning, New York, Addison-Wesley.

KESSLER A., and SHAMIR U., 1989: Analysis of the Linear Programming Gradient Method for Optimal Design of Water Supply Networks. Water Resources Research, 25, 7, 1469-1480.

KOMORNÍKOVÁ M., SZOLGAY J., SZÖKEOVÁ D., JURČÁK S:, A hybrid modelling framework for forecasting. J. Hydrol. Hydromech., 56, 2008, 4, 145-162.

LABYE Y., 1966: Etude des procèdes de calcul ayant pour but de rendre minimal le coût d'un réseau de distribution d'eau sous pression. La Houille Blanche, 5, 577-583.

LABYE Y., 1981: Iterative Discontinuous method for networks with one or more flow regimes. Proceedings of the International Workshop on Systems Analysis of Problems in Irrigation, Drainage and Flood Control. New Delhi, 30 November - 14 December, 31-40.

LIONG SHIE-YUI and ATIQUZZAMAN Md., 2004: Optimal Design of Water Distribution Network Using Shuffled Complex Evolution. J. of The Institution of Engineers, Singapore, Vol. 44, Issue 1.

LOGANATHAN G.V., GREENE J.J., and AHN T.J., 1995: Design heuristic for globally minimum cost water-distribution systems. J. of Water Resources Planning and Management, ASCE, 121, 2, 182-192.

MAIER H.R., SIMPSON A.R., FOONG W.K., PHANG K.Y., SEAH H.Y. and TAN C.L., 2001: Ant Colony Optimization for the Design of Water Distribution Systems. Proceedings of the World Water and Environmental Resources Congress, Don Phelps, Gerald Sehlke (eds.), May 20-24, 2001, Orlando, Florida, USA.

SAVIC D.A. and WALTERS G.A., 1997: Genetic algorithms for least-cost design of water distribution networks. J. of Water Resources Planning and Management, ASCE, 123, 2, 67-77.

SOLOMATINE D.P., 1998: Genetic and other global optimization algorithms - comparison and use in calibration problems. Proc. 3rd International Conference on Hydroinformatics. Copenhagen, Denmark, 1021-1028.

SIMPSON A.R., DANDY G.C., and MURPHY L.J., 1994: Genetic algorithms compared to other techniques for pipe optimization. J. of Water Resources Planning and Management, ASCE, 120, 4, 423-443.

TOSPORNSAMPAN J., KITA I., ISHII M., KITAMURA Y., 2007: Split-Pipe Design of Water Distribution Networks Using a Combination of Tabu Search and Genetic Algorithm. International Journal of Computer, Information, and Systems Science, and Engineering, 1, 3.

ZDRAŽIL K., 1965: Výskum výpočtových a grafických metód pre návrh závlahových rúrových sietí. VÚZH Bratislava.

Journal of Hydrology and Hydromechanics

The Journal of Institute of Hydrology SAS Bratislava and Institute of Hydrodynamics CAS Prague

Journal Information


IMPACT FACTOR 2017: 1.714
5-year IMPACT FACTOR: 1.639



CiteScore 2017: 1.91

SCImago Journal Rank (SJR) 2017: 0.599
Source Normalized Impact per Paper (SNIP) 2017: 1.084

Metrics

All Time Past Year Past 30 Days
Abstract Views 0 0 0
Full Text Views 139 139 16
PDF Downloads 75 75 6