Βελτιστοποίηση υπό πίεση ακτινωτών αρδευτικών δικτύων με χρήση αλγόριθμου αποικίας μυρμηγκιών
Authors: Κανάκης Παναγιώτης 
Published: August 2021

Στην παρούσα διδακτορική διατριβή αναπτύχθηκε ένας αλγόριθμος βελτιστοποίησης για την επίλυση του προβλήματος της βέλτιστης επιλογής διαμέτρων των υπό πίεση αρδευτικών δικτύων που λειτουργούν με καθεστώς ελεύθερης ζήτησης, με ταυτόχρονη βελτιστοποίηση της επιλογής μανομετρικού φορτίου στα αντλιοστάσια. Ο αλγόριθμος ανήκει στην κατηγορία των Αλγορίθμων Βελτιστοποίησης Αποικίας Μυρμηγκιών (Ant Colony Optimization Algorithms, ACO Algorithms), μία κατηγορία σύγχρονων μεθευρετικών μεθόδων που βασίζονται στις διαδικασίες που χρησιμοποιούν τα αληθινά μυρμήγκια για να βρουν τη συντομότερη διαδρομή από τη φωλιά της αποικίας προς την τροφή, μέσω της απόθεσης φερομόνης στις διαδρομές που ακολουθούν. Από τη βιβλιογραφία προκύπτει ότι οι μεθευρετικές μέθοδοι υπερέχουν έναντι των κλασικών μαθηματικών μεθόδων στη βελτιστοποίηση δικτύων διανομής νερού με βρόχους, όπως είναι τα αστικά δίκτυα ύδρευσης. Δεν υπάρχουν όμως εφαρμογές σε ακτινωτά υπό πίεση αρδευτικά δίκτυα. Ο κώδικας προγραμματισμού αναπτύχθηκε σε γλώσσα προγραμματισμού Fortran. Στον κώδικα ενσωματώθηκαν οι διαδικασίες ελέγχου της ορθής υδραυλικής λειτουργίας των παραγόμενων λύσεων, οι οποίες εφαρμόζονται άμεσα και αφορούν τον έλεγχο του υπολειπόμενου φορτίου στους κόμβους και τη διατήρηση φθίνουσας τάξης μεγέθους των διαμέτρων κατά μήκος των σωληνώσεων του δικτύου. Οι παροχές των αγωγών υπολογίστηκαν με τον πρώτο τύπο του Clément. Οι απώλειες φορτίου υπολογίστηκαν με τη σχέση των Hazen-Williams. Στις διαδικασίες του αλγορίθμου έχουν προστεθεί δύο νέοι μηχανισμοί που βοηθούν στην πιο γρήγορη σύγκλιση στη λύση και στη μείωση του χρόνου εκτέλεσης. Αυτοί οι μηχανισμοί ονομάστηκαν Προσθήκη Φερομόνης 2ου Σταδίου (Second Step Pheromone Addition, SSPA) και Ώθηση Εκκίνησης (Start Boost Mechanism, SBM). Η αποτελεσματικότητά τους, καθώς και η βέλτιστη επιλογή των παραμέτρων του αλγορίθμου, ερευνήθηκε μέσα από μία διαδικασία παραμετρικής ανάλυσης. Η εφαρμογή του αλγορίθμου ACO έγινε στο δίκτυο του αντλιοστασίου άρδευσης Σ9 της τέως λίμνης Γιαννιτσών. Είναι ένα υπό πίεση ακτινωτό δίκτυο ελεύθερης ζήτησης με έκταση περίπου 3000 στρέμματα, με 71 αγωγούς και 110 εγκατεστημένα υδροστόμια. Για την επιλογή των παραμέτρων που είναι απαραίτητες για την εφαρμογή του τύπου του Clément πραγματοποιήθηκε πειραματική διαδικασία στην περιοχή μελέτης. Οι μετρήσεις αφορούσαν την παροχή και πίεση στην έξοδο των υδροστομίων κατά τη διάρκεια της λειτουργίας τους. Επίσης, συλλέχθηκαν δεδομένα ζητούμενης παροχής και πίεσης από το αντλιοστάσιο καθώς και μετεωρολογικά δεδομένα. Η πειραματική διαδικασία έδειξε ότι ο σχεδιασμός του δικτύου βάσει της μελέτης του δεν ανταποκρίνεται στις πραγματικές συνθήκες λειτουργίας. Η εφαρμογή της προτεινόμενης μεθόδου ACO στο δίκτυο μελέτης απέδειξε ότι η παρούσα κατάσταση λειτουργίας έχει διαφορετικές απαιτήσεις από την θεωρούμενη κατά το σχεδιασμό του δικτύου. Τέλος, για την καλύτερη αξιολόγηση της προτεινόμενης μεθόδου ACO, έγινε σύγκριση με τα αποτελέσματα της ασυνεχούς μεθόδου του Γραμμικού Προγραμματισμού και της συνεχούς μεθόδου του Μη Γραμμικού Προγραμματισμού.