Βελτιστοποίηση βροχωτών δικτυών διανομής νερού με τη χρήση του αλγόριθμου αναζήτησης αρμονίας και του εργαλείου python wntr
Creators: name: Ευφραιμίδου Θωμαή Στυλιανού
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2023
Subjects: Σχεδιασμός δικτύων διανομής νερού
Αλγόριθμος Αναζήτησης Αρμονίας
Υδραυλική προσομοίωση
Design of water distribution networks
Harmony Search Algorithm
Hydraulic simulation

description: Στόχος των βροχωτών δικτύων ύδρευσης είναι να διασφαλιστεί ότι το απαιτούμενο νερό παρέχεται για την ικανοποίηση των αναγκών μιας κατοικημένης περιοχής σε επαρκείς ποσότητες και επίπεδα ποιότητας, τηρώντας παράλληλα τα επιτρεπτά όρια πίεσης. Ο υδραυλικός μελετητής ή η υπηρεσία που διαχειρίζεται ένα δίκτυο ύδρευσης συμβουλεύεται για τη λήψη κρίσιμων αποφάσεων, υπολογιστικά πακέτα ανάλυσης και προσομοίωσης δικτύων, καθώς και τα αντίστοιχα μαθηματικά μοντέλα. Η εφαρμογή της ανθρώπινης κρίσης και εμπειρίας απαιτείται τόσο για την ερμηνεία και αξιολόγηση των αποτελεσμάτων του εκάστοτε μοντέλου όσο και για την ικανοποίηση των αντίστοιχων κριτηρίων καταλληλότητας. Σύμφωνα με τα παραπάνω απαιτείται έρευνα βιώσιμων στρατηγικών σχεδιασμού των δικτύων, οι οποίες θα αποσκοπούν στην οικονομοτεχνική βελτιστοποίηση τους. Σκοπός της συγκεκριμένης διπλωματικής εργασίας είναι η βελτιστοποίηση του σχεδιασμού δικτύων διανομής νερού, με συνδυασμό του αλγόριθμου Αναζήτησης Αρμονίας, του λογισμικού υδραυλικής προσομοίωσης EPANET και του προγραμματιστικού πακέτου WNTR. Ο αλγόριθμος Αναζήτησης Αρμονίας είναι ένας αλγόριθμος βελτιστοποίησης, ο οποίος σχεδιάστηκε εμπνευσμένος από τη μουσική διαδικασία αναζήτησης μιας «τέλειας» αρμονίας. Το πρόγραμμα EPANET, έχει σχεδιαστεί με σκοπό την κατανόηση της ροής και της ποιότητας των συστατικών του πόσιμου νερού εντός των συστημάτων διανομής. Παράλληλα το εργαλείο WNTR είναι ένα πακέτο στην γλώσσα προγραμματισμού Python που έχει σχεδιαστεί για την προσομοίωση και ανάλυση υδραυλικών δικτύων. Στην παρούσα διπλωματική εξετάζονται οι περιπτώσεις των δικτύων: Two-Loop, Hanoi, New York City, GoYang και το δίκτυο 25 κόμβων των Jowitt και Xu. Τα δίκτυα εξετάζονται ως προς τη βελτιστοποίηση του συστήματος τους, με κριτήριο την ελαχιστοποίηση του κόστους κατά την διαδικασία επιλογής του συνδυασμού διαμέτρων για τους σωλήνες. Προκειμένου να επιτευχθεί αυτός ο στόχος, αναπτύσσεται κατάλληλος υπολογιστικός κώδικας με χρήση της γλώσσας προγραμματισμού Python. Πιο συγκεκριμένα έχοντας ως δεδομένα τα υψόμετρα, την ζήτηση των κόμβων, τα μήκη των αγωγών, τις αρχικές διαμέτρους, τις διαθέσιμες εμπορικά διαμέτρους με τα αντίστοιχα μοναδιαία κόστη και το συντελεστή Hazen-Williams, προσδιορίζεται το βέλτιστο σετ διαμέτρων με βάση τους εκάστοτε περιορισμούς πιέσεων. Το κάθε δίκτυο επιλύεται ξεχωριστά για πολλά δοκιμαστικά σετ παραμέτρων του αλγόριθμου Αναζήτησης Αρμονίας και υπολογίζονται οι αντίστοιχες αντικειμενικές συναρτήσεις. Οι εκτιμώμενες βέλτιστες λύσεις για κάθε δίκτυο που επιλύθηκε, παρατίθενται αναλυτικά σε πίνακες και γραφήματα, τα οποία σχολιάζονται εκτενώς καθώς και συγκρίνονται με τις προτεινόμενες λύσεις από τη διαθέσιμη βιβλιογραφία. Παρουσιάζεται επίσης μία ανάλυση επιρροής των παραμέτρων HMS, HMCR και PAR, του αλγόριθμου Αναζήτησης Αρμονίας ως προς τη σύγκλιση στις τιμές της αντικειμενικής συνάρτησης του αλγόριθμου, για όλες τις περιπτώσεις δικτύων. Ως αποτέλεσμα είναι εμφανές ότι το συγκεκριμένο συνδυαστικό μοντέλο βελτιστοποίησης είναι ικανό να επιλύσει σύνθετες περιπτώσεις σχεδιασμού δικτύων διανομής νερού
description: The aim of water supply networks is to ensure that the water supplies are sufficient to serve the needs of a residential area in adequate volumes and quality standards, while respecting allowable pressure limits. The hydraulic engineer or the authority managing a water supply network consults computer systems for network analysis and simulation, as well as the corresponding mathematical models, to make critical decisions. The application of both human judgment and experience is required to interpret and evaluate the results of the model concerned and to satisfy the relevant performance criteria. In line with the above, research into sustainable network design strategies is essential, aiming at their economic and technical optimization. The objective of this thesis is to improve the design of water distribution networks by combining the Harmony Search algorithm, the hydraulic simulation software EPANET and the programming package WNTR. The Harmony Search Algorithm is an optimization algorithm, which was designed based on the musical process of searching for a "perfect" harmony. The EPANET program, is designed to understand the flow and quality of drinking water constituents within distribution systems. While the WNTR tool is a package developed in the Python programming language designed for the simulation and analysis of hydraulic networks. In this dissertation we consider the cases of Two-Loop, Hanoi, New York City, GoYang and the 25-node network of Jowitt and Xu. The networks are examined in terms of optimizing their system, with the criterion of minimizing the cost in the process of selecting the diameter combination for the pipes. In order to achieve this objective, a suitable computer code is developed using the Python programming language. More specifically, taking as inputs the nodes demand and elevations, pipeline lengths, initial diameters, commercially available diameters with corresponding unit costs and the Hazen-Williams coefficient, the optimal set of diameters is determined based on the respective pressure constraints. Each network is solved separately for several test sets of the Harmony Search algorithm parameters and the equivalent objective functions are estimated. The estimated optimal solutions for each network solved are presented in detail in tables and graphs, which are extensively commented and compared with the proposed solutions from the available bibliography. An analysis of the influence of the HMS, HMCR and PAR parameters of the Harmony Search algorithm on the convergence in the values of the objective function is also presented for all network cases. As a result, it is evident that this combinatorial optimization model is capable of solving complex water distribution network design scenarios