Water distribution networks (WDNs) are critical infrastructures that deliver water to end users, which is essential for urban development. Ensuring an efficient water supply system while balancing reliability and cost is a significant challenge for water utilities. This requires the proper design of pipe diameters, clusters, partitions, and the placement of isolation valves. This study introduces a novel method by combining a tailored spectral graph metric with an economic perspective using a multi-objective optimization algorithm to optimize the pipe diameter and partitioning in WDNs. This study uses EPANET as a hydraulic simulation engine and links it to a bi-objective optimization to solve the problem in the MATLAB environment. The telescopic diameter distribution is also considered as a constraint in addition to the minimum pressure head and the topological WDN connectivity. After every 40 generations of the optimization algorithm, a novel algorithm is used to fix the diameter distribution of non-dominated solutions.In this study, Modena WDN is utilized as a case study to assess the effectiveness of the proposed method. The effectiveness of the novel method in defining more advantageous solutions in terms of total cost and hydraulic performance is demonstrated by comparing the cost of designing and partitioning using the novel method with those obtained using the traditional method (separate pipe sizing and partitioning).
Le reti di distribuzione idrica (WDN) sono infrastrutture critiche che forniscono acqua agli utenti finali, il che è essenziale per lo sviluppo urbano. Garantire un sistema di approvvigionamento idrico efficiente bilanciando affidabilità e costi rappresenta una sfida significativa per i servizi idrici. Ciò richiede la corretta progettazione dei diametri dei tubi, dei gruppi, delle partizioni e il posizionamento delle valvole di isolamento. Questo studio introduce un nuovo metodo combinando una metrica del grafico spettrale su misura con una prospettiva economica utilizzando un algoritmo di ottimizzazione multi-obiettivo per ottimizzare il diametro del tubo e la partizionamento nelle WDN. Questo studio utilizza EPANET come motore di simulazione idraulica e lo collega a un'ottimizzazione bi-obiettivo per risolvere il problema nell'ambiente MATLAB. Anche la distribuzione del diametro telescopico è considerata un vincolo oltre alla prevalenza minima e alla connettività WDN topologica. Dopo ogni 40 generazioni dell'algoritmo di ottimizzazione, viene utilizzato un nuovo algoritmo per fissare la distribuzione del diametro delle soluzioni non dominate. In questo studio, Modena WDN viene utilizzata come caso di studio per valutare l'efficacia del metodo proposto. L'efficacia del nuovo metodo nel definire soluzioni più vantaggiose in termini di costo totale e prestazioni idrauliche è dimostrata confrontando i costi di progettazione e compartimentazione utilizzando il nuovo metodo con quelli ottenuti utilizzando il metodo tradizionale (dimensionamento e compartimentazione separata delle tubazioni).
Progettazione ottimale della rete di distribuzione dell'acqua multi-obiettivo: considerazioni sul diametro del tubo e sul clustering
GHORBANI, GHAZAL
2022/2023
Abstract
Water distribution networks (WDNs) are critical infrastructures that deliver water to end users, which is essential for urban development. Ensuring an efficient water supply system while balancing reliability and cost is a significant challenge for water utilities. This requires the proper design of pipe diameters, clusters, partitions, and the placement of isolation valves. This study introduces a novel method by combining a tailored spectral graph metric with an economic perspective using a multi-objective optimization algorithm to optimize the pipe diameter and partitioning in WDNs. This study uses EPANET as a hydraulic simulation engine and links it to a bi-objective optimization to solve the problem in the MATLAB environment. The telescopic diameter distribution is also considered as a constraint in addition to the minimum pressure head and the topological WDN connectivity. After every 40 generations of the optimization algorithm, a novel algorithm is used to fix the diameter distribution of non-dominated solutions.In this study, Modena WDN is utilized as a case study to assess the effectiveness of the proposed method. The effectiveness of the novel method in defining more advantageous solutions in terms of total cost and hydraulic performance is demonstrated by comparing the cost of designing and partitioning using the novel method with those obtained using the traditional method (separate pipe sizing and partitioning).È consentito all'utente scaricare e condividere i documenti disponibili a testo pieno in UNITESI UNIPV nel rispetto della licenza Creative Commons del tipo CC BY NC ND.
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https://hdl.handle.net/20.500.14239/17418