Multi-Objective Optimization of Contaminant Flushing in Urban Water Distribation Networks

Zafari, Negin (2019) Multi-Objective Optimization of Contaminant Flushing in Urban Water Distribation Networks. Masters thesis, University of Mohaghegh Ardabili.

[img] Text
payanname negin zafari .pdf

Download (784kB)
Official URL: http://uma.ac.ir/

Abstract

Research Aim: In recent years, with the spread of terrorism, the risk of a chemical attack on urban water distribution networks has been increased. Therefore, protecting urban water networks from the onset of deliberate chemical pollution is nowadays one of the most fundamental and important steps in the quality management of these systems. When a hazardous pollutant enters the water distribution system, it quickly spreads to all parts of the network. Once the contamination has been identified, a set of optimized practices and actions should be taken in a short time to eliminate the pollutants from the network and minimize the consequences. Emergency evacuation is a critical and complex method which can guarantee to maintain the general health of the community through optimal operations. Studies on outcome management so far have been very limited and have numerous drawbacks. In this study, to upgrade the management methods of the polluted water network, single and two-objective functions have been used in several scenarios in combination with a simulator-optimizer model. Research method: In this study, single-objective functions are investigated in three scenarios. The two-objective functions are also investigated in three conditions and the uncertainty technique is used to minimize maximum regret. In the first scenario, the status of valves, hydrants, and pumps from the beginning of the simulation until the end of the simulation period is investigated in two states. In the first case, the opening and closing are intermittent, and in the second case, the opening and closing occur only once at the beginning of the simulation period and remain constant until the end of the simulation period. The second scenario, considering the changes in consumption pattern for different states relevant to decreasing and increasing consumption, and the third scenario is investigated by considering the multiplicity of contamination injection points with the total contaminant mass remaining constant. For these scenarios, the functions were optimized to minimize system return to normal, minimizing the amount of contaminated water consumed, and minimizing the number of contaminated nodes using the genetic algorithm. Changes in different objective functions were examined by substituting each parameter. The NSGA-II two-objective genetic optimization algorithm was used. Regarding the uncertainties in the solved problems, the regression function was investigated for the three functions mentioned in the previous section and considering the uncertainties in the contaminant charge injection points, the uncertainty in the amount of contaminant load and the uncertainties in the contaminant charge injection pattern. Findings: In this study, alternately opening and closing valves and pumps improved the target function to minimize system return time by about 10 percent, and the target function to minimize the amount of contaminated water consumed by approximately 20 percent, but the objective function does not change the minimization of the number of infected nodes. Considering the change in consumption pattern by reducing consumption, the objective function changes the consumption by minimizing the amount of contaminated water consumed by up to 50%, however, as the consumption pattern increases, this function changes the target by up to 40%. If instead of one injection point, the three contamination points enter the grid, the objective function will minimize system return time to 5% and the objective function to minimize the amount of contaminated water consumed by 23%. Conclusion: The alternation of opening and closing of valves and hydrants, as well as the state of pumps, help to improve the target functions to an acceptable extent. The change in consumption pattern by increasing the opening of residential valves provided that water is consumed for household purposes other than drinking leads to a significant improvement in the three objective functions mentioned. The change in consumption pattern by increasing the opening of residential valves indicates that water is consumed for household purposes other than drinking leads to a significant improvement in the three objective functions mentioned. Multiple contamination injection points, even assuming the total volume of contamination inflows into the system, can worsen the system conditions and the objective function of the target. In two-objective functions, by comparing the value of the y-axis function, it was possible to compare the rate of change of functions and the obtained results were measured. Such results show the efficiency of the regret method in considering uncertainties for the three objective functions.

Item Type: Thesis (Masters)
Persian Title: بهینه¬سازی چند¬هدفه فلاشینگ آلودگی در شبکه¬های توزیع آب شهری
Persian Abstract: هدف: در سال¬های اخیر با گسترش پدیده تروریسم، ریسک حمله شیمیایی به سیستم¬های منابع آب شهری افزایش یافته است. بنابراین امروزه حفاظت از شبکه¬های آب شهری در مقابل ورود بار آلودگی شیمیایی عمدی یکی از اساسی¬ترین و در عین حال مهم¬ترین گام¬های مدیریت کیفی این سیستم¬هاست. وقتی یک ماده آلاینده خطرناک به سیستم توزیع آب وارد می¬شود به سرعت به تمام نقاط شبکه پخش می¬شود. بعد از تشخیص آلودگی، باید مجموعه¬ای از بهترین عملیات و اقدامات در زمان کوتاه برای تخلیه انجام بگیرد. تخلیه سریع و اورژانسی آلودگی یک وضعیت بحرانی و پیچیده است که با انجام عملیات و اقدامات بهینه می¬توان سلامت عمومی جامعه را تضمین کرد. مطالعاتی که تاکنون در زمینه مدیریت پیامد انجام شده است بسیار محدود و دارای نواقص متعددی است. در این تحقیق برای حل مسئله مدیریت پیامد ورود آلودگی به شبکه آب شهری، از توابع تک و دوهدفه در قالب چند سناریو و از یک مدل ترکیبی شبیه¬ساز- بهینه¬ساز استفاده شده است. روش‌شناسی پژوهش:در این پژوهش، توابع تک¬هدفه در قالب سه سناریو بررسی شده است. توابع دو هدفه نیز در سه حالت بررسی گشته و برای عدم قطعیت¬ها نیز از تکنیک حداقل کردن حداکثر بار تأسف استفاده شده است. در سناریوی اول، وضعیت شیر¬ها و پمپ-ها از ابتدا تا پایان دوره شبیه¬سازی در دو حالت بررسی شده است. حالت اول باز و بسته شدن فقط یک بار در ابتدای دوره شبیه¬سازی و ثابت باقی ماندن تا انتهای دوره شبیه¬سازی و در حالت دوم باز و بسته شدن به صورت متناوب است. سناریوی دوم، با در نظرگرفتن تغییر در الگوی مصرف برای حالت¬های مختلف با کاهش و افزایش مصرف و سناریوی سوم، با در نظرگرفتن تعدد نقاط تزریق بار آلودگی با ثابت ماندن جرم کل آلاینده بررسی شده است. برای این سناریو¬ها توابع با اهداف حداقل کردن زمان برگشت سیستم به حالت عادی، حداقل کردن حجم آب آلوده مصرفی و حداقل کردن تعداد گره¬های آلوده با استفاده از الگوریتم ژنتیک بهینه شد. همچنین تغییرات توابع هدف مختلف به ازای یکدیگر نیز بررسی شد. برای توابع دو هدفه از الگوریتم بهینه¬ساز ژنتیک در حالت دو هدفه NSGA-II استفاده شد. با توجه به عدم قطعیت¬های موجود در مسأله¬های حل شده، تابع تأسف برای سه تابع یاد شده در قسمت قبلی و با لحاظ عدم قطعیت در نقاط تزریق بار آلاینده، عدم قطعیت در مقدار بار آلاینده و عدم قطعیت در الگوی تزریق بار آلاینده بررسی شد. یافته‌ها: در این پژوهش، باز و بسته کردن متناوب شیر¬ها و پمپ¬¬ها نسبت به حالتی که وضعیت شیر¬ها ثابت است، تابع هدف حداقل کردن زمان بازگشت سیستم به حالت عادی را حدود 10 درصد و تابع هدف حداقل کردن حجم آب آلوده مصرفی را حدود 20 درصد بهبود می¬بخشد. ولی تابع هدف حداقل کردن تعداد گره¬های آلوده هیچ تغییری نمی¬کند. با در نظر گرفتن تغییر در الگوی مصرف با کاهش مصرف توسط مصرف¬کننده، تابع هدف حداقل کردن حجم آب آلوده مصرفی را تا 50 درصد تغییر می¬دهد. این درحالی است که افزایش الگوی مصرف، این تابع هدف را تا 40 درصد تغییر می¬دهد. با فرض ثابت ماندن جرم کل آلودگی، اگر بجای یک نقطه، از سه نقطه آلودگی وارد شبکه شود تابع هدف حداقل کردن زمان بازگشت سیستم را تا 5 درصد و تابع هدف حداقل کردن حجم آب آلوده مصرفی را تا 23 درصد بدتر می¬کند. نتیجه‌گیری: تناوب در باز و بسته شدن شیرهای قطع و وصل و شیرهای آتش¬نشانی و نیز در روشن یا خاموش بودن پمپ ها به بهبود توابع هدف تا حد قابل قبولی کمک می¬کند. تغییر در الگوی مصرف به صورت افزایش مصرف و باز شدن شیر در خانه¬ها، به شرطی که آب برای مصارف خانگی دیگر غیر از شرب مصرف شود به بهبود قابل ملاحظه تابع هدف می¬انجامد. تعدد نقاط تزریق بار آلودگی، حتی با فرض ثابت ماندن حجم کل آلودگی ورودی به سیستم می¬تواند باعث بدتر شدن شرایط سیستم و شرایط تابع هدف¬های یاد شده گردد. همچین نتایج نشان دهنده کارآیی روش بار تأسف در لحاظ کردن عدم قطعیت¬ها برای سه تابع هدف می¬باشد.
Supervisor:
SupervisorE-mail
Masoumi, FariborzUNSPECIFIED
Advisor:
AdvisorE-mail
Nikoo, Mohammad RezaUNSPECIFIED
Subjects: Faculty of Engineering > Department of Civil Engineering
Divisions > Faculty of Engineering > Department of Civil Engineering
Divisions: Subjects > Faculty of Engineering > Department of Civil Engineering
Faculty of Engineering > Department of Civil Engineering
Date Deposited: 13 Jun 2020 05:03
Last Modified: 13 Jun 2020 05:03
URI: http://repository.uma.ac.ir/id/eprint/11662

Actions (login required)

View Item View Item