OPTIMIZATION OF WATER DISTRIBUTION SYSTEMS USING GENETIC ALGORITHM

Abstract

In recent years, the use of optimization techniques for the design of water distribution networks has been increased. Genetic Algorithm (GA), which is one of the best optimization techniques employed in water sector, is pioneered technique for design and operation of water distribution networks in developed countries. The method is simple and it can be applied easily. GA-based optimization in the design of water distribution networks can yield higher capital and operational cost savings between 15% and 50% in large networks; and allows obtaining hydraulically better solutions. In this study, a program (SUGANET) which uses EPANET simulation model for hydraulic calculations and a modified David Goldberg’s simple GA for optimization of design of water distribution networks is developed. A model network with 8 pipes and 2 loops and Hanoi City network with 34 pipes and 3 loops, which has been stated in the literature by many researchers, have been redesigned of SUGANET and the results are compared with the results of previous researchers. Better solutions can be found when project engineer straightened solutions that obtained from optimization by taken into consideration proper flow direction and pipe diameters changing under telescopic rule The program uses almost same data with hydraulic simulation models and it needs only a few genetic algorithm parameters. It is determined in this study that the program reaches proper solution more quickly, and can be applied on any water distribution network easily.

Keywords

• Water distribution systems, optimization, genetic algorithm, design, network

SU DAĞITIM SİSTEMLERİNİN GENETİK ALGORİTMA İLE OPTİMİZASYONU

Abstract

Son yıllarda su dağıtım şebekelerinde optimizasyon tekniklerinin kullanımı giderek artmaktadır. Gelişmiş ülkelerde, su dağıtım sistemlerinin boyutlandırılması ve işletilmesinde, en iyi optimizasyon seçeneklerinden biri olan Genetik Algoritma (GA) ön plana çıkmıştır. Yöntem basit ve uygulanması kolaydır. GA yöntemi ile optimizasyon sayesinde büyük şebekelerin inşaat ve işletme maliyetlerinde %15 ila 50 arası kazançlar sağlanmakta ve hidrolik açıdan da daha iyi şebekeler elde edilebilmektedir. Bu amaçla hidrolik hesaplamalar için EPANET benzeşim modelini ve David Goldberg’in temel genetik algoritmasının modifiye edilmiş bir halini kullanarak su dağıtım şebekelerinin tasarımında optimizasyon yapan SUGANET adlı bir program (Kahraman, 2003) geliştirilmiştir. Bu çalışmada, literatürde birçok araştırmacının çözüm yaptığı (8 borulu, iki gözlü) hayali bir şebeke ve (34 borulu, üç gözlü) Hanoi kenti şebekesi benzer koşullarla optimize edilerek uygun çözümler elde edilmiş ve SUGANET’in sonuçları diğer araştırmacıların sonuçlarıyla kıyaslanmıştır. Optimizasyon ile elde edilen sonuçlar, boru çaplarının değişiminin teleskopik olacak şekilde değişmesi koşulu ve uygun akış yönleri göz önünde bulundurularak proje mühendisi tarafından düzeltildiğinde, daha iyi sonuçların elde edilebildiği görülmüştür. Bu programın kullanımı kolay olup, hidrolik benzeşim modelleri ile hemen hemen aynı girdileri kullanmaktadır. Ek olarak sadece genetik algoritma parametreleri için bir kaç değere ihtiyaç duyulmaktadır. Bu çalışmada kullanılan programın kısa sürede çözme ve optimum çözüme ulaşabilme özelliklerinin iyi olduğu ve gerçek şebeke sistemlerine kolaylıkla uygulanabilir olduğu saptanmıştır.

Keywords

• Su dağıtım sistemleri, optimizasyon, genetik algoritma, tasarım, ağ şebeke

References

1. Abebe, A.J., Solomatine, D.P. (1998): “Application of global optimization to the design of pipe networks” 3rd International Conferences on Hydroinformatics, Copenhagen, Denmark, pp. 989-996.
2. Alperovits, E., Shamir, U. (1977): “Design of optimal water distribution systems.” Water Resour. Res., 13(6), 885-900.
3. Cunha, M.D.C., Sousa, J. (1999): “Water distribution network design optimization: Simulated Annealing Approach.” Journal of Water Resources Planning and Management, Vol. 125, No. 4, pp.215-221.
4. Eiger, G., Shamir, U., Ben-Tal, A. (1994): “Optimal design of water distribution Networks” Water Resour. Res., 30(9), 2637-2646.
5. Eusuff, M. M., Lansey, K. E. (2003): “Optimization of water distribution network design using the shuffled frog leaping algorithm.” J. Water Resources Planning and Management, ASCE, Vol. 129, No. 3, pp.210-255.
6. Fujiwara, O., Khang, D. B. (1990): “A two-phase decomposition method for optimal design of looped water distribution networks.” Water Resour. Res., 26(4), 539-549.
7. Gessler, J. (1985) “Pipe network optimization by enumeration” Proc., Spec. Conf. on Comp. Applications/Water Resour., ASCE, New York, N. Y., 572-581.
8. Goldberg, D. E. (1989): “Genetic Algorithms in Search Optimization and Machine Learning.” Addison Wesley, MA, USA.

9. Goulter, I. C. Morgan, D. R. (1985): “An integrated approach to the layout and design of water distribution networks.” Civ. Engrg. Sys., 2(2), 104-113.
10. Gupta, I., Gupta, A., Khanna, P., (1998): “Genetic algorithm for optimization of water distribution systems.” National Environmental Engineering Research Instıtute, Nagpur- 440020, India.
11. Kahraman, A. M. (2003): “Optimal design and expansion of water distribution systems using genetic algorithm”, DEÜ, Fen Bilimleri Enstitüsü, YL-P1608.
12. Liong, S., Md. Atiquzzaman (2004): “Optimal design of water distribution network using shuffled complex evolution” Journal of The Institution of Engineers, Singapore Vol. 44, Issue 1.
13. Mitchell, M. (1996): “An introduction to Genetic Algorithm” Cambridge, MA: MIT Press.
14. Murphy, L. J., Simpson A. R. (1992): “Genetic algorithms in pipe network optimization” Res. Rep. No. R93, Dept. of Civ. and Envir. Engrg., Univ. of Adelaide, Australia.
15. Quindry, G. E., Brill, E. D., Liebman, J. C. (1981): “Optimization of looped water distribution systems” J. Envir. Engrg., ASCE, 107(4), 665-679.
16. Savic, D. A., Walters, G. A. (1997): “Genetic algorithms for least-cost design of water distribution networks.” J. Water Resour. Plng. and Mgmt., ASCE, 123(2), 67-77.
17. Simpson, A. R. (2000): "Optimization of design of water distribution systems using genetic algorithms." Slovenian Society of Hydraulic Research, Seminar Series, Vol.1, Ljubljana, Slovenia, 10pp.
18. The optimatics letter, Issue No:12 (April-June, 2001) Advances in Optimization for Water Distribution System Design & Operations.
19. Walski T., Chase D. V., Savic D., Grayman W. M., Beckwith S., Koelle E., (2003):
20. “Advanced Water Distribution Modelling and Management”, Haestad Press, Waterbury, CT, USA.
21. Walski, T. M. (1985): “State of the art pipe network optimization.” Proc., Spec. Conf. on Comp. Applications/Water Resour., ASCE, New York, N. Y., 559-568.
22. Wood, D. J., Funk, J. E. (1993): “Hydraulic analysis of water distribution systems” in Water Supply systems, state of the art and future trends, E. Cabrera and F. Martinez, eds., Computational Mechanics Publications, Southampton, 41-85.