بررسی کارایی الگوریتم دسته ذرات در تنظیم ضرایب هیزن‌ ویلیامز مدل شبکه توزیع آب

نوع مقاله : یادداشت پژوهشی

نویسنده

گروه مهندسی عمران، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه شهید مدنی آذربایجان، تبریز

چکیده

هدف این مقاله بررسی کارایی الگوریتم دسته ذرات در تنظیم ضرایب هیزن ویلیامز لوله‌های شبکه توزیع آب می‌باشد. برای مقایسه، الگوریتم جامعه مورچگان انتخاب شده است. در مجموع با تلفیق الگوریتم بهینه‌ساز دسته ذرات و جامعه مورچگان با مدل شبیه‌ساز  EPANETدر محیط متلب پنج مدل الگوریتم دسته ذرات و سه مدل الگورتیم جامعه مورچگان ساخته شده است. برای صحت‌سنجی و ارزیابی اولیه مدل‌ها، از شبکه دوحلقه‌ای و برای بررسی تفضیلی آن­ها از شبکه توزیع آب اهر استفاده شده است. مقایسه نتایج برای 20 اجرای متوالی مدل‌ها در شبکه دوحلقه‌ای نشان می‌دهد که از بین مدل‌های دسته ذرات، مدل SPSO با 11 مورد رسید به جواب واقعی بدترین و مدل HMPSO2 با 20 بار رسیدن به جواب واقعی بهترین عملکرد را دارد. همچنین از بین مدل‌های جامعه مورچگان، مدل ACO1 با یک بار رسیدن به جواب واقعی بدترین و مدل ACO3 با 20 بار رسیدن به جواب واقعی بهترین عملکرد را دارد با این تفاوت که فضای جستجوی مدل ACO3 بسیار کوچک­تر از مدل ACO1 می‌باشد. مقایسه نتایج مدل HMPSO2 و ACO1 برای شبکه توزیع آب اهر نشان می‌دهد که هر دو مدل به­خوبی توانسته‌اند ضرایب هیزن ویلیامز لوله‌های شبکه را تعیین کنند، با این تفاوت که HMPSO2 از نظر تعداد ارزیابی توابع هدف 5 برابر کم­تر و از نظر زمان رسیدن به جواب بهینه 6 برابر سریع‌تر نسبت به ACO1 توانسته است جواب بهینه را پیدا کند و از عملکرد بهتری برخوردار است.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Performance Analysis of PSO Algorithm for Setting the Hazen Williams Coefficients of Water Distribution Network Models

نویسنده [English]

  • Mehdi Dini
Civil Engineering Department, Azarbaijan Shahid Madani University, Tabriz, Iran
چکیده [English]

Gradually, with the urban population growth and development of cities, water distribution networks (WDNs) gain significant importance. So the need for computerized modeling of WDNs is felt more than ever to understand the behavior of these systems. The most important problem with modeling of WDNs is consistency between the calculated and measured data. Setting the coefficients of the model via measured data is necessary. Model parameters include Hazen-Williams coefficients in the pipes, base demand and demand pattern coefficients at the nodes. The calculated and measured data mainly include pressure head at nodes, tank levels, and flow in pipes, that can be considered either in steady state or in an extended period condition. The aim of this paper is to investigate the performance of PSO algorithm for setting the Hazen Williams coefficients of WDN Models. For this purpose, five models of the PSO algorithm and three models of the ACO algorithm were made. The proposed method tested on a two-loop test example and a real water distribution network.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Ahar water distribution network
  • PSO Algorithm
  • Hazen Williams Coefficients
  • ACO Algorithm

دینی م، تابش م، "مدل‌سازی شبکه‌های توزیع آب شهری با در نظر گرفتن تاثیر جنس، قطر و سن لوله‌ها در تنظیم ضرایب هیزن‌ویلیامز شبکه"، نهمین کنگره ملّی مهندسی عمران، دانشکده مهندسی عمران، دانشگاه فردوسی مشهد، 21 و 22 اردیبهشت، 1395.

دینی م، "ارزیابی عملکرد شبکه توزیع آب اهر بعد از بلندمرتبه سازی­های مضاعف"، نشریه مهندسی عمران و محیط زیست، 1397، 48 (1)، 89-100.

فغفـور مغربی م، حسن‌زاده ی، یزدانی س، "کالیبراسیون شبکه‌های توزیع آب شهری با استفاده از روش بهینه‌یابی کلونی مورچه‌ها"، مجله آب و فاضلاب، 1392، 24 (1)، 101-111.

محمدی‌اقدم ک، میرزایی ا، پورمحمود ن، پورمحمود آقـابابا م، "الگوریتم بهینه‌سازی گروه ذرات دینامیکی جهشی برای طراحی شبکه‌های توزیع آب"، مجله آب و فاضلاب، 1394، 26 (4)، 88-99.

عطاری م، فغفورمغربی م، منوریان ع. ر، "کاربرد روش اندازه ­گیری گرهی فشار در شناسایی نشت"، نشریه مهندسی عمران و محیط­ زیست، 47 (2)، 53-62.

Alperovits E, Shamir U, “Design of optimal water distribution systems”, Water Resources Research, 1977, 13 (6), 885-900.

Bullnheimer B, Hartl RF, Strauss C, “A new rank-based version of the ant syaytem: A computational study”, Central European Journal for Operations Research and Economics, 1999, 7 (1), 25-38.

Borzi A, Gerbino E, Bovis S, Corradini M, “Genetic algorithms for water distribution network calibration: A real application”, Proceedings of the 8th International Conference on Computing and Control for the Water Industry, University of Exeter, UK, 5-7 September, 2005.

Cordon O, Fernandez DVI, Herrera F, Moreno L, “A new ACO model integrating evolutionary computation concepts: the best-worst ant system”, Proceedings of ANTS from Ant Colonies to Artificial Ants, Second International Workshop on Ant Algorithms, Brussels, Belgium, 5-8 September, 2000.

Dini M, Tabesh M, “A New Method for Simultaneous Calibration of Demand Pattern and Hazen-Williams Coefficients in Water Distribution Systems”, Journal of Water Resources Management, 2014, 28, 2021-2034.

Dini M, Tabesh M, “Water distribution network quality model calibration; a case study: Ahar”, Water Supply, 2017, 16 (5), 1-13.

Dorigo M, “Optimization, learning and natural algorithms”, PhD Thesis, Politecnico di Milano, Milan, Italy, 1992.

Dorigo M, Maniezzo V, Colorni A, “The ant system: Optimisation by a colony of cooperating agents”, IEEE Transactions on Systems, Part B: Cybern, 1996, 26 (1), 29-41.

Dorigo M, Gambardella LM, “Ant colony system: A cooperative learning approach to the traveling salesman problem”, IEEE Transactions on Evolutionary Computation, 1997, 1 (1), 53-66.

Greco M, Del-Giudice, G, “New approach to water distribution network calibration”, Journal of Hydraulic Engineering, ASCE, 1999, 125 (8), 849-854.

Kennedy J, Eberhart RC, “Particle swarm optimization”, IEEE International Conference on Neural Networks, Perth, Australia, 27 November-1 December, 1995.

Kumar SM, Narasimhan S, Bhallamudi SM, “Parameter Estimation in Water Distribution Networks”, Journal of Water Resources Management, 2010, 24, 1251-1272.

Maier HR, Simpson AR, Zecchin AC, Foong WK, Phang KY, Seah HY, Tan CL, “Ant Colony optimization for the design of water distribution systems”, Proceedings of World Water and Environmental Resources Congress ASCE, Orlando, Florida, May 20-24, 2001.

Maier HR, Simpson AR, Zecchin AC, Foong WK, Phang KY, Seah HY, Tan CL, “Ant colony optimization for design of water distribution systems”, Journalof Water Resources Planning and Management, 2003, 129 (3), 200-209.

Maskit M, Ostfeld A, “Leakage Calibration of Water Distribution Network”, Procedia Engineering 89, 2014, 89, 664-671.

Montalvo I, Izquierdo J, Pérez R, Iglesias PL, “A diversity-enriched variant of discrete PSO applied to the design of water distribution networks”, Engineering Optimization, 2008, 40 (7), 655-668.

Niu ZG, Wang YF, Zhang T, Zhang HW, “Calibration of friction resistance coefficient and calculation method of leakage localization of water supply network”, Journal of Tianjin University Science and Technology, 2011, 44 (4), 364-368.

Ormsbee LE, Wood DJ, “Explicit pipe network calibration”, Journal of Water Resources planning and Management, ASCE, 1986, 112 (2), 166-182.

Rossman LA, “EPANET2: user’s manual”, U.S. Environmental Protection Agency, Risk Reduction Engineering Laboratory, Cincinnati, Ohio, 2000.

Shamir U, Howard CDD, “Water distribution system analysis”, Journal of the Hydraulic Division, ASCE, 1968, 94 (1), 219-234.

Stutzle T, Hoos HH, “Improvements on the ant system: Introducing MAX-MIN ant system”, Proceedings of the International Conference on Artificial Neural Nets and Genetic Algorithms, Norwich, U.K, 10-12 July, 1997.

Tabesh M, Jamasb M, Moeini R, “Calibration of water distribution hydraulic models considering different decision variables and consumption scenarios”, Journal of Hydraulics, Iranian Hydraulic Association (in Persian), 2010, 4 (3), 69-78.

Yu Zh, Tian Y, Zheng Y, Zhao X, “Calibration of pipe roughness coefficient based on manning formula and genetic algorithm”, Tianjin University and Springer-Verlag, 2009, 15, 452-456.

Zhang TQ, Huang YD, Wu XG, “Optimal locations of water quality monitoring stations in water distribution systems”, Journal of Zhejiang University, 2007, 41 (1), 1-5.

Zhang Q, Wang XH, “Region water supply system optimization based on Binary and continuous Ant colony algorithms”, International Conference on Intelligent Computation Technology and Automation, IEEE, IEEE Computer Society, Hunan, China 20-22 Oct, 2008.

Walski TM, “Technique for calibrating network models”, Journal of Water Resources Planning and Management, ASCE, 1983, 109 (4), 360-372.

Wang HX, Guo W, Xu J, Gu H, “A Hybrid PSO for Optimizing Locations of Booster Chlorination Stations in Water Distribution Systems”, International Conference on Intelligent Computation Technology and Automation, IEEE Computer Society, Washington DC, USA, 11-12 May, 2010.