RO128440A0 - Process for optimizing the configuration of water distribution networks - Google Patents
Process for optimizing the configuration of water distribution networks Download PDFInfo
- Publication number
- RO128440A0 RO128440A0 ROA201200658A RO201200658A RO128440A0 RO 128440 A0 RO128440 A0 RO 128440A0 RO A201200658 A ROA201200658 A RO A201200658A RO 201200658 A RO201200658 A RO 201200658A RO 128440 A0 RO128440 A0 RO 128440A0
- Authority
- RO
- Romania
- Prior art keywords
- solutions
- chromosomes
- water distribution
- distribution networks
- chain
- Prior art date
Links
Abstract
Description
PROCEDEU DE OPTIMIZARE A CONFIGURAȚIEI„ __________ ' ' jOFÎC’Ut. DE STAT PENTRU INVENȚII Șl MĂRCIPROCEDURE FOR OPTIMIZING THE CONFIGURATION „__________ '' jOFÎC'Ut. OF STATE FOR INVENTIONS AND TRADEMARKS
REȚELELOR DE DISTRIBUȚIE A APEI Cerere c!e brevet de invenție IWATER DISTRIBUTION NETWORKS Patent Application I
I Nr. Λ.I Nr. Λ.
Dara depozit ..1.^.:02:.211¾....Yes r a deposit ..1. ^ .: 02: .211¾ ....
Prezenta invenție se referă la un mod de creștere a eficienței sistemelor de alimentare cu apă, prin configurarea optimă a rețelelor de distribuție a apei, utilizând metoda algoritmilor genetici. Domeniul de utilizare al invenției este, în mod evident, foarte larg și cuprinde tot ceea ce presupune rețele de distribuție pentru apă, fie aceasta potabilă, fie menajeră sau industrială.The present invention relates to a way to increase the efficiency of water supply systems, by optimally configuring water distribution networks, using the method of genetic algorithms. The field of use of the invention is obviously very wide and encompasses everything involved in water distribution networks, be it drinking water, domestic or industrial.
Se știe că algoritmii genetici AG sunt algoritmi adaptivi, care determină soluția optimală a unei probleme de optimizare pe baza unor mecanisme specifice geneticii și selecției naturale. In acest scop, AG folosesc un set de soluții, denumite frecvent cromozomi care, în cursul evoluției de la o generație la alta, își schimbă structura, orientându-se către o soluție acceptabilă (optimală sau suboptimală). Populația inițială are o componență stabilită aleatoriu, iar evoluția ei are loc după principiul „cel mai adaptat supraviețuiește”.It is known that AG genetic algorithms are adaptive algorithms, which determine the optimal solution of an optimization problem based on specific mechanisms of genetics and natural selection. For this purpose, AGs use a set of solutions, often called chromosomes that, during the evolution from one generation to another, change their structure, orienting towards an acceptable solution (optimal or suboptimal). The initial population has a randomly established composition, and its evolution takes place according to the principle "the most adapted survives".
Aplicarea metodelor tradiționale de optimizare, care asigură minimizarea unei funcții obiectiv, ținând seama de toate cele trei aspecte menționate, este laborioasă și presupune adoptarea unor ipoteze simplificatoare, care influențează în bună măsură soluția selectată.The application of traditional optimization methods, which ensures the minimization of an objective function, taking into account all three mentioned aspects, is laborious and involves the adoption of simplifying assumptions, which greatly influence the selected solution.
Parametrii utilizați în cadrul unui algoritm genetic determină eficiența algoritmului și calitatea soluțiilor furnizateThe parameters used in a genetic algorithm determine the efficiency of the algorithm and the quality of the solutions provided
Algoritmii genetici (AG) au fost utilizați până în prezent mai ales pentru determinarea configurației optime a rețelelor de distribuție urbană a curentului electric.Genetic algorithms (GAs) have been used so far mainly to determine the optimal configuration of urban electricity distribution networks.
Se cunosc și soluții de aplicare a algoritmilor genetici în domeniul rețelelor de apă, cum ar fi:Solutions for the application of genetic algorithms in the field of water networks are also known, such as:
Documentul de brevet cu numărul US 7,593,839 Bl, cu titlul “Metodă de optimizare a proiectării și reabilitării sistemelor de distribuție a apei”, la care criteriile alese pentru optimizare sunt: costul minim, calitate maximă și raport minim cost / calitatePatent document number US 7,593,839 Bl, entitled “Method for optimizing the design and rehabilitation of water distribution systems”, in which the criteria chosen for optimization are: minimum cost, maximum quality and minimum cost / quality ratio
Respectiva metodă prezintă dezavantajul că nu oferă detalii clare despre modul de implementare al acestor algoritmi, cum ar fi funcțiile de recombinare, de mutație și de ierarhizare a soluțiilor candidat. De asemenea, soluția nu oferă detalii nici despre structura cromozomilor și nici nu prezintă exemple concrete de aplicare.This method has the disadvantage that it does not provide clear details on how to implement these algorithms, such as recombination, mutation and ranking of candidate solutions. Also, the solution does not provide details about the structure of chromosomes and does not present concrete examples of application.
Un alt procedeu documentul de brevet cu calibrare automată a umui cunoscut care utilizează algoritmii genetici este prezentată în numărul US 2003/ 0093236 Al, cu titlul „Metodă și sistem--ete7-r^ model de distribuție a apei”, care, permite calibrarea uney^rele deAnother method of the patent document with known humus automatic calibration using genetic algorithms is presented in US 2003/0093236 A1, entitled "Method and system - ete7-r ^ water distribution model", which allows the calibration of a ^ rele de
IONESCU GHEORGHE - CONSTANTINIONESCU GHEORGHE - CONSTANTIN
CP ck-2 0 1 2 - 0 0 6 5 8 -1 4 -09- 2012 apă pe baza datelor introduse de către utilizator. Procedeul folosește algoritmi genetici pentru a efectua această calibrare, dar prezintă dezavantajul că nu dă detalii despre parametrii acestora.CP ck-2 0 1 2 - 0 0 6 5 8 -1 4 -09- 2012 water based on data entered by the user. The process uses genetic algorithms to perform this calibration, but has the disadvantage that it does not give details about their parameters.
Un alt document de brevet, cu numărul US 4,562,552 având titlul «Metodă și aparat pentru controlul debitului și al presiunii în rețelele de distribuție a apei” folosește algoritmi genetici pentru optimizarea debitului și a presiunii într-o rețea și nicidecum nu face referire la optimizarea configurației rețelei de distribuție a apei. Dezavantajul acestei soluții este acela că nu detaliază modul de implementare a algoritmilor.Another U.S. Patent No. 4,562,552, entitled "Method and Apparatus for Controlling Flow and Pressure in Water Distribution Networks," uses genetic algorithms to optimize flow and pressure in a network and does not refer to configuration optimization. water distribution network. The disadvantage of this solution is that it does not detail how to implement algorithms.
Problema tehnică pe care își propune să o rezolve invenția revendicată este de a realiza un procedeu concret, perfect aplicabil practic, care să permită optimizarea configurației rețelelor de distribuție a apei, precizând inclusiv modul de implementare a algoritmilor.The technical problem that the claimed invention aims to solve is to achieve a concrete process, perfectly applicable in practice, which allows the optimization of the configuration of water distribution networks, including how to implement the algorithms.
Invenția rezolvă această problemă tehnică prin fapul că utilizează metoda algoritmilor genetici deja consacrată pentru circuitele electrice, pentru identificarea configurațiilor optime de funcționare ale rețelelor inelare de distribuție a apei cu o structură complex buclată.The invention solves this technical problem by using the method of genetic algorithms already established for electrical circuits, to identify the optimal operating configurations of annular water distribution networks with a complex looping structure.
Procedeul de optimizare a configurației rețelelor de distribuție a apei, conform invenției revendicate, pretintă următoarele avantaje:The method of optimizing the configuration of water distribution networks, according to the claimed invention, claims the following advantages:
Stabilește un sens de circulație rațional a apei, astfel încât apa să circule pe drumul cel mai scurt spre consumator;Establishes a rational direction of water circulation, so that water flows on the shortest path to the consumer;
Dimensionează rețeaua prin stabilirea numărului de noduri, a numărului de tronsoane și a diametrelor aferente tronsoanelor;Sizes the network by establishing the number of nodes, the number of sections and the diameters related to the sections;
Determină secționarea cea mai avantajoasă prin stabilirea punctelor optime de secționare care asigură funcționarea într-o schemă ramificată;Determines the most advantageous sectioning by establishing the optimal sectioning points that ensure the operation in a branched scheme;
Optimizează eficiența sistemelor de alimentare cu apă și ușurează managementul acestora;Optimizes the efficiency of water supply systems and facilitates their management;
Reduce pierderile de sarcină odată cu creșterea numărului de generații luate în calcul;Reduces pregnancy losses as the number of generations taken into account increases;
Asigură alimentarea cu apă a unui număr maxim de consumatori în cazul apariției unei avarii în rețeaua inelară.Ensures the water supply of a maximum number of consumers in case of a failure in the ring network.
Se prezintă, în continuare, un exemplu de realizare practică a procedeului, conform invenției, de optimizare a configurației unei rețea de distribuție a apei inelară, cu o structură complex buclată, în legătură și cu:The following is an example of a practical embodiment of the method according to the invention for optimizing the configuration of an annular water distribution network, with a complex looping structure, in connection with:
Fig. 1: exemplu de configurație complex buclată pentru distribuția apei;Fig. 1: example of complex loop configuration for water distribution;
Fig 2 : lanțurile cromozomiale corespunzătoare debuclării rețelei din Fig. 1.Fig. 2: Chromosomal chains corresponding to the network debugging in Fig. 1.
Fig. 3 lanțul cromozomilor urmași, proveniți din încrucișarea cromozomilor părinți din Fiu 2.Fig. 3 the chain of descending chromosomes, derived from the crossing of the parent chromosomes in Son 2.
IONESCU GHEORGHE - CONSTANTINIONESCU GHEORGHE - CONSTANTIN
G_-l 012-00658-1 4 -09- 2012G_-l 012-00658-1 4 -09- 2012
Procedeul de optimizare a configurației rețelelor de distribuție a apei cu ajutorul algoritmilor genetici necesită parcurgerea a cinci etape și anumeThe process of optimizing the configuration of water distribution networks using genetic algorithms requires five steps, namely
Reprezentarea soluțiilor admisibileRepresentation of admissible solutions
Evaluarea soluțiilorEvaluation of solutions
ReproducereaReproduction
Recombinarearecombination
Inducerea unor mutațiiInduction of mutations
Dintre cele cinci etape enumerate mai sus, ultimele patru se reiau de o manieră iterativă până la satisfacerea unei condiții de oprire.Of the five steps listed above, the last four are repeated iteratively until a stopping condition is met.
Pentru proiectarea unei rețele de distribuție a apei în configurație complex buclată, de tipul celei din fig. 1, este necesară rezolvarea următoarelor probleme:For the design of a water distribution network in a complex loop configuration, of the type in fig. 1, it is necessary to solve the following problems:
Stabilirea unui sens de circulație rațional a apei, astfel încât apa să circule pe drumul cel mai scurt spre consumator;Establishing a rational flow of water so that water flows on the shortest path to the consumer;
Dimensionarea rețelei (stabilirea numărului de noduri, a numărului de tronsoane și a diametrelor aferente tronsoanelor);Network sizing (establishing the number of nodes, the number of sections and the diameters related to the sections);
Determinarea secționării celei mai avantajoase (stabilirea punctelor de secționare care asigură funcționarea într-o schemă ramificată).Determining the most advantageous sectioning (establishing the sectioning points that ensure the operation in a branched scheme).
Pentru selectarea soluției optime conform unui criteriu dat, este necesară analiza simultană tuturor problemelor amintite. Numărul combinațiilor posibile privind alegerea traseelor este, de regulă, foarte mare, iar dimensionarea rețelei și secționarea acesteia este destul de laborioasă.In order to select the optimal solution according to a given criterion, it is necessary to analyze all the mentioned problems simultaneously. The number of possible combinations of route choices is usually very large, and the sizing of the network and its sectioning is quite laborious.
Reprezentarea soluțiilor admisibileRepresentation of admissible solutions
O soluție admisibilă, care în contextul AG poartă numele de cromozom, se reprezintă printr-un lanț cromozomial de lungime finită. In majoritatea studiilor din literatura de specialitate, valorile elementelor din lanțul cromozomial au o codificare binară.An admissible solution, which in the context of AG is called a chromosome, is represented by a chromosomal chain of finite length. In most studies in the literature, the values of the elements in the chromosomal chain have a binary coding.
Pentru rețeaua de distribuție a apei din fig. 1, lanțurile cromozomiale din fig. 2 reprezintă soluții admisibile, corespunzătoare debuclării rețelei prin deconectarea tronsoanelor 4, 7, 15 și 8, 13, 19, respectiv 3, 9, 18.For the water distribution network in fig. 1, the chromosomal chains of FIG. 2 represent admissible solutions, corresponding to the network deployment by disconnecting sections 4, 7, 15 and 8, 13, 19, respectively 3, 9, 18.
Evaluarea soluțiilorEvaluation of solutions
Soluțiile admisibile vor fi evaluate cu ajutorul funcției obiectiv, care descrie problema de optimizare analizată. Pe baza acestei evaluări se stabilește gradul în care soluția respectivă se adaptează problemei, de unde și denumirea încetățenită pentru funcția respectivă deThe admissible solutions will be evaluated using the objective function, which describes the analyzed optimization problem. Based on this assessment, the degree to which the solution is adapted to the problem is established, hence the national name for the respective function.
IONESCU GHEORGHE - CONSTANTIN f λ (Χ-2 0 1 2 - 0 0 6 5 0 -1 4 «09- 2012 „funcție de adaptare”. Este necesar a fi menționat faptul că, prin însuși specificul lor, AG evoluează în sensul maximizării funcției de adaptare f. Prin urmare, dacă problema considerată urmărește minimizarea funcției obiectiv F (așa cum este cazul la numeroase probleme din energetică), funcția de adaptare se definește ca inversă a acesteia f = F1.IONESCU GHEORGHE - CONSTANTIN f λ (Χ-2 0 1 2 - 0 0 6 5 0 -1 4 «09-2012“ adaptation function. ”It should be noted that, by their very specificity, the AG evolves in the sense of maximizing adaptation function f. Therefore, if the considered problem aims at minimizing the objective function F (as is the case with many energy problems), the adaptation function is defined as its inverse f = F 1 .
In cursul acestei etape, informația înscrisă în fiecare cromozom este decodificată și, pe baza ei, se procedează la evaluarea funcției de adaptare pentru fiecare cromozom.During this stage, the information entered in each chromosome is decoded and, based on it, the adaptation function for each chromosome is evaluated.
Reproducerea în cadrul acestei etape, are loc crearea unei noi populații pe baza gradului de adaptare a fiecărui cromozom, stabilit în etapa anterioară. Noua populație este generată pe baza unor copii exacte ale cromozomilor existenți: cromozomul cu cea mai mare valoare a funcției de adaptare va produce cele mai multe copii, iar cromozomul cu funcția de adaptare cea mai mică, va produce cele mai puține copii.Reproduction in this stage, takes place the creation of a new population based on the degree of adaptation of each chromosome, established in the previous stage. The new population is generated based on exact copies of existing chromosomes: the chromosome with the highest adaptation function value will produce the most copies, and the chromosome with the lowest adaptation function will produce the fewest copies.
Cea mai răspândită cale de aplicare a operatorului de reproducere o reprezintă așanumita reproducere proporțională. In acest caz, fiecare cromozom produce un număr de copii proporțional cu raportul.The most common application of the breeding operator is the so-called proportional breeding. In this case, each chromosome produces a number of copies proportional to the ratio.
(1) unde fj reprezintă funcția de adaptare a cromozomului i.(1) where fj represents the adaptation function of chromosome i.
Recombinarea (încrucișarea)Recombination (crossing)
Soluția optimă a problemei analizate este diseminată în informația conținută de toți cromozomii populației. Pentru agregarea diferitelor segmente ale informației corespunzătoare soluției optime, AG apelează la etapa recombinării. Cea mai frecvent utilizată tehnică de recombinare este „încrucișarea”. în acest caz, din populația curentă se aleg doi cromozomi „părinți”, prin a căror încrucișare vor rezulta alți doi cromozomi „urmași”. Pentru o lungime L a cromozomilor, încrucișarea se realizează într-un punct M generat aleatoriu în intervalul (1, L). De exemplu, pentru primii doi cromozomi „părinți” din fig. 2, dacă încrucișarea se produce în punctul 6, rezultă cromozomii „urmași” reprezentați în fig. 3. Se constată că ambii cromozomi „urmași” reprezintă soluții admisibile ale problemei, conducând la noi debuclări 4,8,13 și 7,8,15, care nu existau în populația anterioară.The optimal solution of the analyzed problem is disseminated in the information contained in all the chromosomes of the population. In order to aggregate the different segments of the information corresponding to the optimal solution, the AG uses the recombination stage. The most commonly used recombination technique is "crossing". In this case, two “parent” chromosomes are chosen from the current population, through which two other “offspring” chromosomes will result. For a length L of chromosomes, the crossing is performed at a point M randomly generated in the interval (1, L). For example, for the first two "parent" chromosomes in FIG. 2, if the crossing occurs in point 6, the “descendant” chromosomes represented in fig. 3. It is found that both "offspring" chromosomes are admissible solutions to the problem, leading to new outflows 4,8,13 and 7,8,15, which did not exist in the previous population.
IONESCU GHEORGHE - CONSTANTINIONESCU GHEORGHE - CONSTANTIN
Λ-2 0 1 2 - 0 0 6 5 8 - 1 4 -09- 2012Λ-2 0 1 2 - 0 0 6 5 8 - 1 4 -09- 2012
Mutațiimutations
Cu toate că etapa de recombinare asigură îmbogățirea informației esențiale înmagazinate în lanțurile cromozomiale, este totuși posibil ca, pornind de la o generație inițială cu o structură relativ deficitară, orice recombinare între cromozomi să nu poată duce la soluția optimă.Although the recombination step ensures the enrichment of the essential information stored in the chromosomal chains, it is still possible that, starting from an initial generation with a relatively deficient structure, any recombination between chromosomes may not lead to the optimal solution.
De exemplu: dacă pentru rețeaua din figura 1 debuclarea optimă corespunde unei triplete care conține și tronsonul 11, soluția globală a problemei de optimizare nu va putea fi atinsă dacă generația inițială conține numai cei trei cromozomi din figura 2, deoarece nici unul dintre ei nu are bitul 11 setat la valoarea 1. Eliminarea acestui neajuns este posibilă dacă unora dintre cromozomi li se aplică, cu o anumită probabilitate, un operator specific, de mutație care, alege la întâmplare unul din cromozomi, după care generează un număr aleatoriu cuprins între 1 și L (lungimea lanțului cromozomial) și realizează bascularea între 0 și 1 a elementului cu numărul de ordine respectiv din lanț.For example: if for the network in Figure 1 the optimal unbundling corresponds to a triplet that also contains section 11, the overall solution of the optimization problem cannot be reached if the initial generation contains only the three chromosomes in Figure 2, because none of them has bit 11 set to 1. Elimination of this shortcoming is possible if a specific mutation operator is applied to some of the chromosomes with a certain probability, which randomly chooses one of the chromosomes, after which it generates a random number between 1 and L (length of the chromosomal chain) and tilts between 0 and 1 of the element with the respective sequence number in the chain.
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
ROA201200658A RO128440A0 (en) | 2012-09-14 | 2012-09-14 | Process for optimizing the configuration of water distribution networks |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
ROA201200658A RO128440A0 (en) | 2012-09-14 | 2012-09-14 | Process for optimizing the configuration of water distribution networks |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RO128440A0 true RO128440A0 (en) | 2013-05-30 |
Family
ID=48484043
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
ROA201200658A RO128440A0 (en) | 2012-09-14 | 2012-09-14 | Process for optimizing the configuration of water distribution networks |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RO (1) | RO128440A0 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
GB2527825A (en) * | 2014-07-03 | 2016-01-06 | Ibm | Configuration of a network partition with arrangement of intercepting/regulating elements based on distribution of residual capacity of sources to parts |
-
2012
- 2012-09-14 RO ROA201200658A patent/RO128440A0/en unknown
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
GB2527825A (en) * | 2014-07-03 | 2016-01-06 | Ibm | Configuration of a network partition with arrangement of intercepting/regulating elements based on distribution of residual capacity of sources to parts |
US10134090B2 (en) | 2014-07-03 | 2018-11-20 | International Business Machines Corporation | Configuration of a network partition with arrangement of intercepting/regulating elements based on distribution of residual capacity of sources to parts |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Chen et al. | Optimal placement of line switches for distribution automation systems using immune algorithm | |
Carrano et al. | Electric distribution network multiobjective design using a problem-specific genetic algorithm | |
Ganguly et al. | A novel multi-objective PSO for electrical distribution system planning incorporating distributed generation | |
Botea et al. | Optimal reconfiguration for supply restoration with informed A $^{\ast} $ Search | |
Bahadoorsingh et al. | Minimization of voltage sag costs by optimal reconfiguration of distribution network using genetic algorithms | |
Wu et al. | Green data center placement in optical cloud networks | |
Huang et al. | Three-phase balancing of distribution feeders using immune algorithm | |
US20140232186A1 (en) | Apparatus and method for minimizing distribution loss in consideration of section load characteristics of distribution system | |
RU2667662C2 (en) | Protection devices location determining method for their placement in the power distribution network | |
CN109218037A (en) | Message broadcasting method and device in P2P network | |
CN107846015A (en) | Intelligent distribution network load transfer optimal route selection method based on peer-to-peer communication | |
Thanh Nguyen et al. | Optimal network reconfiguration to reduce power loss using an initial searching point for continuous genetic algorithm | |
RO128440A0 (en) | Process for optimizing the configuration of water distribution networks | |
CN106161276A (en) | A kind of method and apparatus adjusting network traffics | |
Sarkar et al. | An adaptive restorative method for resilient power distribution networks | |
Mashhour et al. | Optimal sizing and siting of distributed generation in radial distribution network: Comparison of unidirectional and bidirectional power flow scenario | |
Dong et al. | A service routing reconstruction approach in cyber-physical power system based on risk balance | |
Liu et al. | Risk-aware service routes planning for system protection communication networks of software-defined networking in energy internet | |
CN104065522B (en) | A kind of method and device of detecting PTN link available bandwidths | |
CN109888847A (en) | Optimizing operation method, the apparatus and system of more feed-in AC-DC hybrid power grids | |
López et al. | Optimization approach for the allocation of remote-controlled switches in real-scale electrical distribution systems | |
CN110233796B (en) | Power communication network optimization method and equipment based on weighted routing algorithm | |
Tapia-Juárez et al. | Multi-objective reconfiguration of radial distribution networks considering voltage sags | |
CN113095578A (en) | Design method, device, terminal and medium for optimal communication path of transformer substation | |
CN111628528A (en) | Method and device for eliminating power flow out-of-limit during wind power participation system recovery |