Аналіз ефективності методів оптимізації потокорозподілу в системах водопостачання з великою кількістю насосних станцій
Анотація
Актуальність. В даний час досліджено методи оптимізації для невеликої кількості працюючих на мережу активних джерел. Однак при розробці систем оперативного управління режимами функціонування систем подачі та розподілу води (СПРВ) великих міст доводиться стикатися з великою кількістю насосних станцій (НС), що одночасно працюють на мережу. Складність розв'язання задачі оптимізації потокорозподілу в СПРВ зростає зі збільшенням кількості спільно працюючих активних джерел, які є змінними оптимізації задачі, що розглядається.
Мета. В проблемі оперативного управління режимами функціонування СПРВ важливе місце посідає задача оптимізації потокорозподілу у водопровідній мережі великої розмірності. Мета задачі - необхідно так розподілити навантаження (витрати) між НС, щоб при забезпеченні заданої якості постачання водою усіх споживачів досягався мінімум суми енерговитрат на насосних станціях. Розглянуто постановку задачі, методи її вирішення для СПРВ великого міста, на яку працює велика кількість насосних станцій. Необхідно провести порівняльний аналіз ефективності використання різних оптимізаційних методів для вирішення задачі оптимального розподілу навантаження між великою кількістю НС, одночасно працюючих на систему водопостачання мегаполісу.
Методи дослідження. Дану задачу можна вирішити методами нелінійного математичного програмування чи пошукової оптимізації на базі гідравлічного розрахунку водопровідної мережі. Її специфічна особливість – алгоритмічне завдання функції мети. При роботі на мережу двох активних джерел така задача зводиться до задачі одновимірної пошукової оптимізації. При більшій кількості змінних необхідно використовувати методи багатовимірної оптимізації. Для дослідження ефективності вирішення задачі оптимізації потокорозподілу в СПРВ використовувалися найбільш ефективні та поширені методи: покоординатного спуску; сканування зі змінним кроком; деформованого багатогранника Нелдера-Міда; прямого пошуку Хука та Дживса; Розенброка; Пауелла.
Результати. Проведені дослідження показали, що найбільш ефективним за критеріями мінімуму витрат комп’ютерного часу та об’єму комп’ютерної пам’яті виявився метод прямого пошуку Хука і Дживса.
Висновки. Отримані результати доцільно використовувати для розробки та експлуатації систем оперативного управління режимами функціонування СПРВ великих міст, АРМ диспетчерів водопровідних мереж, САПР систем водопостачання для визначення оптимальних режимів функціонування СПРВ.
Завантаження
Посилання
/Посилання
A.G. Evdokimov, A.D. Tevyashev, Operational control of the flow distribution in engineering networks. Vishcha Shkola, Kharkov, 144 p. [in Russian] (1980)
A.G. Evdokimov, A.D. Tevyashev, V.V. Dubrovskiy, Modeling and optimization of the flow distribution in engineering networks. Stroyizdat, Moscow, 368 p. [in Russian] (1990)
A.G. Evdokimov, A.G., Tevyashev, A.D., V.V. Dubrovskiy, Streaming distribution in engineering networks. Stroyizdat, Moscow, 199 p. [in Russian] (1979)
D. Himmelblau, Applied nonlinear programming. Moscow, 534 p. [in Russian] (1975)
L.A. Rastrigin, Extreme control systems. Moscow, 630 p. [in Russian] (1974)
A.G. Evdokimov, Minimization of functions and its application to the tasks of automatized control of engineering networks. Kharkov, 288 p. [in Russian] (1985)
F. Fallside, P.F. Perry, R.H. Burch, K.C. Marlow, The Development of Modelling and Simulation Techniques Applied to a Computer - Based - Telecontrol Water Supply System. In: Computer Simulation of Water Resourses Systems, No.12, pp. 617-639 (1975)
N.N. Abramov, Theory and Methodology of Calculation of Water Supply and Distribution Systems. Stroyizdat, Moscow, 288 p. [in Russian] (1985)
A.P. Merenkov, V.Y. Hasilev, Theory of hydraulic circuits. Nauka, Moscow, 279 p. [in Russian] (1985)
Energy Pipeline System: methodological and applied problems of mathematical modeling / N.N. Novitsky, M.G. Suharev, A.D. Tevyashev et al. - Novosibirsk: Science, 476 p. [in Russian] (2015) http://51.isem.irk.ru/semtps/works.php
A.D. Tevyashev, O.I. Matvienko, About one approach to solve the problem of management of the development and operation of centralized water–supply systems. In: Econtechmod. An International Quarterly Journal. Vol. 3, Issue 3, pp. 61–76 (2014) https://openarchive.nure.ua/server/api/core/bitstreams/d73ad31a-bb66-46ac-987f-14a1943d1b1b/content
N.N. Novitskii, O.V. Vanteyeva, Modeling of stochastic hydraulic conditions of pipeline systems // Chaotic Modeling and Simulation (CMSIM). No.1, P. 95-108 (2014) http://www.asmda.es/images/Corrected-BOOK_OF_ABSTRACTS-ASMDA2017-5-22.pdf
S.V. Dyadun, Selection of the optimal combinations of the pump station units for the city water supply system. In: City utilities. Kiev: Tehnika, Issue 1, pp. 63-70 (1992)
S.V. Dyadun, Modeling and rational control of water supply systems with minimum volume of operative information. In: RadioElectronics & Informatics Journal. Kharkov, KNURE, No. 20, pp. 111-115 [in Russian] (2002) https://cyberleninka.ru/article/n/modelirovanie-i-ratsionalnoe-upravlenie-sistemami-vodosnabzheniya-pri-minimalnom-obeme-operativnoy-informatsii
C. Reinbold, V. Hart, The search for energy savings: optimization of existing & new pumping stations. In: Florida Water Resources Journal, pp. 44–52 (2011)
J. Burgschweiger, B.B. Gnadig, M.C. Steinbach, Nonlinear programming techniques for operative planning in large drinking water networks. In: Konrad–Zuse–Zentrum fur Informationstechnik Berlin. Berlin: ZIB-Report. (2005) https://www.ifam.uni-hannover.de/fileadmin/ifam/ordner/steinbach/publications/final/14TOAMJ.pdf
I. Pulido–Calvo, J.C. Gutiérrez–Estrada, Selection and operation of pumping stations of water distribution systems. In: Environmental Research Journal, Nova Science Publishers. Vol. 5, Issue 3, pp. 1–20 (2011) https://sswm.info/node/4007
B. Lipták. Pumping station optimization. In: Control Promoting Excellence in Process Automation, pp. 12–19 (2009) https://www.controlglobal.com/manage/optimization/article/11381799/optimization-pumping-station-optimization-part-1-control-global
Sergey Dyadun. Information Technologies to Estimation the Effectiveness of Water Supply Systems Control Depending on the Degree of Model Uncertainty // ”ICT in Education, Research, and Industrial Applications: Integration, Harmonization, and Knowledge Transfer” – ICTERI ’2020’ / Kharkiv, V.N.Karazin National University, pp. 137-145. (2020) http://ceur-ws.org/Vol-2740/20200137.pdf, https://dblp.uni-trier.de/db/conf/icteri/icteri2020.html
Dyadun S.V., Yakovlev S.V., Kobylin O.A. Mathematical Modeling of Steady Flow Distribution in Water Supply Networks with Pumping Stations and Regulating Capacitances // 2nd International Workshop of IT-professionals on Artificial Intelligence (ProfIT AI 2022), 2-4.12.2022, Łódź, Poland -2022, Scopus , p. 78-83. https://ceur-ws.org/Vol-3348/ https://ceur-ws.org/Vol-3348/short2.pdf
Elizarov E.Ya., Savchenko V.S. Numerical methods of nonlinear programming. Donetsk. 66 p. [in Russian] (1982)
Koida N.U., Markhel E.G. Calculation of optimal flow distribution in a network with several power points // XVIII rep. conference. Rivne, p.21-23. [in Russian] (1969)
Евдокимов А.Г., Тевяшев А.Д. Оперативное управление потокораспределением в инженерных сетях. Харьков, 1980, 144с.
Евдокимов А.Г., Тевяшев А.Д., Дубровский В.В. Моделирование и оптимизация потокораспределения в инженерных сетях. М: Стройиздат, 1990, 368с.
Евдокимов А.Г., Дубровский В.В., Тевяшев А.Д. Потокораспределение в инженерных сетях. М.: Стройиздат, 1979, 199с.
Химмельблау Д. Прикладное нелинейное программирование. М., 1975, 534с.
Растригин Л.А. Системы экстремального управления. М., 1974, 630с.
Евдокимов А.Г. Минимизация функций и ее приложения к задачам автоматизированного управления инженерными сетями. Харьков, 1985, 288с.
Fallside, F., Perry, P.F., Burch, R.H., Marlow, K.C.: The Development of Modelling and Simulation Techniques Applied to a Computer - Based - Telecontrol Water Supply System. In: Computer Simulation of Water Resourses Systems, 1975, No.12, pp. 617-639.
Абрамов Н.Н. Теория и методика расчета систем подачи и распределения воды. М.: Стройиздат, 1985, 288с.
Меренков А.П., Хасилев В.Я. Теория гидравлических цепей. М.: Наука, 1985, 279 с.
Новицкий Н.Н., Сухарев М.Г., Тевяшев А.Д. и др. Трубопроводные системы энергетики. Методические и прикладные проблемы математического моделирования. Изд-во ”Наука”, Новосибирск, 2015, 476с. http://51.isem.irk.ru/semtps/works.php
Tevyashev, A.D., Matvienko, O.I. About one approach to solve the problem of management of the development and operation of centralized water–supply systems. In: Econtechmod. An International Quarterly Journal. 2014, Vol. 3, Issue 3, pp. 61–76. https://openarchive.nure.ua/server/api/core/bitstreams/d73ad31a-bb66-46ac-987f-14a1943d1b1b/content
Novitsky N.N., Vanteyeva O.V. Modeling of stochastic hydraulic conditions of pipeline systems // Chaotic Modeling and Simulation (CMSIM). 2014. No.1. P. 95-108. http://www.asmda.es/images/Corrected-BOOK_OF_ABSTRACTS-ASMDA2017-5-22.pdf
Дядюн С.В. Выбор оптимальных комбинаций агрегатов насосной станции городского водопровода. // Коммунальное хозяйство городов, Киев, Техніка, 1992, №1, с.63-70.
Дядюн С.В. Моделирование и рациональное управление системами водоснабжения при минимальном объёме оперативной информации // Радиоэлектроника и информатика, Харьков, ХНУРЭ, № 20, 2002, с.111-115. https://cyberleninka.ru/article/n/modelirovanie-i-ratsionalnoe-upravlenie-sistemami-vodosnabzheniya-pri-minimalnom-obeme-operativnoy-informatsii
Reinbold, C., Hart, V. The search for energy savings: optimization of existing & new pumping stations. In: Florida Water Resources Journal, 2011, pp. 44–52.
Burgschweiger, J., Gnadig, B.B., Steinbach, M.C. Nonlinear programming techniques for operative planning in large drinking water networks. In: Konrad–Zuse–Zentrum fur Informationstechnik Berlin. – Berlin: ZIB-Report, 2005. https://www.ifam.uni-hannover.de/fileadmin/ifam/ordner/steinbach/publications/final/14TOAMJ.pdf
Pulido–Calvo, I. Gutiérrez–Estrada, J.C.: Selection and operation of pumping stations of water distribution systems. In: Environmental Research Journal, Nova Science Publishers. – 2011, Vol. 5, Issue 3, pp. 1–20. https://sswm.info/node/4007
B. Lipták. Pumping station optimization. In: Control Promoting Excellence in Process Automation, pp. 12–19 (2009) https://www.controlglobal.com/manage/optimization/article/11381799/optimization-pumping-station-optimization-part-1-control-global
Sergey Dyadun. Information Technologies to Estimation the Effectiveness of Water Supply Systems Control Depending on the Degree of Model Uncertainty // ”ICT in Education, Research, and Industrial Applications: Integration, Harmonization, and Knowledge Transfer” – ICTERI ’2020’ / Kharkiv, V.N. Karazin National University, 2020, pp. 137-145. http://ceur-ws.org/Vol-2740/20200137.pdf, https://dblp.uni-trier.de/db/conf/icteri/icteri2020.html
Dyadun S.V., Yakovlev S.V., Kobylin O.A. Mathematical Modeling of Steady Flow Distribution in Water Supply Networks with Pumping Stations and Regulating Capacitances // 2nd International Workshop of IT-professionals on Artificial Intelligence (ProfIT AI 2022), 2-4.12.2022, Łódź, Poland. 2022. p. 78-83. https://ceur-ws.org/Vol-3348/ https://ceur-ws.org/Vol-3348/short2.pdf
Елизаров Е.Я., Савченко В.С. Численные методы нелинейного программирования. Донецк, 1982, 66с.
Койда Н.У., Мархель Э.Г. Расчет оптимального потокораспределения в сети с несколькими точками питания // Тез. докл. ХVШ респ. конф. Ровно, 1969, с.21-23.
