Su Dağıtım Şebekelerinin Genetik Algoritma ile

Optimal Tasarımı ve Genişletilmesi

    Dünyada hızla nüfusun artmasına karşılık temiz su kaynaklarının giderek azalması göz önünde bulundurulursa su dağıtım şebekelerinin optimizasyonunun öneminin arttığı açıktır. Araştırmacılar önce şebeke hidroliğini çözmek için bilgisayar programları oluşturmuşlar, daha sonra su dağıtım şebekelerinin optimizasyonu konusunda çeşitli optimizasyon yöntemleri ve bunları kullanan programlar hazırlamışlardır. Ancak bunların bir çoğu gerçek şebeke sistemlerine uygulanması çok zor olan teknikler olması sebebiyle piyasalarda yaygın kullanım alanı bulamamıştır. Son yıllarda ise yeni bir yaklaşım sayabileceğimiz Genetik Algoritmaların (GAs) şebeke optimizasyonunda kullanımı giderek artmaktadır. Günümüzde genetik algoritmalar su dağıtım sistemlerinin dizaynı, genişletilmesi, rehabilitasyonu, su sızıntılarını minimize etmek için kontrol vanalarının yerleşimi, karmaşık sistemler için pompa çalışma zamanlarının düzenlenmesi, hazne işletilmesi, numune alma ve klorlama istasyonlarının yerleşimi, farklı kaynaklardan alınan suların kalitesinin optimize edilmesi gibi çok geniş bir alanda yaygın olarak kullanılmaktadır. Bu çalışmaların ışığında, su dağıtım şebekelerinin dizaynı ve genişletilmesinde kullanılabilecek, genetik algoritma ile optimizasyon yapan SUGANET adlı Visual BASIC ortamlı bir bilgisayar programı hazırlanmıştır. Hazırlanan program, dağıtım şebekesinin hidrolik hesapları için EPA’nın su dağıtım şebekesi programı EPANET2’yi, genetik algoritma için de Optiwater firmasının OptiGA adlı ActiveX denetimini kullanmaktadır. Hazırlanan program ile her bir boru için dizaynda kullanılabilecek boru çapları ve fiyatlarını kullanarak, her düğüm noktası için ayrı ayrı verilebilen minimum ve maksimum basınç ve her boru için ayrı ayrı verilebilen minimum ve maksimum hız sınırları arasında optimize edilmiş bir şebeke sunabilmektedir. Hazırlanan program su dağıtım şebekelerinin dizaynında, mevcut bir şebekenin genişletilmesinde ve hatta rehabilitasyonunda bir mühendis denetiminde optimizasyon amaçlı kullanılabilir. 

In last decades, rapid increase in world population, urbanization and depletion of fresh water resources indicates that the optimization of water distribution networks is an essential element of water resources protection. Although up to now numerous computer aided tools on hydraulic design of water distribution networks and optimization methods have been developed. These methods could not be used widely due to some difficulties in the application of these methods/tools in real-size water distribution networks. Optimization of water distribution systems using genetic algorithms gains acceptance all over the world recent years. Genetic algorithms are powerful population oriented search algorithm based upon Darwin’s theory Survival of the fittest. The genetic algorithm selects, combines and manipulates possible solutions in a search for the lower cost network. Many tests of the application of the genetic algorithm optimization process to real-life network designs have shown that the GA is effective at finding low cost solutions. This study describes development of a computer program, called SUGANET, which uses Genetic Algorithm for the least-cost design and expansion of water distribution system. Program was tested with several problems from the literature, comparing solutions was fairly near for small-scale water distribution systems. SUGANET is a windows program under construction of Microsoft Visual Basic that optimizes water distribution systems using genetic algorithm. It uses Epanet2 (Distributed by The U.S. EPA) for hydraulic calculations, and OptiGA (Optiwater) ActiveX control for Genetic Algorithm optimization. SUGANET can be used for new design, expansion or rehabilitation of existing water distribution systems for optimization.

     Su Dağıtım Sistemlerinin Genetik Algoritma ile Optimizasyonu 

     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. 

   Optimization of  Water Distribution Systems Using Genetic Algorithm 

     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.

Kompleks Su Dağıtım Şebekelerinin Genetik Algoritma ile Optimizasyonu

    Bu çalışmada Genetik Algoritmalarla kompleks içmesuyu dağıtım sistemlerinin optimizasyonu konusu irdelenmiştir. İlk iki yazar tarafından 2001 yılında projelendirilmiş olan İzmir Atatürk Organize Sanayi Bölgesi (İAOSB) içme suyu dağıtım şebekesi genetik algoritma ile tasarım yapan SUGANET adlı programla çözülerek sonuçlar ekonomik ve hidrolik açıdan incelenmiştir. İki ayrı noktadan beslenen sistem için dört farklı hidrolik konumu birlikte sağlayan çözüm yapılmıştır. Projelendirmede hidrolik açıdan kararlı çözümü bulan diğer bir bilgisayar programı (DOHC) yardımıyla elde edilen çözüm, SUGANET programıyla elde edilen çözümle kıyaslanmıştır. SUGANET çözümünün maliyet açısından %5.3 daha ucuz, hidrolik açıdan da daha iyi sonuçlar verdiği saptanmıştır. Ayrıca, hidrolik açıdan bir kararlı durum için çözüm bulan klasik bilgisayar programlarıyla, deneme yanılma yöntemiyle çaplar düzeltilerek defalarca yapılan ve aylar süren proje çalışmalarının birkaç gün içerisinde optimum çözüm ile sonuçlandırılabildiği görülmüştür.  

Optimization of Complex Water Distribution Networks

Using Genetic Algorithm  

     In this paper, optimization of complex water distribution systems using genetic algorithms has been discussed. The potable water distribution network of İzmir Atatürk Organized Industry Region (IAOSB), which was designed in 2001 by the first and second authors, is solved using a code implementing genetic design algorithms, SUGANET, and its solutions are evaluated from an economical and hydraulic viewpoint. A solution that provides four different hydraulic conditions is obtained for the system with supplies from two different nodes. The solution obtained by SUGANET is compared with the solution by DOHC, a code that can obtain hydraulically stable solutions. The comparison shows that SUGANET solution is 5.3% less costly and yields hydraulically better results. Furthermore, it is shown that the design studies can take months, if conventional trial-and-error codes solving for hydraulically stable solutions were used, and that the design time required for the optimal solution can be reduced to the order of days.