Otimização de sistemas de redes de distribuição de água

Abstract

RESUMO: As Redes de Distribuição de Água (RDA) são responsáveis pelo transporte de água potável em centros urbanos e instalações industriais. Estas redes são formadas por diversos componentes e sua síntese pode ser formulada por meio de um problema de otimização com formulação de Programação Não Linear Inteira Mista (MINLP), envolvendo principalmente a minimização do custo de instalação da rede, que depende dos diâmetros comerciais dos tubos. Neste trabalho, foi desenvolvido um modelo referência para a otimização de RDA com os sentidos de escoamento desconhecidos nos tubos, usando programação matemática disjuntiva, seguindo uma abordagem determinística. Como extensões deste modelo, são apresentadas formulações de novos modelos com inserções de custo operacional da estação de bombeamento, que depende da topologia da rede, e incertezas nas demandas dos nós, considerando oscilações durante um período de operação. Outra ampliação do modelo considera a inclusão de impactos ambientais ocasionados pela fabricação dos tubos, tornando o problema de otimização multiobjetivo. Estudos de caso da literatura foram empregados para testar a aplicabilidade dos modelos e em alguns casos técnicas de otimização global foram usadas para a resolução dos problemas, em ambiente GAMS. Os resultados obtidos para o modelo referência coincidem com os melhores já encontrados na literatura. No modelo com custo operacional foram obtidos bons resultados para os exemplos considerados. Os resultados encontrados nos modelos multiobjetivo e com incertezas são promissores. Neste último, os resultados mostram que é aconselhável dimensionar e avaliar incertezas no projeto da rede, simultaneamente

ABSTRACT: The Water Distribution Networks (RDA) are responsible for transporting drinking water in urban centers and industrial facilities. These networks are formed by several components and their synthesis can be formulated by an optimization problem with a Mixed Integer Nonlinear Programming (MINLP) formulation, mainly involving the minimization of the network installation cost, which depends on the commercial diameters of the tubes. In this work, a reference model for optimization of RDA with unknown flow directions in the tubes was proposed, using disjunctive mathematical programming, following a deterministic approach. As extensions of this model, formulations of new models were presented with insertions of the pumping station’s operating cost, which depends on the network topology, and uncertainties in node demands, due to fluctuations during an operation period. Another expansion of the model considers the inclusion of the environmental impacts caused by the manufacture of tubes, making the optimization problem multi-objective. Literature case studies are used to test the applicability of the models and in some cases global optimization techniques were used in the problems resolution, in GAMS environment. The results obtained for the reference model coincide with the best found in the literature. In the model with operating cost, good results were obtained for the examples considered. The results found in the multiobjective and uncertain models are promising. In the latter, the results show that it is advisable to dimension and evaluate uncertainties in the network design, simultaneously