ارزیابی روش‌های مدل‌سازی بردار متغیر تصمیم در طراحی بهینه چندفازی شبکه‌های توزیع آب

ریاحی, محمدمهدی; ابراهیم بخشی پور, امین; جودیچیانی, کارلو; حقیقی, علی; کریاکو, انریکو

doi:10.22112/jwwse.2025.515624.1450

ارزیابی روش‌های مدل‌سازی بردار متغیر تصمیم در طراحی بهینه چندفازی شبکه‌های توزیع آب

نوع مقاله : مقالات علمی

نویسندگان

محمدمهدی ریاحی ¹

امین ابراهیم بخشی پور ²

کارلو جودیچیانی ³

علی حقیقی ⁴

انریکو کریاکو ⁵

¹ دانش آموخته دکتری مهندسی عمران، دانشکده‌ عمران و معماری دانشگاه شهیدچمران اهواز، اهواز، ایران.

² محقق، دپارتمان مدیریت آب شهری، دانشگاه کایزرسلاترن، کایزرسلاترن، آلمان.

³ استادیار، گروه مهندسی عمران و معماری، دانشگاه پاویا، پاویا، ایتالیا.

⁴ استاد دانشکده‌ عمران و معماری، دانشگاه شهیدچمران اهواز، اهواز، ایران.

⁵ استاد، گروه مهندسی عمران و معماری، دانشگاه پاویا، پاویا، ایتالیا.

10.22112/jwwse.2025.515624.1450

چکیده

برخلاف روش طراحی استاتیکی که رویکردی سنتی محسوب می‌شود و فرآیند طراحی شبکه آبرسانی را در یک مرحله به انجام می‌رساند، روش طراحی دینامیکی با تقسیم‌بندی دوره طرح به فازهای متعدد، طراحی شبکه توزیع آب را انجام می‎دهد. امروزه به‌منظور دستیابی به طرح‌های بهینه در روش طراحی دینامیکی، الگوریتم‌های بهینه‌سازی چندهدفه مورد استفاده قرار می‌گیرند. در پژوهش حاضر، ابتدا روش طراحی و ساخت چندفازی که زیرمجموعه‌ای از طراحی دینامیکی است، تشریح شده است. سپس، دو رویکرد متمایز مدل تجمیعی و مدل تفکیکی برای مدل‌سازی بردار متغیرهای تصمیم‌گیری در الگوریتم بهینه‌سازی چندهدفه معرفی می‌شوند. مدل تجمیعی در هر فاز از یک کروموزوم واحد استفاده می‌کند، در حالی‎که مدل تفکیکی برای هر فاز از دو کروموزوم مجزا بهره می‌گیرد. در نهایت، تأثیراتی که این دو رویکرد مدل‌سازی بردار متغیرهای تصمیم‌گیری بر طراحی چندفازی شبکه‌های آبرسانی اعمال می‌نمایند، مورد مقایسه و ارزیابی قرار می‌گیرند. نتایج نشان می‌دهد که مدل تفکیکی منجر به بهبود ۱۰ درصدی جواب‌های جبهه پارتوی نهایی نسبت به مدل تجمیعی شده است. علاوه‎بر این، این مدل موجب افزایش ۶ درصدی تعداد جواب‌های نهایی جبهه پارتو و افزایش ۲ برابری تعداد جواب‌های امکان‌پذیر در تکرارهای ابتدایی در مقایسه با مدل تجمیعی شده است.

کلیدواژه‌ها

شبکه‌های توزیع آب

بهینه سازی چندهدفه

طراحی استاتیکی و دینامیکی

روش‌ چندفازبندی

Alperovits, E., and Shamir, U., (1977), “Design of optimal water distribution systems”, Water Resources Research, 13(6), 885-900, https://doi.org/10.1029/WR013i006p00885.

Bahrami Chegeni, I., Riyahi, M.M., Bakhshipour, A.E., Azizipour, M., and Haghighi, A., (2025), “Developing Machine Learning models for optimal design of water distribution networks using Graph Theory-based features”, Water, 17(11), 1654, https://doi.org/10.3390/w17111654.

Creaco, E., and Franchini, M., (2012), “Fast network multi-objective design algorithm combined with an a posteriori procedure for reliability evaluation under various operational scenarios”, Urban Water Journal, 9(6), 385-399, https://doi.org/10.1080/1573062X.2012.690432.

Creaco, E., Franchini, M., and Walski, T.M., (2014), “Accounting for phasing of construction within the design of water distribution networks”, Journal of Water Resources Planning and Management, 140(5), 598-606, https://doi.org/10.1061/(ASCE)WR.1943-5452.0000358.

Creaco, E., Franchini, M., and Walski, T.M., (2015), “Taking account of uncertainty in demand growth when phasing the construction of a water distribution network”, Journal of Water Resources Planning and Management, 141(2), 04014049, https://doi.org/10.1061/(ASCE)WR.1943-5452.0000441.

Creaco, E., Franchini, M., and Walski, T.M., (2016), “Comparison of various phased approaches for the constrained minimum-cost design of water distribution networks”, Urban Water Journal, 13(3), 270-283, https://doi.org/10.1080/1573062X.2014.991330.

Deb, K., Pratap, A., Agarwal, S., and Meyarivan, T.A.M.T., (2002), “A fast and elitist multiobjective genetic algorithm: NSGA-II”, IEEE Transactions on Evolutionary Computation, 6(2), 182-197, https://dio.org/10.1109/4235.996017.

Dell’Aira, F., Cancelliere, A., Creaco, E., and Pezzinga, G., (2021), “Novel comprehensive approach for phasing design and rehabilitation of water distribution networks”, Journal of Water Resources Planning and Management, 147(3), 04021001, https://doi.org/10.1061/(ASCE)WR.1943-5452.00013.

Engelhardt, M., (1999), “Development of a strategy for the optimum replacement of water mains”, Doctoral Dissertation, Department of Civil and Environmental Engineering, University of Adelaide.

Farmani, R., Walters, G.A., and Savic, D.A., (2005), “Trade-off between total cost and reliability for Anytown water distribution network”, Journal of Water Resources Planning and Management, 131(3), 161-171, https://doi.org/10.2166/hydro.2006.019b.

Farmani, R., Walters, G., and Savic, D., (2006), “Evolutionary multi-objective optimization of the design and operation of water distribution network: total cost vs. reliability vs. water quality”, Journal of Hydroinformatics, 8(3), 165-179, https://doi.org/10.1061/(ASCE)0733-9496(2005)131:3(161).

Haghighi, A., Samani, H.M., and Samani, Z.M., (2011), “GA-ILP method for optimization of water distribution networks”, Water Resources Management, 25(7), 1791-1808, https://doi.org/10.1007/s11269-011-9775-4.

Krapivka, A., and Ostfeld, A., (2009), “Coupled genetic algorithm, linear programming scheme for least-cost pipe sizing of water-distribution systems”, Journal of Water Resources Planning and Management, 135(4), 298-302, https://doi.org/10.1061/(ASCE)0733-9496(2009)135.

Lansey, K.E., Basnet, C., Mays, L.W., and Woodburn, J., (1992), “Optimal maintenance scheduling for water distribution systems”, Civil Engineering Systems, 9(3), 211-226, https://doi.org/10.1080/02630259208970650.

Minaei, A., Haghighi, A., and Ghafouri, H.R., (2019), “Computer-aided decision-making model for multiphase upgrading of aged water distribution mains”, Journal of Water Resources Planning and Management, 145(5), 04019008, https://doi.org/10.1061/(ASCE)WR.1943-5452.0001070.

Minaei, A., Abusamra, S., Hajibabaei, M., Savic, D., Zecchin, A.C., Creaco, E., and Sitzenfrei, R., (2024), “Optimized phased planning for dynamic rehabilitation of integrated municipal infrastructure”, AQUA, Water Infrastructure, Ecosystems and Society, 73(7), 1389-1405, https://doi.org/10.2166/aqua.2024.083.

Poojitha, S.N., and Jothiprakash, V., (2024), Robust and reliable design alternatives to water distribution networks: introducing a penalty-free hybrid metaheuristic multiobjective algorithm with a posterior performance investigation model”, Journal of Water Resources Planning and Management, 150(12), 04024055, https://doi.org/10.1061/JWRMD5.WRENG-6420.

Riyahi, M.M., Bakhshipour, A.E., and Haghighi, A., (2023), “Probabilistic warm solutions-based multi-objective optimization algorithm, application in optimal design of water distribution networks”, Sustainable Cities and Society, 91, 104424, https://doi.org/10.1016/j.scs.2023.104424.

Riyahi, M.M., Giudicianni, C., Haghighi, A., and Creaco, E., (2024), “Coupled multi-objective optimization of water distribution network design and partitioning: a spectral graph-theory approach”, Urban Water Journal, 21(6), 745-756. https://doi.org/10.1080/1573062X.2024.2352797.