A multi-objective genetic algorithm optimisation using variable speed pumps in water distribution systems

Due to its practical importance and inherent complexity, the optimisation of distribution networks for supplying drinking water has been the subject of extensive study for the past 30 years. The optimization is governed by sizing the pipes in the water distribution network (WDN) and / or optimises specific parts of the network such as pumps, tanks etc. or try to analyse and optimise the reliability of a WDN. In this thesis, the author has analysed two different WDNs (Anytown City and Cabrera city networks), trying to solve and optimise a multi-objective optimisation problem (MOOP). The main two objectives in both cases were the minimisation of Energy Cost (€) or Energy consumption (kWh), along with the total Number of pump switches (TNps) during a day. For this purpose, a decision support system generator for Multi-objective optimisation used. Its name is GANetXL and has been developed by the Center of Water System in the University of Exeter. GANetXL, works by calling the EPANET hydraulic solver, each time a hydraulic analysis has been fulfilled. The main algorithm used, was a second-generation algorithm for multi-objective optimisation called NSGA_II that gave us the Pareto fronts of each configuration. The first experiment that has been carried out was the network of Anytown city. It is a big network with a pump station of four fixed speed parallel pumps that are boosting the water dynamics. The main intervention was to change these pumps to new Variable speed driven pumps (VSDPs), by installing inverters capable to diverse their velocity during the day. Hence, it’s been achieved great Energy and cost savings along with minimisation in the number of pump switches. The results of the research are thoroughly illustrated in chapter 7, with comments and a variety of graphs and different configurations. The second experiment was about the network of Cabrera city. The smaller WDN had a unique FS pump in the system. The problem was the same as far as the optimisation process was concerned, thus, the minimisation of the energy consumption and in parallel the minimisation of TNps. The same optimisation tool has been used (GANetXL).The main scope was to carry out several and different experiments regarding a vast variety of configurations, using different pump (but this time keeping the FS mode), different tank levels, different pipe diameters and different emitters coefficient. All these different modes came up with a large number of results that were compared in the chapter 8. Concluding, it should be said that the optimisation of WDNs is a very interested field that has a vast space of options to deal with. This includes a large number of algorithms to choose from, different techniques and configurations to be made and different support system generators. The researcher has to be ready to “roam” between these choices, till a satisfactory result will convince him/her that has reached a good optimisation point.

Near Real-Time Detection Of Pipe Bursts in Water Distribution Systems

The research work presented in the thesis describes a new methodology for the automated near real-time detection of pipe bursts in Water Distribution Systems (WDSs). The methodology analyses the pressure/flow data gathered by means of SCADA systems in order to extract useful informations that go beyond the simple and usual monitoring type activities and/or regulatory reporting , enabling the water company to proactively manage the WDSs sections. The work has an interdisciplinary nature covering AI techniques and WDSs management processes such as data collection, manipulation and analysis for event detection. Indeed, the methodology makes use of (i) Artificial Neural Network (ANN) for the short-term forecasting of future pressure/flow signal values and (ii) Rule-based Model for bursts detection at sensor and district level. The results of applying the new methodology to a District Metered Area in Emilia- Romagna’s region, Italy have also been reported in the thesis. The results gathered illustrate how the methodology is capable to detect the aforementioned failure events in fast and reliable manner. The methodology guarantees the water companies to save water, energy, money and therefore enhance them to achieve higher levels of operational efficiency, a compliance with the current regulations and, last but not least, an improvement of customer service.

Le reti di distribuzione idrica nella sicurezza antincendio - Verifiche con il codice INFOWORKS WS

Le reti di distribuzione idrica conservano un ruolo importante ed irrinunciabile nella sicurezza antincendio, ma diversi fattori sul piano normativo e strutturale limitano la loro potenzialità  nelle fasi di estinzione dell'incendio. Ma in che modo si è evoluta in Italia negli ultimi anni la lotta all'incendio? E' ormai noto che non esistono incendi standard, quelli per i quali è possibile definire procedure d'intervento e modalità  di estinzione; non è quindi banale identificare le portate antincendio necessarie (Needed Fire Flow) e il tempo per il quale esse devono essere garantite. In certi contesti è possibile ipotizzare un certo standard d'incendio ma ciò presuppone che edifici, strutture e tutto ciò che è sottoposto ad incendio, possano essere considerati fabbricati a "regola d'arte", ovvero realizzati attraverso procedure esecutive aventi standard di qualità  certificata. Ciò è stato affrontato nei criteri di realizzazione delle nuove costruzioni, ma le vecchie costruzioni, soprattutto gli edifici presenti nei centri storici, sono evidentemente più vulnerabili e sfuggono alla possibilità  di identificare affidabili valori del NFF. Il quadro che si presenta coinvolge quindi carenze normative, contesti urbani con differente vulnerabilità  e una sostanziale disomogeneità  prestazionale delle reti di distribuzione idrica presenti nel territorio nazionale, legata non solo alla disponibilità  idrica ma, anche e soprattutto, alla conformazione della rete, ai livelli di pressione ed alla specifica capacità della rete nel sostenere incrementi di flusso dovuto al prelievo dagli idranti stradali. La scarsa conoscenza di questi aspetti, piuttosto che tradursi in miglioramenti della rete idrica e della sua efficienza ai fini antincendio, ha portato nel tempo ad adottare soluzioni alternative che agiscono principalmente sulle modalità operative di utilizzo dei mezzi dei VV.F. e sul fronte dei dispositivi antincendio privati, quali una migliore protezione passiva, legata all'uso di materiali la cui risposta all'incendio fosse la minore possibile, e protezioni attive alternative, quali impianti sprinkler, di tipo aerosol o misti. Rimangono tutte le problematiche legate alla caratterizzazione nell'area urbanizzata in termini di risposta al prelievo per incendio dagli idranti pubblici sui quali la normativa vigente non impone regole circa le prestazioni e la loro dislocazione sul territorio. Questa incertezza spesso si traduce in un maggiore dispiego di mezzi rispetto all'entità dell'incendio ed ad una scarsa possibilità  di ottimizzare l'allocazione delle unità  operative dei VV.F., con un evidente incremento del rischio nel caso in cui si verifichino più eventi di incendio contemporaneamente. La simulazione numerica avanzata, su modelli opportunamente calibrati delle reti di distribuzione, può consentire una maggiore comprensione quantitativa del livello di sicurezza antincendio offerto da una rete di distribuzione idrica.

Contributo dell'algoritmo euristico ghest nella caratterizzazione energetica di una rete di distribuzione idrica

Un sistema di distribuzione idropotabile (Water Distribution Network -WDN), data la sua complessità strutturale e funzionale, per l' ordinario esercizio richiede elevati quantitativi di energia. L'attuale trend tecnico/scientifico incoraggia la loro gestione e progettazione nell'ottica di un generale risparmio di energia che, oltre ad un indiscusso vantaggio economico, implica sopratutto una razionalizzazione dell'impiego di risorsa idrica. Questo è il contesto scientifico/culturale in cui il presente elaborato si colloca. Nello specifico, ci si propone la caratterizzazione energetica di la rete di distribuzione idrica Cabrera_network.(rivisitazione della rete presentata da E.Cabrera e M.Pardo nel loro studio del 2010) . Si sono quindi qualificati i legami tra i consumi energetici ed aspetti, quali: dimensionamento dei condotti, perdite idriche, tipologia di pompa centrifuga sfruttata e livello idrico massimo del serbatoio di compenso. Ciò è stato esplicato in due fasi di analisi. In una primo momento, si sono impiegati strumenti classi quali il simulatore idraulico Epanet2 e i fogli di calcolo Excel. In un secondo momento, il problema dell'ottimizzazione energetica della rete è stato risolto a mezzo l'algoritmo euristico GHEST. Al di là delle specifiche conclusioni, cui si rinvia, l'elaborato consente di cogliere un più generale profilo di ordine metodologico: l'importanza di una visione d'insieme del problema energetico in un sistema di distribuzione idropotabile, dalla quale, nel caso di specie, emerge che la scelta più ragionevole, al fine dell'ottimizzazione energetica, consiste nell'individuazione del più idoneo modello di pompa alimentante la rete. Per poi, data l'onere progettuale e applicativo che comporta, provvedere al reinvestimento dei capitali risparmiati in attività volte alla riduzione delle perdite idriche. Sono questi infatti, i due aspetti che più incidono sui consumi energetici nel caso di studio.