District Metered Area (DMA) construction is one of the most cost effective alternatives for management of water loss (i.e., water leakage) and energy consumption (i.e., water pressure) in water distribution systems. Therefore, it's being implemented to numerous new and existing water distribution systems worldwide. However, due to the complexity of water distribution systems, especially large-scale and highly looped systems, it is still very difficult to define the optimal boundary of DMAs considering all the aspects of water distribution system management requirements. In this study, a DMA design methodology (or a DMA design model) was developed with Geographic Information Systems (GIS) and hydraulic distribution system model to determine the optimal DMA boundary.
본 논문에서는 분기형 관수로 설계방법의 모델을 제시하기 위하여 선형계획법(LP)을 도입한 설계를 연구하였다. 실제 사업지구인 전남해남군 간척사업지구의 자료를 토대로 LP 수식화에 필요한 자료를 수집하여 파이프 관경과 펌프마력설계를 최적화하였다. 연구결과 기존의 관망설계와 비교해 보았을 때 파이프 관경과 펌프마력등에서 더 경제적인 결과를 얻을 수 있었고, 수리모의모형을 사용한 기존의 설계방법보다 객관적이고 효율적인 설계가 가능했다. 이러한 결과를 바탕으로 본 논문에서 연구된 선형계획법을 이용한 분기형 관망설게의 모형이 실무에서도 효율적으로 적용될 수 있음을 알 수 있었다.
In this study, Ant Colony Algorithm(ACO) was used for optimal model. ACO which are metaheuristic algorithm for combinatorial optimization problem are inspired by the fact that ants are able to find the shortest route between their nest and food source. For applying the model to water distribution systems, pipes, tanks(reservoirs), pump construction and pump operation cost were considered as object function and pressure at each node and reservoir level were considered as constraints. Modified model from Ostfeld and Tubaltzev(2008) was verified by applying 2-Looped, Hanoi and Ostfeld's networks. And sensitivity analysis about ant number, number of ants in a best group and pheromone decrease rate was accomplished. After the verification, it was applied to real water network from S water treatment plant. As a result of the analysis, in the Two-looped network, the best design cost was found to $419,000 and in the Hanoi network, the best design cost was calculated to $6,164,384, and in the Ostfeld's network, the best design cost was found to $3,525,096. These are almost equal or better result compared with previous researches. Last, the cost of optimal design for real network, was found for 66 billion dollar that is 8.8 % lower than before. In addition, optimal diameter for aged pipes was found in this study and the 5 of 8 aged pipes were changed the diameter. Through this result, pipe construction cost reduction was found to 11 percent lower than before. And to conclusion, The least cost design model on water distribution system was developed and verified successfully in this study and it will be very useful not only optimal pipe change plan but optimization plan for whole water distribution system.
The purpose of water distribution system is supplying water to users by maintaining appropriate pressure and water quality. For efficient monitoring of the water distribution system, determination of optimal locations for pressure monitoring is essential. In this study, entropy theory was applied to determine the optimal locations for pressure monitoring. The entropy which is defined as the amount of information was calculated from the pressure change due to the variation of demand reflected the abnormal conditions at nodes, and the emitter function (fire hydrant) was used to reproduce actual pressure change pattern in EPANET. The optimal combination of monitoring points for pressure detection was determined by selecting the nodes receiving maximum information from other nodes using genetic algorithm. The Ozger's and a real network were evaluated using the proposed model. From the results, it was found that the entropy theory can provide general guideline to select the locations of pressure sensors installation for optimal design and monitoring of the water distribution systems. During decision-making phase, optimal combination of monitoring points can be selected by comparing total amount of information at each point especially when there are some constraints of installation such as limitation of available budget.
상수도관망은 대표적인 사회기반시설로 수원에서 수용가에게 물을 공급하는 과정에서 병원성 미생물을 소독하기 위해 염소를 주입한다. 안전한 물의 공급을 위해 잔류염소 농도 기준(0.1-4.0 mg/L)을 유지하도록 규정하고 있으나, 사용자의 사용 패턴, 수령, 상수도관망의 형식 및 특징은 수리학적(i.e., 절점의 압력, 관로의 유속) 및 수질적(i.e., 잔류염소 농도) 특징에 영향을 미친다. 따라서, 본 연구에서는 Multi-objective Harmony Search (MOHS)를 사용하여 수질-수리 인자를 고려한 상수도관망 최적 설계 기법을 개발하였다. 설계인자로는 설계비용과 시스템 탄력성을 고려하였으며, 절점의 압력과 잔류염소 농도를 제약조건으로 적용하였다. 도출된 최적설계안은 상수도관망의 형식 및 특징에 따라 분석하였다. 이러한 최적설계안은 경제적인 측면과 수질 측면의 안전성을 충족할 수 있으며, 사용자의 사용성을 증가시킬 수 있다.
This paper presents a two- phase search scheme for optimal pipe expansion of expansion of existing water distribution systems. In pipe network problems, link flows affect the total cost of the system because the link flows are not uniquely determined for various pipe diameters. The two-phase search scheme based on stochastic optimization scheme is suggested to determine the optimal link flows which make the optimal design of existing pipe network. A sample pipe network is employed to test the proposed method. Once the best tree network is obtained, the link flows are perturbed to find a near global optimum over the whole feasible region. It should be noted that in the perturbation stage the loop flows obtained form the sample existing network are employed as the initial loop flows of the proposed method. It has been also found that the relationship of cost-hydraulic gradient for pipe expansion of existing network affects the total cost of the sample network. The results show that the proposed method can yield a lower cost design than the conventional design method and that the proposed method can be efficiently used to design the pipe expansion of existing water distribution systems.
Abstract This paper presents a heuristic method for optimal design of water distribution system with multiple sources and potential links. In multiple source pipe network, supply rate at each source node affects the total cost of the system because supply rates are not uniquely determined. The Linear Minimum Cost Flow (LMCF) model may be used to a large scale pipe network with multiple sources to determine supply rate at each source node. In this study the heuristic method based on the LMCF is suggested to determine supply rate at each source node and then to optimize the given layout. The heuristic method in turn perturbs links in the longest path of the network to obtain the supply rates which make the optimal design of the pipe network. Once the best tree network is obtained, the frequency count of reconnecting links by considering link failure is in turn applied to form loop to enhance the reliability of the best tree network. A sample pipe network is employed to test the proposed method. The results show that the proposed method can yield a lower cost design than the LMCF alone and that the proposed method can be efficiently used to design irrigation systems or rural water distribution systems.
Planning support systems(PSS) add more advanced spatial analysis functions than Geographic information systems(GIS) and intertemporal functions to the functions of spatial decision support systems(SDSS). This paper reports the continuing development of a PSS providing a framework that facilitates urban planners and civil engineers in conducting coherent deliberations about planning, design and operation & maintenance(O&M) of water-distribution networks for urban growth management. The PSS using dynamic optimization model, modeling-to-generate-alternatives, value engineering(VE) and life-cycle cost(LCC) can generate network alternatives in consideration of initial cost and O&H cost. Users can define alternatives by the direct manipulation of networks or by the manipulation of parameters in the models. The water-distribution network analysis model evaluates the performance of the user-defined alternatives. The PSS can be extended to include the functions of generating sewer network alternatives, combining water-distribution and sewer networks, eventually the function of planning, design and O&H of housing sites. Capacity expansion by the dynamic water-distribution network optimization model using MINLP includes three advantages over capacity expansion using optimal control theory(Kim and Hopkins 1996): 1) finds expansion alternatives including future capacity expansion times, sizes, locations, and pipe types of a water-distribution network provided, 2) has the capabilities to do the capacity expansion of each link spatially and intertemporally, and 3) requires less interaction between models. The modeling using MINLP is limited in addressing the relationship between cost, price, and demand, which the optimal control approach can consider. Strictly speaking, the construction and O&M costs of water-distribution networks influence the price charged for the served water, which in turn influence the. This limitation can be justified in rather small area because price per unit water in the area must be same as that of neighboring area, i.e., the price is determined administratively. Planners and engineers can put emphasis on capacity expansion without consideration of the relationship between cost, price, and demand.
Estimation of crop consumptive use is a key term of agricultural water resource systems design and operation. The 10-year return period drought has special aspects as a reference period in design process of irrigation systems in terms of agricultural water demand analysis so that crop evapotranspiration (ETc) about the return period also has to be analyzed to assist understanding of crop water requirement of paddy rice. In this study, The ETc of 10-year return period drought was computed using frequency analysis by 54 meteorological stations. To find an optimal probability distribution, 8 types of probability distribution function were tested by three the goodness of fit tests including ${\chi}^2$(Chi-Square), K-S (Kolmogorov-Smirnov) and PPCC (Probability Plot Correlation Coefficient). Optimal probability distribution function was selected the 2-parameter Log-Normal (LN2) distribution function among 8 distribution functions. Using the two selected distribution functions, the ETc of 10-year return period drought was estimated for 54 meteorological stations and compared with prior study results suggested by other researchers.
관수로시스템 문제는 수리학적 및 시스템운영 제약조건아래서 시스템의 전체비용을 최소비용으로 구하는 것이다. 관수로시스템 문제는 수많은 국지해(local minimum)을 갖는 비볼록(nonconvex) 이므로 종래의 최적화 기법은 임의의 국지해만을 구할 수 있다. 따라서 본 연구에서는 좀더 나은 국지해를 구하기 위해 외부탐사 및 내부최적화 단계 즉 2 단계 분해기법을 제안하였다. 외부탐사 단계에서는 관로들의 최적유량을 찾기 위해 여러 국지해 사이를 이동하면서 좀더 나은 국지해를 찾는 방법인 추계학적탐사방법(stochastic probing method)을 이용 하였고 내부최적화 단계(local minimizer)에서는 외부탐사 단계에서 구한 국지해를 증진시킨다. 이 제안한 방법은 신설 관수로시스템 설계와 기존 관수로시스템의 확장에 적용할 수 있으며, 제안한 방법의 효율성을 검증하기 위해 어느 관수로시스템을 표본으로 채택하여 제안한 방법을 적용한 결과 먼저 발표된 연구자들의 결과보다 적은 비용으로 설계할 수 있었다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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