بخشی از مقاله
خلاصه
در صنعت آب و فاضلاب زمان در دسترس بودن ، به دليل عواملي همچون انجام فعاليت هاي نگهداري تعميرات پيشگيرانه و اضطراري، تعويض لوله و اتصالات ، خرابيهاي نامعين ، همپوشاني افق هاي برنامه ريزي و غيره محدود ميشود.
خرابي هاي نامعين باعث کاهش ميزان قطعيت در برنامه ريزي شده و بدين ترتيب از کارايي و اثربخشي سيستم توليد مي - کاهند. نگهداري و تعميرات پيشگيرانه ، تعويض به موقع لوله ها و اتصالات و بازرسيهاي دوره اي ميزان اين خرابيها را کاهش ميدهد اما هزينه هاي زيادي را در برميگيرد. در اين مقاله مسئله ارزيابي چرخه ي عمر لوله هاي آب مدفون در خاک با هدف حداکثر سازي زمان بين خرابيها مورد بررسي قرار گرفته و به صورت مدل رياضي فرموله شده است . با توجه به فرسودگي لوله ها و اتصالات ، ممکن است هر خط لوله به چندين فعاليت نگهداري تعميرات در افق برنامه ريزي نياز پيدا کند. پس از هر نگهداري و تعميرات ، لوله با نسبتي به شرايط اوليه باز ميگردد و اثر زوال از سر گرفته ميشود.
در نهايت با ارائه مثال عددي و تحليل حساسيت روي يک سري از پارامترها به ارزيابي مدل و عملکرد روش حل پيشنهادي پرداخته شده است . نتايج نشان ميدهد ميتوان با کنترل و متعادل کردن تعداد نگهداري و تعميرات بهينه در زمان مناسب ، قابليت اطمينان سيستم را افزايش و هزينه ها و اثرات زيست محيطي را به طور همزمان کاهش داد.
کلمات کليدي: لوله آب ، ميانگين زمان بين خرابي ، هزينه چرخه عمر، اثرات زيست محيطي ، تعمير نگهداري
١. مقدمه
شبکه توزيع آب شهري به مجموعه اي از تاسيسات و امکانات گفته ميشود که بستر رسيدن آب از يک منبع به دست مصرف کننده را فراهم مينمايند. شرکت هاي آب منطقه اي با طيف گسترده اي از تصميمات مواجه هستند که در اين بين ، تصميمات مرتبط با تعمير و تعويض خطوط لوله آب شهري، يکي از مهم ترين تصميمات هستند چرا که اولا ماهيت بلندمدت داشته و به همين دليل ، تغيير اين تصميمات ، هزينه هاي زيادي در بر دارد و دوما، به دليل ايجاد تبعات براي محيط زيست و سلامت افراد، بايستي مورد توجه ويژه قرار گيرند. با بزرگتر و صنعتي شدن هر جامعه ، شرکت هاي آب و فاضلاب با چالش هاي مختلفي رويرو مي شوند. اين چالش ها عبارتند از: قابليت اطمينان بالاي مورد نياز، افزايش هزينه هاي چرخه عمر، هزينه هاي زيست محيطي و هزينه هاي تعمير نگهداري . به عبارتي با افزايش سن لوله ها و تجهيزات ، شرکت هاي آب و فاضلاب نيازمند تعمير و به کارگيري استراتژي هاي مديريت تجهيزات و ايجاد تعادل بين سرمايه ها و هزينه هاي تعمير نگهداري به منظور افزايش قابليت اطمينان لوله ها با توجه به محدوديت هاي بودجه اي مي باشند. در اين مقاله چارچوب کلي مدل بهينه سازي تصميمات تعمير و تعويض خطوط لوله آب شهري با صرف نظر از شرح جزييات آن ارائه شده است . تمرکز اصلي بر روي تابع هدف زيست محيطي و نتايج خروجي مدل مربوطه نسبت به پارامترهاي ورودي آن ميباشد. مدل بهينه سازي در يک محدوده از شهر اصفهان پياده سازي و تحليل شده است .
در بخش دو، سه ، چهار و پنج به بيان ادبيات پيشين و در بخش شش به بيان مدل بهينه سازي پرداخته شده است .
جزئيات پياده سازي نيز در بخش هاي هفت ، هشت و نه تحت عناوين نمونه موردي، مرز کاراي مدل و تحليل حساسيت بيان گرديده است . مهم ترين يافته هاي تحقيق حاضر نيز در بخش دهم برشمرده شده اند.
٢. مطالعات مرتبط با قابليت اطمينان
شبکه هاي توزيع آب به طور سنتي طراحيشده اند تا به طور کامل قابل اطمينان باشند. قابليت اطمينان يک سيستم بر اساس8402 ISOبه عنوان توانايي سيستم براي اجراي عملکرد مناسب تحت شرايط محيطي و عملياتي مناسب در يک زمان مشخص تعريف شده است . تجزيه تحليل قابليت اطمينان سيستم توزيع آب بايد شامل مدل هاي شبکه اي هيدروليکي باشد. قابليت اطمينان شبکه توزيع آب متناسب با شکست اندازه گيري ميشود. شکست ميتواند فيزيکي(همچون شکست و نشت ) باشد.
تحقيقات منتشرشده ي زيادي بر تجزيه تحليل و فرآيند تصميم گيري جهت بهبود قابليت اطمينان مکانيکي شبکه توزيع آب متمرکزشده اند. روش هاي مورداستفاده براي تجزيه وتحليل قابليت اطمينان شبکه هاي توزيع آب را ميتوان به دو گروه تقسيم نمود: شبيه سازي و روش هاي تحليلي. قاعده ي اصلي که در پشت روش هاي تحليلي پنهان شده است تبديل شرايط توپولوژي سيستم به يک مدل شامل ساختارهاي موازي و سري است . تاکنون تحقيقات زيادي مرتبط با قابليت اطمينان لوله ها و يا به عبارتي کاهش احتمال شکست انجام شده است در هريک از تحقيقات پارامترهاي متفاوتي ازجمله انحناي لوله ، شرايط محيطي، نوع لوله ، قطر لوله بررسي شده است . به عنوان نمونه تي و همکارانش پايايي شبکه اي از لوله ها را مورد بررسي قرار دادند و روشي يکپارچه براي تعمير و نگهداري سيستماتيک شبکه ي خطوط لوله هاي زيرزميني ارائه نمودند در اين راستا دو معيار اساسي مورد بررسي قرار گرفت ، اين دو معيار عبارت اند از حداکثر سازي قابليت اطمينان و حداقل سازي هزينه هاي ناشي از نصب و تعمير نگهداري لوله ها. به منظور محاسبه ي قابليت اطمينان ، تي و همکارانش عملکرد لوله ها را در برابر تحمل فشار نسبت به شکل اوليه ارزيابي کردند و مدلي ارائه نمودند که شامل تمامي عوامل تأثيرگذار ازجمله فشار جامدات ، فشار سربار، ميانگين قطر لوله ، ضريب واکنش با خاک و ضريب ارتجاعي مواد اوليه لوله ها بود و در آخر با استفاده از اين مدل و روش FORM يا همان روش مرتبه اول ، قابليت اطمينان را محاسبه نمودند، هدف ديگري که در آن مطالعه مورد بررسي قرار گرفت حداقل سازي هزينه ها بود، تي و همکارانش با ارائه ي مدلي که دربردارنده ي هزينه ي توليد لوله ، هزينه ي نگهداري و هزينه خرابي بود به اين هدف دست يافتند. به علاوه تي و همکارانش توانستند الگويي جهت تعمير يا تعويض لوله ها با توجه به قابليت اطمينان و هزينه هاي ناشي از آن ارائه نمايند، به گونه اي که به واسطه ي اين الگو زمان و روش مناسب به طور دقيق مشخص شده بود
٣. مطالعات مرتبط با هزينه هاي مالي
هزينه نيز همچون طول عمر و اثرات زيست محيطي عاملي مهم است همان گونه که چنگ و همکارانش در سيستم آب رساني داخلي ساختمان هزينه هاي چرخه ي عمر را لحاظ نموده اند و با استفاده از شبيه سازي مونت کارلو توزيع مقاومت هيدروليکي را مشخص کردند و با استفاده از روش مارکوف توزيع احتمالي مقاومت لوله ها را مورد بررسي قرار دادند. نتايج حاصله بيانگر مدلي بود که حداقل هزينه ي چرخه ي عمر و حداکثر کارايي را شامل ميشد جين نظريه هاي تصادفي هزينه هاي چرخه ي عمر براي لوله هاي آب و فاضلاب را ادغام کرد و در اين راستا مطالعات فراواني بر روي انواع مختلف لوله ازجمله لوله هاي بتني مقاوم ، لوله هاي بتني مقاوم نشده و لوله هاي سفالي انجام داد. به منظور پيش بيني شرايط ، سيستم - هايي را به عنوان راهکار براي مديريت در مرحله ي تعمير و نگهداري استفاده نمود و روش هايي جهت ارتقاي مدل عدم قطعيت ارائه کرد. نتايج حاکي از آن بود که لوله هاي مقاوم شده ي بتني هزينه هاي بالاتري نسبت به لوله هاي مقاوم نشده ي بتني دارند
٤. تاثيرات زيست محيطي لوله ها
تحقيقات زيادي در اين راستا انجام گرديده است که در اين قسمت به بيان چند مورد از آن ها پرداخته شده است . يکي از موارد زيست محيطي که مي توان به آن اشاره کرد، تغيير در پارامترهاي کيفي آب است . هو و همکارانش تحقيقاتي در زمينه ي آلودگي آب که اثري زيست محيطي مي باشد، انجام دادند. محققان در چند دهه اخير(سميت ، منابع آب ، فارماکولوژي و داروسازي ، بيوشيمي و بيولوژي مولکولي ) ضرورت انجام تحقيقات در اين حوزه را نشان دادند[٤]. وونگ و همکاران به بررسي نشت سرب از لوله هاي پلي وينيل کلرايد سخت با استفاده از نمونه هاي شير آب ، نيتريت ، سولفات ، کربنات و EDTA در دماهاي مختلف اکستروژن ١٩٠- ١٨٠-١٧٠ درجه سانتيگراد پرداختند و دريافتند که کمپلکس
EDTAباعث بيشترين نشت سرب مي گردد[٥]. تشيعي و همکاران نشت فلزات سنگين (سرب ، کادميوم ، نيکل ، کرم ، روي و قلع ) را از ٢ نوع لوله پلي وينيل کلرايد و٤ نوع لوله پلي پروپيلن در شبکه ي آبرساني اصفهان مورد بررسي قرار دادند و دريافتند که ميزان سرب در لوله هاي پلي وينيل کلرايد نو و کهنه نسبت به ساير لوله ها بيشتر است
٥. تعمير نگهداري خطوط
تعميرات نگهداري پيشگيرانه به عنوان مجموعه اي از فعاليت ها با هدف بهبود در قابليت اطمينان و دسترس پذيري سيستم تعريف مي شود. به عبارتي اقدامات پيشگيرانه به دو دسته تقسيم مي شوند: تعميرات اجزا و جايگزيني آن ها. اين مورد واضح است که تعميرات پيشگيرانه شامل بده بستاني اوليه بين هزينه هاي انجام شده ي تعميرات و فعاليت هاي جايگزيني و هزينه هاي صرفه جويي شده به سبب کاهش نرخ خرابي سيستم است .
کنفيلد افزايش نرخ خرابي را بر اساس تابع توزيع وايبول فرض کرد و هزينه ي بهينه از سياست هاي تعمير نگهداري را به وسيله ي تعريف ميانگين نرخ عملکرد سيستم تعيين نمود و يک روش تحليلي به عنوان يک رويکرد راه حل به کار بست وستمن و هانسون يک مدل رياضي به منظور تعيين ميانگين زمان بين خرابي ها (MTTF) به عنوان تابعي از آپ تايم براي يک دستگاه کاري در يک سيستم توليد چندمرحله اي تعيين نمودند. آن ها اشاره کردند که اين روش ، انعطاف پذيري و خواص چندمرحله اي از سيستم هاي توليد را ميگيرد و سياست هاي تعمير نگهداري پيشگيرانه ايجاد ميکند
هويسمن ، بوداي و دکار دو مدل MIP براي مسائل برنامه ريزي تعمير نگهداري پيشگيرانه ارائه نمودند. آن ها يک نظريه در رابطه با ساختار مشکل NP از مسائل برنامه ريزي تعمير نگهداري پيشگيرانه ارائه و اثبات نمودند و از CPLEX به منظور پياده سازي مدل هاي بهينه سازي استفاده نمودند
هانام ، الاردهي و لبيب يک مدل برنامه ريزي خطي دودويي به منظور يافتن بهترين برنامه ي تعمير نگهداري پيشگيرانه ارائه نمودند. محققان دسترس پذيري تجهيزات را به عنوان تابع هدفي که بايد حداکثر شود، تعريف کردند و تحليل حساسيتي بر مدل به منظور ارزيابي استحکام و تجزيه تحليل حساسيت پارامترها انجام دادند
کوچس و ليمبورگ چندين تکنيک به منظور ارائه ي متغيرهاي تصميم در مدل هاي تعمير نگهداري پيشگيرانه با استفاده از الگوريتم هاي بهينه سازي ابتکاري و فراابتکاري ارائه نمودند. آن ها چندين رويکرد غيراستاندارد را آزمايش نمودند و با متغيرهاي دودويي يک الگوريتم ابتکاري مقايسه کردند. نتايج محاسباتي تأثير هر يک از رويکردها را در قالب زمان و دقت نشان داد
شايان ذکر است که به دليل محدوديت فضاي مقاله امکان ارائه تمامي مطالعات انجام گرفته در اين متن نبوده است لذا به خلاصه اي از مطالعات انجام شده در جدول ١ پرداخته شده است .
جدول ١: بررسي مطالعات مرتبط با تحقيق
٦. مدل بهينه سازي
هدف از مدل سازي، ارزيابي گزينه هاي مختلف و انتخاب سياست بهينه بر اساس متغيرهاي حاکم با در نظر گرفتن محدوديت هاي مختلف در سيستم است . براي مدل بهينه سازي اين مطالعه ، سه تابع هدف درنظر گرفته شده اند به طوريکه اولين تابع هدف به دنبال حداکثرسازي قابليت اطمينان است و دومين تابع هدف به دنبال حداقل سازي هزينه ها (هزينه هاي نصب ، توسعه ، تعمير و تعويض و همچنين هزينه درماني ناشي از افزايش احتمال ابتلا به سرطان ) مي باشد. تابع هدف سوم نيز به دنبال حداقل سازي مجموع اثرات محيط زيستي (اثرات منفي بر کيفيت آب و هوا) ميباشد.
١.٦. نمادگذاري
