بخشی از مقاله
خلاصه
از جمله زیر ساخت های مهم صنعت آب کشور سامانه های آبرسانی شهری هستند که تحت تاثیر ریسک های مختلف کمی و کیفی آب قرار دارند و به طور کلی خطرات و تهدیدات مختلف طبیعی و غیر طبیعی در داخل و خارج سیستم متوجه آنها می باشد. از جمله مهمترین حوادثی که در این شبکه ها رخ می دهد شکست لوله ها در اثر عوامل درونی و بیرونی مانند فشار آب، عمر و جنس لوله ها و غیره می باشد که منجر به کاهش عملکرد سیستم در تامین آب کافی و مورد نیاز مصرف کنندگان خواهد شد.
از طرفی برخی از شبکه ها با گذشت زمان و وقوع فرسودگی و همچنین عدم طراحی صحیح در ابتدای دوره طرح، قادر به تحویل آب در گره ها به میزان مورد نیاز نمی باشند. هر دو مورد یاد شده یعنی شکست لوله ها و عدم تامین آب مورد نیاز گره ای را می توان به ترتیب تحت عنوان ریسک مکانیکی کمبود آب و ریسک هیدرولیکی کمبود آب بررسی نمود.
در این تحقیق برای بیان کمی و کیفی ریسک های یاد شده روشی بر مبنای رویکرد سلسله مراتبی با استفاده از سیستم استنتاج فازی برای بررسی شکست مکانیکی سیستم و تحلیل هیدرولیکی مبتنی بر فشار برای بررسی شکست هیدرولیکی در شبکه های آبرسانی ارائه شده است که بر مبنای آن ریسک کلی کمبود آب شبکه توزیع آب محاسبه خواهد شد. در نهایت مطالعه موردی بر روی یک شبکه نمونه جهت بررسی قابلیت این روش صورت گرفته است. نتایج این تحقیق و به کارگیری این روش کمک شایانی به تصمیم گیرندگان صنعت آب کشور در جهت اولویت بندی تعمیر و بازسازی اجزاء شبکه می نماید.
1. مقدمه
شبکه های توزیع آب از جمله مهمترین بخش های سامانه های آبرسانی می باشند و در مقایسه با بخش های دیگری همچون تصفیه خانه ها، سدها و غیره دارای اهمیت بسیار زیاد استراتژیک چه از نظر اقتصادی و چه از نظر اجتماعی هستند. وجود خطرات مختلف تهدید کننده این شبکه ها و آسیب پذیری آنها منجر به حوادثی خواهد شد که نه تنها خسارت زیادی را در پی خواهد داشت بلکه مشکلاتی را برای مصرف کنندگان آب از لحاظ کمی و کیفی به وجود خواهد آورد. لذا توجه به رویکرد تحلیل و مدیریت ریسک این سامانه ها، ضروری است.
در سال های اخیر محققین مختلفی جهت کمی سازی و مدلسازی ریسک شبکه های توزیع و دیگر اجزای تامین کننده آب تلاش نموده اند. هدف نهایی همه این تلاش ها محاسبه ریسک خطر تحت تاثیر عوامل مختلف و نزدیک نمودن این تخمین ها به واقعیت حاکم بر سیستم های توزیع آب بوده است. از آنجایی که مهمترین بخش این سیستم ها لوله های انتقال دهنده آب هستند و در حقیقت به عنوان تامین کننده آب در گره های مختلف شبکه عمل می کنند، بسیاری از تحقیقات بر ارزیابی این اجزاء تمرکز داشته اند که در ادامه به برخی از آنها اشاره می شود.
Kleiner et al. - 2006 - روشی را بر مبنای استفاده از منطق فازی جهت ارزیابی ریسک شکست لوله ها با در نظر گرفتن احتمال و شدت شکست ارائه دادند.
Barqawi and Zayed - 2006 - مدلی را جهت ارزیابی ریسک شکست لوله ها در سیستم های آبرسانی شهری بر مبنای استفاده از شبکه عصبی مصنوعی و تحلیل سلسله مراتبی ارائه دادند و نشان دادند که عمر و جنس لوله از مهمترین پارامترهای تاثیر گذار بر لوله ها می باشند.
Zhou et al. - 2009 - روشی را برای ارزیابی لولهها و اولویت بندی تعویض آنها در شبکه های آبرسانی با استفاده از روش تصمیمگیری چندمعیاره Promethee ارائه کردند. در این روش از ترکیب این روش با روش AHP اولویت بندی لولهها از نظر ریسک شکست با در نظر گرفتن معیارهایی مثل جنس، طول و عمر لوله را صورت گرفته است.
Christodoulou et al. - 2009 - روشی را برای مدیریت مبتنی بر ریسک در شبکههای آبرسانی با بهره گیری از سیستم شبیه سازی و پیش بینی نوروفازی ارائه دادند. در این روش پارامتر موثر بر شکست لولهها همچون جنس، قطر، طول و عمر لوله مورد بررسی قرار گرفت و مهمترین عوامل ایجاد ریسک شکست لولهها با روش نوروفازی تعیین شد.
Fares and Zayed - 2010 - مدلی را بر مبنای دو روش تحلیل سلسله مراتبی و اسنتاج فازی ارائه کردند. در این مدل قوانین فازی با استفاده از توابع عضویت فازی پارامترهای تاثیر گذار بر شکست لوله ها ساخته می شوند و نهایتا بر اساس این قوانین وضعیت لوله ها از نظر ریسک شکست تعیین می شود.
در تحقیق حاضر نه تنها از مزیت های روش ارائه شده توسط Fares and Zayed - 2010 - جهت ارزیابی ریسک کمبود آب ناشی از شکست مکانیکی لوله های شبکه های توزیع آب جهت کاهش عدم قطعیت های حاکم بر مسئله استفاده خواهد شد، بلکه در قالب یک ساختار سلسله مراتبی، ریسک کمبود آب ناشی از شکست هیدرولیکی گره های این شبکه ها نیز با استفاده از تحلیل هیدرولیکی مبتنی بر فشار - HDSM - و با استفاده از مفهوم قابلیت اطمینان شبکه محاسبه و در نهایت با ریسک مکانیکی شبکه ترکیب خواهد شد. نتیجه این عمل محاسبه ریسک کلی شبکه و همچنین وضعیت لوله ها و گره ها از نظر آسیب پذیری می باشد و بر همین اساس تصمیم گیرندگان و بهره برداران می توانند جهت اصلاح و بازسازی شبکه برنامه ریزی نمایند. در ادامه روش انجام کار و حل یک مثال نمونه ارائه شده است.
2. روش انجام کار
در این بخش روش تحقیق و اجزای آن ارائه خواهد شد. همانطور که در مقدمه نیز اشاره شد ابتدا ساختار سلسله مراتبی تحلیل ریسک تعیین شده و سپس به محاسبه ریسک لوله ها از نظر ریسک شکست مکانیکی و ریسک گره ها از نظر ریسک هیدرولیکی که از قابلیت اطمینان هیدرولیکی بدست می آید، پرداخته می شود و نهایتا روش محاسبه ریسک کل شبکه آبرسانی از نظر کمبود آب مورد بررسی قرار می گیرد.
2,1. ساختار سلسله مراتبی شبکه آبرسانی
ساختار سلسله مراتبی جهت بیان و کاهش پیچیدگی های برخی سیستم ها و همچنین بیان ارتباط بین اجزاء آن استفاده می شود. شبکه های آبرسانی نیز از این امر مستثنی نیستند. در حقیقت اگر یک سیستم تامین و توزیع آب شهری به طور یکپارچه در نظر گرفته شود، شبکه توزیع آب علاوه بر اینکه خود زیر مجموعه این سیستم بزرگ است خود شامل زیر مجموعه هایی مانند لوله ها، پمپ ها، شیر آلات و غیره می باشند. شکل - 1 - ساختار ساده سلسله مراتبی سیستم تامین و توزیع آب شهری را نشان می دهد.
شکل -1 ساختار کلی سلسله مراتبی سیستم های آب شهری
از طرفی می توان در لایه های پایین تر از اجزای سامانه آبرسانی مثل لوله ها خطرات تهدید کننده این اجزاء و همچنین شاخص های آسیب پذیری سیستم را دسته بندی نمود. در این تحقیق دو فاکتور اصلی ریسک یعنی ریسک مکانیکی لوله ها و ریسک هیدرولیکی گره ها در نظر گرفته شده است و لذا بحث آسیب پذیری مکانیکی و هیدرولیکی پمپ ها و شیر آلات در نظر گرفته نشده است. شکل - 2 - ساختار سلسله مراتبی پیشنهادی در این مقاله را نشان می دهد.
شکل -2 ساختار سلسله مراتبی پیشنهادی جهت تحلیل ریسک کاهش آب در شبکه های آبرسانی
همانطور که در این شکل مشاهده می شود ریسک کمبود آب در سیستم ناشی از شکست لوله و یا شکست هیدرولیکی گره ها از لحاظ عملکردی است که البته به نوعی با یکدیگر در ارتباط می باشند، زیرا شکست لوله منجر به کاهش آب در دسترس در گره های فشاری خواهد شد. لیکن در این تحقیق منظور شرایط کنونی و در واقع عدم شکست لوله است.
در واقع بوسیله شاخص های نشان داده شده در آخرین سطح از ساختار سلسله مراتبی وضعیت ریسک شکست مکانیکی لوله ها و شکست هیدرولیکی گره ها مورد بررسی قرار می گیرد. بدیهی است که پس از وقوع شکست قابلیت اطمینان گرهی مانند شرایط فعلی بهره برداری تنها ناشی از فرسودگی لوله ها یا عدم طراحی صحیح بر مبنای فشار استاندارد نخواهد بود و شکست نیز این مسئله را تشدید خواهد کرد.
پس از تدوین این ساختار به دلایل متعددی همچون عدم قطعیت در داده های ثبت شده ازپارامترهای هیدرولیکی شبکه، تنوع آنها، گستردگی محدوده آنها و دشوار بودن ارتباط همزمان بین این پارامترها از قوانین فازی جهت محاسبه ریسک لوله ها استفاده شده است. پس از محاسبه ریسک فازی هر لوله این اعداد از حالت فازی خارج شده - غیر فازی سازی - و بر حسب اهمیت هر لوله با یکدیگر ترکیب می شوند و نهایتا ریسک نهایی لوله ها بدست می آید. همچنین جهت محاسبه ریسک هیدرولیکی گره ها نیز از شاخص قابلیت اطمینان گرهی استفاده شده است که این مسئله مستلزم به کار گیری تحلیل هیدرولیکی مبتنی بر فشار در شبکه به جای تحلیل مبتنی بر تقاضا است که در ادامه مقاله توضیح داده شده است. مشابه روش محاسبه ریسک شکست لوله ها، بر حسب اهمیت گره ها ریسک هیدرولیکی آنها نیز با یکدیگر ترکیب شده و ریسک گرهی کل شبکه بدست می آید، با این تفاوت که در این حالت اعداد مربوط به قابلیت اطمینان هیدرولیکی گره ها فازی نمی باشند و صریح هستند. در ادامه مراحل نامبرده تشریح می شود.
2,2. سیستم استنتاج فازی جهت تحلیل ریسک شکست لوله
در این بخش مبانی استفاده از سیستم استنتاج فازی و تدوین قوانین فازی ارائه می شود. به طور کلی استفاده از سیستم استنتاج فازی و تئوری مجموعه های فازی قابلیت زیادی در تفسیر مسائلی دارد که دارای عدم قطعیت و صراحت می باشند و به طور کلی این گونه مسائل را می توان در قالب اعداد فازی و با استفاده از روابط و قوانین فازی تفسیر نمود. ریسک نیز از جمله مسائلی است که نمی توان به طور قاطع در مورد آن اظهار نظر کرد. در سالهای اخیر علم فازی در بسیاری از مسائل مهندسی آب و هیدرولیک و بخصوص در بحث تحلیل ریسک مورد استفاده قرار گرفته است.
در این تحقیق نیز از این سیستم ها جهت بیان کیفی ریسک شکست مکانیکی لوله ها استفاده شده است. عموما قوانین فازی در قالب ساختار اگر-آنگاه شکل می گیرند. به عنوان مثال قانون - اگر قطر لوله کم و عمر لوله زیاد باشد آنگاه ریسک شکست لوله زیاد خواهد بود - می تواند در قالب قوانین و روابط فازی بیان شود. بدین ترتیب که هر یک از پارامترهای موثر بر شکست لوله انتخاب و سپس توابع عضویت مختلفی برای آنها بر اساس قضاوت مهندسی و شرایط مسئله انتخاب می شوند و سپس بر اساس قوانین فازی ساخته شده بین این پارامترها وضعیت ریسک لوله ها تعیین می شود. لازم به ذکر است که لزوما هر لوله با یک قانون سنجیده نمی شود و ممکن است که از ترکیب چندین قانون فازی وضعیت ریسک لوله مشخص شود. در ادامه مراحل مختلف تحلیل ریسک به روش ساخت قوانین فازی به طور خلاصه معرفی می شود:
الف: ابتدا توابع فازی هر یک از پارامترها - Xi - مثل جنس، طول، قطر و غیره تشکیل می شوند.
ب: تابع فازی ریسک شکست لوله ها نیز به صورت شکل - 3 - و در بازه 0 تا 1 تشکیل می شوند.
شکل -3 توابع فازی ریسک شکست مکانیکی لوله ها
پ: سپس ترکیبات مختلف توابع عضوی تدوین شده در قسمت الف جهت ساخت قوانین فازی تعیین می شوند. در واقع شکل کلی قوانین ساخته شده بدین صورت خواهد بود: اگر وضعیت پارامتر X1 برابر با A و وضعیت پارامتر X2 برابر با B و ...و وضعیت پارامتر Xm برابر با F باشد، آنگاه وضعت ریسک شکست لوله برابر با S خواهد بود.
Fares and Zayed - 2010 - روشی را برای تعیین وضعیت ریسک لوله ها در صورت به کارگیری قوانین یاد شده ارائه دادند. در این روش ابتدا کلیه پارامترها در یک بازه مشخص که مشابه محدوده تغییرات توابع فازی ریسک باشد نرمال می شوند که در این تحقیق بازه 0 تا 1 در نظر گرفته شده است. این بازه در شکل - 4 - نشان داده شده است.
