بخشی از مقاله
چكيده
آب بدون درآمد يكي از مشكلات اساسي در شبكههاي شهري است. در اين تحقيق براي ارزيابي آب بدون درآمد، روشي مبتني بر كاليبراسيون شبكه و بهينهيابي به روش الگوريتم كلوني مورچگان ارائه شده است. بدين منظور با استفاده از كاليبراسون شبكه به روش الگوريتم مورچگان مقدار و موقعيت آب بدون درآمد و موقعيت نشتهاي بزرگ شناسايي شده سپس مولفههاي آب بدون درآمد به تفكيك ناحيه محاسبه شده است.
در اين تحقيق روشي براي محدود كردن فضا جستجو استفاده شد و با ارائه رابطهاي مشخص براي مطلوبيت دقت روش كلوني مورچهها بهبود يافت. در اين تحقيق شبكه توزيع آب گلبهار به عنوان پايلوت مورد بررسي قرار گرفته است. اين روش به خوبي توانست مقادير نشت زمينه، نشت بزرگ و تلفات ظاهري را شناسايي كند. همچنين نشتهاي بزرگ در گرههاي ٨٥ و٣٩٢ در ناحيه ٥ و گره ٤٠٩ در ناحيه ١ شناسايي شد.
١. مقدمه
كشور ايران با متوسط بارش سالانه حدود٢٥٠ ميليمتر، جزء مناطقي از جهان است كه ميزان بارندگي در آن به اندازه كافي نميباشد ]١.[ با توجه به محدوديتهاي موجود در منابع تامين آب و هزينه بالاي آن، كاهش آب بدون درآمد و تلفات در شبكه توزيع آب امري ضروري است. آب بدون درآمد ميزان آبي است كه مصرف ميشود ولي هزينهاي بابت آن پرداخت نميشود.
آب بدون درآمد به دو بخش تلفات ظاهري - غير فيزيكي - و تلفات واقعي - فيزيكي - تقسيمبندي شده است. براساس گزارش شركت آب و فاضلاب در سال ١٣٩٤، آب بدون درآمد در شهرهاي ايران در محدوده ٢٠ تا ٢٥ درصد قرار دارد ]٢.[ يكي از راههاي كاهش آب بدون درآمد در شبكه هاي توزيع، شناسايي مقدار و موقعيت نشت است. ميزان كل نشت از شبكه توزيع و مولفههاي آن ميتواند به وسيله روشهايي از جمله روش بالانس سالانه آب، روش جريان حداقل شبانه - MNF - و روش برآورد مولفههاي نشت تعيين شود ]١.[
اين روشها بدون استفاده از عمليات ميداني گرانقيمت و تجهيزات پيشرفته نشتيابي، دقت كافي براي پيدا كردن موقعيت محل نشت را ندارند. به همين علت روشهايي كه نشت را در سرتاسر شبكه، براساس مدلسازي و كاليبراسيون شبكه جستجو ميكنند، مورد توجه محققين قرار گرفتهاند ]٣.[ محققين بسياري از جمله كواس و راموس١ ]٤[، والسكي و همكاران٢ ]٥[، ويتوفسكي و همكاران٣ ]٦[ و نصيريان و مغربي ]٣[ نشتيابي را براساس مدلسازي هيدروليكي و كاليبراسيون در حالت ماندگار يا غيرماندگار در شبكهها بررسي كردهاند.
تحقيقات پيشين ميزان آب بدون درآمد در هر گره را محاسبه ميكند اما شناسايي مولفههاي آن و اثرات هر يك از اين مولفهها مورد بررسي قرار نگرفته است. در اين تحقيق تلاش ميشود كه مقدار آب بدون درآمد در گرهها به جزءهاي كوچكتري تقسيم شود. اين كار ميتواند به اتخاذ راه كارهاي مناسبتر براي كاهش آب بدون درآمد منجر شود. هنگامي كه مقدار مصرف زياد باشد، فشار آب در شبكه كاهش يافته و مقدار نشت نيز كاهش خواهد يافت.
وقتي كه مصرف كاهش يابد، فشار آب در شبكه زياد شده و مقدار نشت افزايش مي يابد. از اين رو اگر كاليبراسيون در ساعت حداقل مصرف انجام شود، مكانهايي كه داراي نشت زياد هستند، بهتر شناسايي ميشوند و هر گاه كاليبراسيون در ساعات اوج مصرف انجام شود، مكانهايي كه داراي مصرفكنندگان غير مجاز بيشتري هستند، بهتر شناسايي خواهند شد. در صورتي كه مكانهاي داراي تلفات واقعي با مكان استقرار تلفات ظاهري متفاوت باشند، موقعيت تعيين شده به عنوان آب بدون درآمد در ساعات اوج مصرف با ساعات حداقل مصرف شبانه متفاوت ميشوند.
يك بخش مهم در نشتيابي مبتني بر كاليبراسيون، انتخاب يك مقدار به عنوان برداشت گرهاي براي هر يك از گرههاي شبكه ميباشد. با توجه به تعداد زياد گرهها در شبكه و مقادير مختلفي كه ميتوان به عنوان مصرف به هر يك از آنها اختصاص داد، تعداد حالتهاي ممكن به عنوان جواب، بسيار زياد ميباشد و امتحان تكتك آنها غيرممكن است. لذا از اطلاعات بدست آمده در جوابهاي قبل، براي رسيدن به پاسخ صحيح استفاده ميشود. اين فرايند بهينهيابي ناميده ميشود. روشهاي مختلف بهينهيابي در چهار دسته روشهاي رياضي، عددي، تصادفي و ابتكاري قابل تقسيمبندي است.
روشهاي الگوريتم ژنتيك٤] - GA - ٧[، توده ذرات٥ ] - PSO - ٨[، كلوني مورچهها٦] - ACO - ٣[، و شبكههاي عصبي مصنوعي٧ - ANN - ]٩[ بيشترين كاربرد را در حل مسائل مرتبط با شبكهها داشتهاند كه همگي در گروه روشهاي ابتكاري قرار دارند. روش كلوني مورچهها از روشهاي بهينهيابي مبتني بر هوش جمعي است كه در زمينههاي مختلفي مورد استفاده قرار گرفته است. نصيريان و مغربي دقت نشتيابي مبتني بر كاليبراسيون را در دو شبكه فرضي و آزمايشگاهي به روش كلوني مورچهها بررسي كردند كه نتايج تحليل آنها اين روش را تاييد كرده است ]٣.[
در بسياري از مسائل، فضاي جستجو بسيار بزرگ و يا پيوسته است. در اين حالت ميتوان با گسستهسازي و استفاده از يك شبكه بزرگ، پاسخي تقريبي را پيدا كرد. سپس با ريز كردن جستجو در اطراف پاسخهاي مناسب، به جواب دقيق دست يافت. بر پايه مطالب بيان شده، روش حذف مرحلهاي، براي سريعتر رسيدن به جوابهاي دقيق در مدلسازي شبكههاي توزيع آب توسط نصيريان و مغربي ]١٠[ مورد استفاده قرار گرفت. اين روش مرحله به مرحله محدوده جوابهاي بهتر را با دقت بيشتر مورد جستجو قرار ميدهد.
دراين تحقيق روشي مبتني بر كاليبراسيون شبكه و بهينهيابي به روش الگوريتم كلوني مورچگان جهت تعيين مقدار و موقعيت نشتهاي شبكه و مولفههاي اصلي آب بدون درآمد ارائه شد. براي بهبود دقت بهينهيابي از روش كاهش فضا جستجو استفاده شده است. همچنين با معرفي رابطهاي براي مطلوبيت در روش كلوني مورچهها دقت روش كلوني مورچهها بهبود يافت.
٢. روششناسي
در كارهاي قبل تمركز بر روي تعيين مقدار و موقعيت آب بدون درآمد بود. اما بدون اطلاع از نحوه هدر رفت آب نميتوان راهكارهاي خوبي براي كاهش و مقابله با آن انتخاب كرد. در اين تحقيق تلاش ميشود كه به صورت جزئيتر ضمن تعيين مقدار و موقعيت آب بدون درآمد در شبكه، مولفههاي آب بدون در آمد نيز تعيين گردد.
٢. ١. نشتيابي به روش كاليبراسيون شبكه
براي كاليبراسيون شبكه، بايد اختلاف بين فشار مشاهداتي و محاسباتي در نقاط منتخب كمينه شود ]١١.[ نصيريان و مغربي در سال ١٣٩٣ روش كلوني مورچگان را براي كاليبراسيون شبكه مورد بررسي قرار دادند ]٣.[ در اين روش مقاديري كه به عنوان برداشت گرهاي قابل اختصاص به گرهها است تعيين شده، سپس براي هر گره از ميان اين مجموعه يك عدد انتخاب ميشود.
اين كار يك رشته از اعداد كه هر يك مقدار مصرف گره خاصي است را ارائه خواهد داد. تحليل شبكه با اين مصارف در ايپانت انجام ميشود و فشارهاي گرههاي منتخب با مقادير اندازهگيري شده در شبكه به دست ميآيد. تابع هدف كه برازندگي به وسيله آن محاسبه ميشود، بصورت كمينه مجموع مربعات خطا تعريف شده است. همچنين يك قيد در كاليبراسيون وارد شده است كه مقدار كل مصارف را كه در هر مرحله به گرهها اختصاص مييابد، به مقدار اندازه گيري شده در كنتور ورودي شبكه محدود مي كند.
در ادامه با استفاده از تكنيكهاي روش كلوني مورچهها شامل فرومون ريزي، تبخير فرومون، مقدار احتمال انتخاب هر يك از اعداد به عنوان مصرف اصلاح ميشود. انتخاب رشتههاي مختلف تا رسيدن به انطباق كامل بين فشارهاي محاسباتي و مشاهداتي در نقاط مختلف ادامه دارد. اين روش در اين تحقيق نيز مورد استفاده قرار گرفت و براي توضيحات بيشتر به مرجع مذكور مراجعه گردد. در ادامه به تفاوتها روش بكار گرفته شده در اين مقاله با كارهاي قبلي پرداخته ميشود.
