O presente trabalho apresenta a previsão de demanda de água em sistemas urbanos de abastecimento através de Rede Neural Artificial (RNA) utilizando dados de consumo de água e variáveis meteorológicas e socioambientais. A RNA utilizada foi uma de três camadas chamada de rede de múltiplas camadas alimentadas adiante com o algoritmo de treinamento LLSSIM (Hsu et al., 1996). Neste estudo, foram utilizados os dados de consumo de água (SABESP) e meteorológicos (IAG/USP) para o período de 2001 a 2005 para Região Metropolitana de São Paulo (RMSP). As variáveis socioambientais e meteorológicas que podem afetar o consumo de água foram analisadas. A ETA Cantareira e o setor Itaim Paulista foram utilizados para avaliar a relação entre o consumo e as variáveis antrópicas e meteorológicas para o ano de 2005. Esses conjuntos de dados foram utilizados para o treinamento, o teste e a previsão da RNA. Para a ETA Cantareira, foram criados 8 modelos e para o setor Itaim Paulista 57, sendo que os modelos 9 a 57 correspondem à previsão ideal. O desempenho dos modelos foi avaliado pelo o erro médio, erro médio absoluto, erro médio quadrático, o coeficiente de correlação, exatidão, viés, POD, FAR, CSI e POFD. Para a ETA Cantareira o melhor desempenho ocorreu para a média de 12 horas e para o Itaim Paulista a média de 6 horas. Na previsão ideal observou-se que a memória do sistema é um fator importante, principalmente quando se tem dois intervalos de tempo anterior. Os resultados mostraram a importância da memória, pois ela ajuda a melhorar o desempenho da previsão A previsão horária foi obtida com níveis de erros aceitáveis. Comparando os resultados de todas as configurações dos modelos, observou-se que há uma tendência para pequenos erros. Finalmente, conclui-se que o método proposto pode ser utilizado para previsão de consumo obtendo uma boa previsão. / This work is concerned with the prediction of water demand in urban water supply systems using water consumption, meteorological and socioenvironmental variables in an Artificial Neural Network (ANN) system. The ANN is a three layer feed-forward network with the LLSSIM training algorithm (Hsu et. al., 1996). In this study, water consumption (SABESP) and meteorological (IAG USP) data sets between 2001 and 2005 were used for studying the Metropolitan Area São Paulo (MASP). Possible socio-environmental and meteorological conditions affecting water consumption in the MASP were analyzed. Two water treatment stations (ETA), namely, Cantareira and the Itaim Paulista were used to evaluate the relationship between water consumption against anthropic and meteorological conditions for the year 2005. These data sets were also used for training, testing and forecasting of the water consumption model with the ANN. For the Cantareira ETA, 8 model configurations were tested and 57 for the Itaim Paulista ETA. In this late case, configurations 9 to 57 were for ideal forecasts. The various model configurations were evaluated by the mean error, mean absolute error and mean square root error, correlation coefficient, bias, POD, FAR, CSI e POFD. The best performance for the Cantareira ETA was obtained for a 12-hour average of the input variables, and for the Itaim Paulista ETA, for the 6-hour average. The ANN model configurations fed with variables of previous three times steps (memory) performed best, followed by two previous time steps. The results indicate the importance of these memory to improving the performance of the forecasting. The hourly forecasting was obtained with acceptable error levels. Comparing the results of all model configurations, there is an overall tendency for minor errors. The proposed method can be used to demand forecast a good prediction.

Made available in DSpace on 2015-05-14T12:09:39Z (GMT). No. of bitstreams: 1 arquivototal.pdf: 2208532 bytes, checksum: c4d580156a26972d2d77e4c26c5e78fe (MD5) Previous issue date: 2014-09-19 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES / Water and energy are two essential resources for society and have a strong interdependence. Among the major energy consumers, the sanitation sector stands out as one of the most demanding users. The electricity is in the top three most important companies cost items and, in many cases, is the second spending, second only to personnel expenses. Some studies estimate that power consumption to pump, treat and distribute water for urban populations is 2-3% of the total electricity consumed in the world. Faced with the search for more efficient alternatives, this paper aims to study the comparative energy efficiency of water supply systems for different pressures available at the entry points of buildings. Basically, the study compares the costs of implementation and operation of water distribution systems designed to supply buildings with facilities supplied directly and indirectly by the network. In the first system, the facilities have storage tanks for water from the distribution system, then it is pumped through its own system of impulse to a high reservoir, and the water then reaches the final consumer by gravity. The second system adopts a direct pumping system in buildings, eliminating the use of domestic reservoirs. The methodology adopted in this study used the optimized design of distribution networks through LENHSNET method, which determines the optimum design of the systems and facilities, and the EPANET simulation model. Later, the implementation and operation costs of the alternatives were calculated and evaluated. The results showed that, in economic terms, the system with direct pumping to the facilities is more expensive, because the system requires the pumps to run 24 hours a day. / Água e energia são dois recursos essenciais para a sociedade e possuem uma forte interdependência. Dentre os grandes consumidores de energia, o setor de saneamento se destaca como um dos usuários de maior demanda. A energia elétrica está entre os três principais itens de custo das companhias e, em muitos casos, representa a segunda despesa, perdendo apenas para as despesas com pessoal. Alguns estudos estimam que o consumo de energia para bombear, tratar e distribuir água para as populações urbanas representa de 2 a 3% do total de energia elétrica consumida no mundo. Diante da busca por alternativas mais eficientes, este trabalho tem como objetivo o estudo comparativo da eficiência energética de sistemas de abastecimento de água para diferentes pressões disponíveis nos pontos de entrada das edificações. Basicamente, o estudo compara os custos de implantação e operação dos sistemas de distribuição de água projetados para atender edificações com instalações abastecidas diretamente e indiretamente pela rede. No primeiro sistema, as instalações possuem reservatórios para armazenamento da água proveniente da rede de distribuição, em seguida esta é bombeada por meio de um sistema de impulsão próprio para um reservatório elevado, e daí a água chega ao consumidor final por gravidade. Enquanto o segundo sistema adota um sistema de bombeamento direto nas edificações, dispensando o uso de reservatórios domiciliares. A metodologia empregada neste trabalho adotou o dimensionamento otimizado de redes de distribuição através do método LENHSNET, que determina o dimensionamento ótimo dos sistemas e instalações, e o modelo de simulação EPANET. Posteriormente, foram calculados e avaliados os custos de implantação e operação das alternativas. Os resultados obtidos mostraram que, em termos econômicos, o sistema com bombeamento direto para as instalações é mais caro, em virtude do sistema requerer que as bombas funcionem 24 horas por dia.

Este trabalho apresenta um modelo computacional para otimização energética de sistemas de abastecimento em tempo real. Tal modelo é composto por três módulos principais: (1) um módulo de simulação hidráulica que descreve o comportamento do sistema - EPANET; (2) um módulo de previsão de demandas que realiza a previsão das demandas futuras aplicável à utilização no tempo real (curto prazo), desenvolvido por Odan (2008); e, por fim, (3) um módulo otimizador estruturado em linguagem C++ que implementa a biblioteca de algoritmos genéticos do MIT - Massachusetts Institute of Technology and Matthew Wall, a GAlib, que permite determinar as rotinas operacionais (acionamento de válvulas e bombas) de forma à minimizar o custo de energia elétrica no sistema. O processo de otimização é divido em duas rotinas, nível estratégico e tempo real. Na otimização em nível estratégico, a partir das curvas típicas de demanda para cada nó de demanda do macro-sistema considerado, determina-se o conjunto de controles que minimizam os custos de energia elétrica, respeitando as restrições hidráulicas do sistema. Para cada conjunto de controles otimizados têm-se os níveis que os reservatórios irão atingir ao final de cada hora durante o horizonte de planejamento considerado, denominados níveis metas. Tais níveis servem de guia para a segunda etapa de otimização. A operação em tempo real se inicia com o recebimento dos dados sobre as condições atuais do sistema: níveis dos reservatórios e demandas da última hora. A partir das demandas informadas, o módulo de previsão de demandas gera todas as demandas para o horizonte de planejamento. Alimenta-se então o otimizador em tempo real com os níveis atuais dos reservatórios, os níveis metas e a previsão de demandas, obtêm-se o conjunto de regras operacionais ótimas para o horizonte de planejamento, sendo que são implementadas apenas as regras para a hora atual. E repete-se todo o processo a cada hora. Este modelo foi aplicado a um sistema de abastecimento de água. Os resultados obtidos demonstraram a eficiência do modelo em achar soluções factíveis de serem implementadas e com redução dos custos com energia elétrica. / This work presents a computational model for real-time optimization of water-distribution networks operation. An integrated software tool has been developed which is composed of three main modules: (i) a hydraulic simulator that performs the extended period simulation of the system (EPANET); (ii) a short-term demand-forecasting model, based on the moving Fourier series; and (iii) an optimization module, using genetic algorithm, to minimize pumping costs. The optimization process is divided in two routines, the off-line optimization and the on-line optimization. The aim of the first routine is to find the ideal operation levels for the reservoirs which are used as guidance for the on-line optimization. The schedules to be implemented in the network are determined, however, by an on-line optimization which runs a new optimization processes at each SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition) update. In the off-line optimization, near-optimal pump and valve settings for a selected operating horizon are found on the basis of the typical 24-hour water demand cycle in which each reservoir must also start and end with the same water level. The levels of the reservoirs at the end of each hour in this optimization process, called ideal levels, are considered in the on-line optimization as a constraint that represents a penalty added to the objective function whenever a reservoir level is below the ideal level at the end of each hourly operation. The on-line optimization starts updating the state of the network transmitted from the SCADA system and the demand forecast for the next 24-hour period. Near-optimal pump and valve settings for a selected operating horizon are then determined but only the control settings for the next hourly time step are used to implement the operation. At the next SCADA update (next-time step), the whole process is repeated on a continuous basis and a new operating strategy is computed. In this way, the control process moves forward in time, correcting any discrepancies as it progresses. This integrated software tool has been applied to a small example network. The results obtained from this application have shown that the proposed model offers a practical tool for finding feasible operation strategies for a water pipeline system, obtaining reductions in pumping energy costs.

Submitted by Cássio da Cruz Nogueira (cassionogueirakk@gmail.com) on 2017-02-03T11:52:34Z No. of bitstreams: 2 license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) Tese_DesenvolvimentoModeloSistemas.pdf: 11151369 bytes, checksum: be86db933688edc354add13e97611b70 (MD5) / Approved for entry into archive by Edisangela Bastos (edisangela@ufpa.br) on 2017-02-07T16:34:32Z (GMT) No. of bitstreams: 2 license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) Tese_DesenvolvimentoModeloSistemas.pdf: 11151369 bytes, checksum: be86db933688edc354add13e97611b70 (MD5) / Made available in DSpace on 2017-02-07T16:34:32Z (GMT). No. of bitstreams: 2 license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) Tese_DesenvolvimentoModeloSistemas.pdf: 11151369 bytes, checksum: be86db933688edc354add13e97611b70 (MD5) Previous issue date: 2015-10-29 / Desenvolvimento de metodologia para a avaliação do desempenho hidroenergético de Sistemas de Abastecimento de Água (SAA) utilizando modelo de Sistema de Informações Geográficas (SIG) para auxiliar na tomada de decisão na operação de SAAs. O modelo desenvolvido em plataforma SIG possibilita o registro, a sistematização e a espacialização dos dados hidroenergéticos, a fim de evitar gastos excessivos com a energia elétrica agregada ao volume de água disponibilizado para consumo. Na 1ª Etapa foram identificados os parâmetros hidroenergéticos utilizados nos atuais métodos de gerenciamento de SAA e, em seguida, definidos os dados e indicadores para a representação espacial no modelo do desempenho hidroenergético por setor e por unidade de abastecimento de água. Na 2ª Etapa foi desenvolvido o modelo de gestão em SIG por meio da IDE Delphi XE5 e da plataforma TatukGis, em três fases: Construção do banco de dados geográfico (Fase 1); Construção do módulo SIG (Fase 2) e Construção do módulo hidroenergético (Fase 3). A última Etapa (3ª Etapa) foi destinada a avaliação da funcionalidade do modelo desenvolvido, sendo simulado o funcionamento do SAA Bolonha, da Região Metropolitana de Belém, Pará, Brasil, o que permitiu a espacialização dos dados e indicadores para identificação dos setores com melhor e com pior desempenho hidroenergético. A ferramenta de construção de mapas de graduação de cores mostrou-se eficiente, permitindo a rápida identificação do melhor resultado do índice de consumo de energia elétrica no setor 9 da Zona Central (0,62 KWh/m³), bem como do pior índice de perda total no setor 7 da Zona Central (54,29%). Além da ferramenta para sinalização de alerta para os indicadores acima da meta estabelecida pelo usuário, que possibilitou a identificação do setor 7 com o pior índice de consumo de energia elétrica (0,85 KWh/m³). Com o trabalho foi constatado que o modelo SIGHE2A é uma ferramenta que permite e agiliza a avaliação do desempenho hidroenergético de SAA, especialmente por facilitar a identificação do problema e a tomada de decisão. / Development of methodology for evaluating the performance of hydro-energy Water Supply Systems (WSS) using System Model of Geographical Information (GIS) to assist in decision-making in the SAAs operation. The model developed in GIS platform enables registration, systematization and the spatial distribution of hydro data in order to avoid excessive spending on electricity aggregate the volume of water available for consumption. In Stage 1 the hydro-energy parameters were identified WSSs used in current management methods and then set the data and indicators for the spatial representation in the model of the hydro-energy performance by sector and water supply unit. In the 2nd stage was developed the management model in GIS through Delphi IDE XE5 and TatukGIS platform in three phases: geographic database construction (Phase 1); Construction of GIS module (Phase 2) and construction of hydro-energy module (Phase 3). The last step (Step 3) was submitted to evaluation of the model developed functionality, which simulated the operation of the WSS Bolonha, the Metropolitan Region of Belém, Pará, Brazil, which allowed the spatial data and indicators to identify the sectors with best and hydro-energy worst performance. The color grading maps building tool was efficient, allowing quick identification of the best result of the electricity consumption index in sector 9 of the Central Zone (0.62 KWh / m³) and the worst index total loss in sector 7 of the Central Zone (54.29%). In addition to the warning signs for tool for the indicators above the target set by the user, which enabled the identification of sector 7 with the worst energy consumption index (0.85 KWh / m³). With the work it was found that the SIGHE2A model is a tool that enables and streamlines the evaluation of the hydro-Energy performance WSS, especially to facilitate problem identification and decision making.

Submitted by Nathalya Silva (nathyjf033@gmail.com) on 2017-04-24T19:48:15Z No. of bitstreams: 2 license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) Tese_DesenvolvimentoMetodologiaAvaliacao.pdf: 16688032 bytes, checksum: 8a6e2d511a2ce435deaf0be98e401872 (MD5) / Approved for entry into archive by Edisangela Bastos (edisangela@ufpa.br) on 2017-04-25T21:21:46Z (GMT) No. of bitstreams: 2 license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) Tese_DesenvolvimentoMetodologiaAvaliacao.pdf: 16688032 bytes, checksum: 8a6e2d511a2ce435deaf0be98e401872 (MD5) / Made available in DSpace on 2017-04-25T21:21:46Z (GMT). No. of bitstreams: 2 license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) Tese_DesenvolvimentoMetodologiaAvaliacao.pdf: 16688032 bytes, checksum: 8a6e2d511a2ce435deaf0be98e401872 (MD5) Previous issue date: 2016-02-19 / CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / A Tese de Doutorado teve por objetivo o desenvolvimento de metodologia e sua implementação em software para avaliação de desempenho hidroenergético de sistemas de abastecimento de água (SAA), bem como aplicação em sistema de escala real. A pesquisa foi executada em duas etapas: 1) foi modelado todo o processo de avaliação de desempenho hidroenergético, foram estabelecidas formulações para cálculo de perdas hidroenergéticas e implementada metodologia em software; 2) foi realizada a aplicação da metodologia em SAA de escala real, que necessitou de monitoramento de grandezas hidroenergéticas e de simulação computacional do mesmo SAA no Epanet 2.0. Os resultados da primeira etapa consistiram na definição de perdas hidroenergéticas, na conceituação de desempenho hidroenergético, na metodologia proposta (sequenciamento de ações e inerentes formulações matemáticas) para o cálculo de perdas hidroenergéticas e para avaliação de desempenho hidroenergético de SAA, na implementação da metodologia em software (batizado de SADHE2A) e no teste da metodologia com sucesso em SAA com dados sintéticos. Os resultados da segunda etapa foram consequência da aplicação da metodologia, com uso do SADHE2A – versão Beta, no SAA Guanabara (localizado na cidade de Ananindeua, Pará, Brasil), na qual foram verificadas perdas globais de água de 55,42%/m e perdas globais de energia elétrica consumida de 58,31% (ambos os desempenhos classificados como “ruim”) que ocasionaram impacto financeiro de -17.981,77 R$/mês (57,61% de toda a despesa com consumo de energia elétrica no SAA, desde a captação de água bruta até a entrega de água tratada ao consumidor). Por fim, a metodologia desenvolvida atendeu as expectativas da pesquisa para calcular as perdas de água e de energia elétrica consumida e avaliar o desempenho hidroenergético de SAA, com elevada potencialidade de uso no Brasil e no exterior. / This doctoral thesis aims developing a methodology and implementing it on software in order to evaluate a water supply system (WSS) hydro-energetic performance, as well as applying it on a real scale WSS. This paper was carried out in two stages: 1) modeling the hydro-energetic performance evaluation process, establishing of formulations to calculate hydro-energetic losses and implementing methodology on software; 2) applying the methodology at a real scale WSS, which required monitoring of hydraulic and electrical quantities and simulating this WSS at Epanet 2.0. The first stage results consisted at defined hydro-energetic losses and conceptualize hydro-energetic performance on the proposed methodology, which consists sequences of actions and mathematical formulation to calculate hydro-energetic losses at the WSS, as well as to evaluate WSS hydro-energetic performance and, finally, at methodology implementation in a software using Visual Basic for Applications (named as SADHE2A) and successfully tested at the WSS with synthetic data. The second stage results are related to methodology application at WSS of Guanabara (located at Ananindeua city, Pará, Brazil), using SADHE2A – versão Beta, in which were identified water global losses of 55.42% and electrical energy global losses of 58.31% (both classified as “bad” by the methodology), resulting in an economical deficit of 17,981.77 R$/month. This value is equivalent to 57.61% of electrical energy costs, since raw water pumping to the final water costumer. Finally, the methodology developed has met the research expectations to calculate the water losses and electricity consumed losses and to evaluate the hydro-energetic performance of the WSS in Brazil and world.

Made available in DSpace on 2015-05-14T12:36:29Z (GMT). No. of bitstreams: 1 parte1.pdf: 3149727 bytes, checksum: 501b860d063bed8174828ab1c9287d13 (MD5) Previous issue date: 2009-05-29 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / This work propose to use technologies of databases with the aim of providing decision support for managers of sector of sanitation, given that the services of water supply for use of the population are a key indicator of quality of life. The fundamental idea is to collect operational data, reduce them to the scope of the problem, organize them into a repository of data, and finally apply the techniques OLAP and Data Mining algorithms to obtain results that give managers a better understanding of the behavior and profile of the company. To facilitate the application of the techniques of Data Mining is necessary that the data are stored properly. Accordingly, an alternative for increasing the efficiency in storage, management and operation of data to support the decision based on the development of Data Warehouse. This is source of strategic information of the business, creating a competitive differential for the company. In this context, was required to implement the repository of data, Data Warehouse, to store, integrate and carry out consultations on the multidimensional data from the company of water supply. Therefore, this Master's thesis aims to design a Data Warehouse relating to Departmental Business, also known as Data Mart; applied the technology on the OLAP multidimensional cubes of data, and run the Data Mining algorithms to the generation of a decision support system to minimize the apparent losses in the urban water supply system. / Esta dissertação se propõe a utilizar tecnologias de Banco de Dados com a finalidade de oferecer apoio à decisão para os gestores do setor de saneamento, haja vista que os serviços de abastecimento de água para uso da população se constituem em um dos principais indicadores da qualidade de vida da humanidade. A idéia fundamental consiste em coletar os dados operacionais, reduzi-los ao escopo de um problema, organizá-los em um repositório de dados, e finalmente aplicar as tecnologias OLAP e os algoritmos de Mineração de Dados, a fim de obter resultados que proporcionem aos gestores um melhor entendimento do comportamento e perfil da companhia. Para facilitar a aplicação de técnicas de Mineração de Dados é necessário que estes dados estejam armazenados apropriadamente. Neste sentido, uma das alternativas para o aumento da eficiência no armazenamento, gestão e operação dos dados para o suporte a decisão baseia-se no desenvolvimento do Data Warehouse. Este ambiente constitui fontes de informações estratégicas do negócio, gerando um diferencial competitivo para a companhia. Diante deste contexto, se fez necessário a implementação do repositório de dados, o Data Warehouse, para armazenar, integrar e realizar as consultas multidimensionais sobre os dados extraídos da companhia de abastecimento de água. Portanto, esta dissertação de mestrado tem como objetivos projetar um Data Warehouse Departamental referente ao setor comercial, também conhecido como Data Mart; aplicar as tecnologias OLAP sobre os cubos de dados multidimensionais; e executar algoritmos de Mineração de Dados visando a geração de um sistema de apoio à decisão para minimização das perdas aparentes no sistema de abastecimento urbano de água.

Este trabalho apresenta um modelo computacional para otimização energética de sistemas de abastecimento em tempo real. Tal modelo é composto por três módulos principais: (1) um módulo de simulação hidráulica que descreve o comportamento do sistema - EPANET; (2) um módulo de previsão de demandas que realiza a previsão das demandas futuras aplicável à utilização no tempo real (curto prazo), desenvolvido por Odan (2008); e, por fim, (3) um módulo otimizador estruturado em linguagem C++ que implementa a biblioteca de algoritmos genéticos do MIT - Massachusetts Institute of Technology and Matthew Wall, a GAlib, que permite determinar as rotinas operacionais (acionamento de válvulas e bombas) de forma à minimizar o custo de energia elétrica no sistema. O processo de otimização é divido em duas rotinas, nível estratégico e tempo real. Na otimização em nível estratégico, a partir das curvas típicas de demanda para cada nó de demanda do macro-sistema considerado, determina-se o conjunto de controles que minimizam os custos de energia elétrica, respeitando as restrições hidráulicas do sistema. Para cada conjunto de controles otimizados têm-se os níveis que os reservatórios irão atingir ao final de cada hora durante o horizonte de planejamento considerado, denominados níveis metas. Tais níveis servem de guia para a segunda etapa de otimização. A operação em tempo real se inicia com o recebimento dos dados sobre as condições atuais do sistema: níveis dos reservatórios e demandas da última hora. A partir das demandas informadas, o módulo de previsão de demandas gera todas as demandas para o horizonte de planejamento. Alimenta-se então o otimizador em tempo real com os níveis atuais dos reservatórios, os níveis metas e a previsão de demandas, obtêm-se o conjunto de regras operacionais ótimas para o horizonte de planejamento, sendo que são implementadas apenas as regras para a hora atual. E repete-se todo o processo a cada hora. Este modelo foi aplicado a um sistema de abastecimento de água. Os resultados obtidos demonstraram a eficiência do modelo em achar soluções factíveis de serem implementadas e com redução dos custos com energia elétrica. / This work presents a computational model for real-time optimization of water-distribution networks operation. An integrated software tool has been developed which is composed of three main modules: (i) a hydraulic simulator that performs the extended period simulation of the system (EPANET); (ii) a short-term demand-forecasting model, based on the moving Fourier series; and (iii) an optimization module, using genetic algorithm, to minimize pumping costs. The optimization process is divided in two routines, the off-line optimization and the on-line optimization. The aim of the first routine is to find the ideal operation levels for the reservoirs which are used as guidance for the on-line optimization. The schedules to be implemented in the network are determined, however, by an on-line optimization which runs a new optimization processes at each SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition) update. In the off-line optimization, near-optimal pump and valve settings for a selected operating horizon are found on the basis of the typical 24-hour water demand cycle in which each reservoir must also start and end with the same water level. The levels of the reservoirs at the end of each hour in this optimization process, called ideal levels, are considered in the on-line optimization as a constraint that represents a penalty added to the objective function whenever a reservoir level is below the ideal level at the end of each hourly operation. The on-line optimization starts updating the state of the network transmitted from the SCADA system and the demand forecast for the next 24-hour period. Near-optimal pump and valve settings for a selected operating horizon are then determined but only the control settings for the next hourly time step are used to implement the operation. At the next SCADA update (next-time step), the whole process is repeated on a continuous basis and a new operating strategy is computed. In this way, the control process moves forward in time, correcting any discrepancies as it progresses. This integrated software tool has been applied to a small example network. The results obtained from this application have shown that the proposed model offers a practical tool for finding feasible operation strategies for a water pipeline system, obtaining reductions in pumping energy costs.

Made available in DSpace on 2016-06-02T19:53:32Z (GMT). No. of bitstreams: 1 MARTINEZ_Jonathan_2014.pdf: 11989383 bytes, checksum: 96fb53d9544014ea55b1e53ee779c134 (MD5) Previous issue date: 2014-03-14 / Financiadora de Estudos e Projetos / This study presents a pump scheduling problem for the capture, transfer and storage of water supply systems in urban networks, whose objective is to minimize the electricity cost associated to the pumping operations. To deal with the dynamic and random nature of the water-demand, we propose two-stage stochastic programming with recourse models, where the random variables are represented by a finite and discrete set of realizations or scenarios. The developed mathematical models are extensions of previous deterministic models of the literature and they reflect the basic assumption that a fixed cost could be incurred by the turn on/ turn off activities of the hydraulic pumps. In order to control violations of the water-demand constraints in the presence of multiple different scenarios, we also consider a robustness technique in an attempt to obtain almost feasible solutions. Last, but not least, we adopt a risk-aversion criteria so-called mean absolute deviation to obtain second-stage costs less dependent on the realizations of the scenarios. The scenarios were generated according to a Monte-Carlo simulation procedure that may use any probability distributions to produce the empirical probabilities of the random variables. As the proposed pump scheduling problem with fixed cost is a two-stage stochastic mixed 0 − 1 program, we develop a efficient hybrid heuristic to obtain good-quality solutions of practical instances in a plausible running time. Overall results evidence the stability of the scenario generation method, the sensitivity of the solution according to the key parameters of the mathematical model, and the efficiency of the heuristic in solving large instances. Finally, we show that is possible to save resources by solving the stochastic programming model instead of adopting simpler approaches based on the expected value. / Esse estudo apresenta um problema de programação de bombas para a captação, armazenamento e transferência de água em sistemas de abastecimentos de água em redes urbanas, cujo objetivo é minimizar o custo de energia elétrica associado às operações de bombeamento. Para lidar com a natureza dinâmica e aleatória da demanda por água, foram propostos modelos de programação estocástica de dois estágios com recurso, em que a variável aleatória é representada por um conjunto finito de realizações ou cenários. Os modelos matemáticos desenvolvidos são extensões de modelos determinísticos da literatura e refletem a suposição básica de que é possível se incorrer em um custo fixo pelas atividades de liga/desliga das bombas hidráulicas. Para controlar as violações das restrições de demanda por água na presença de múltiplos cenários diferentes, considerou-se também uma técnica de robustez na tentativa de gerar soluções quase factíveis. Por último, mas não menos importante, adotou-se um critério de aversão ao risco denominado desvio médio absoluto para obter custos de segundo estágio menos dependentes das realizações dos cenários. Os cenários foram gerados de acordo com um procedimento baseado em simulação Monte-Carlo que pode utilizar qualquer distribuição de probabilidade para produzir as probabilidades empíricas das variáveis aleatórias. Como o problema de programação de bombas com custo fixo proposto é um programa inteiro misto 0−1 estocástico, desenvolve-se uma heurística híbrida eficiente para obter soluções de boa qualidade de instâncias práticas em um tempo computacional plausível. Os resultados evidenciam a estabilidade do método de geração de cenários, a sensibilidade da solução de acordo com parâmetros-chave do modelo matemático, e a eficiência da heurística na resolução de instâncias de grande porte. Finalmente, foi demonstrado que é possível poupar recursos pela resolução do modelo de programação estocástica, em vez de adotar abordagens mais simples baseadas no valor esperado.