|
Abstract:
|
[ES] El diseño acertado de las redes presurizadas de riego constituye la fase preliminar de una buena gestión de estos sistemas. La posibilidad de que, en ciertas condiciones, sea ventajoso el diseño de estas redes para ...[+]
[ES] El diseño acertado de las redes presurizadas de riego constituye la fase preliminar de una buena gestión de estos sistemas. La posibilidad de que, en ciertas condiciones, sea ventajoso el diseño de estas redes para su explotación mediante riego a turnos motiva este trabajo. El factor económico juega un papel fundamental en el diseño de las redes de presurizadas de riego en general y en particular en la concepción de aquellas pensadas para operar a turnos que es el campo de aplicación que nos atañe, en el que se han encontrado muy pocas investigaciones precedentes.
La primera etapa del trabajo desarrollado ha consistido en la formulación e implementación completa de un Algoritmo Híbrido (AG-PNL) para el diseño óptimo de redes de riego a presión operando a turnos con topología dada, para lo cual se ensambla un algoritmo evolutivo, Algoritmo Genético (AG), y un algoritmo determinístico, basado en Programación No Lineal (PNL). Este Algoritmo Híbrido permite asignar los turnos a los hidrantes y los diámetros a las conducciones, de manera que el costo del diseño resultante sea mínimo.
El problema de diseño económico de la red se formula en términos de una función objetivo que minimice los costos asociados a la red de conducciones para una asignación de turnos dada, satisfaciendo las restricciones y las leyes físicas que gobiernan el funcionamiento del sistema. La función objetivo se evalúa por un método explícito como el Algoritmo de Programación No Lineal de Gradiente Reducido Generalizado (GRG). Las otras variables que el Algoritmo Híbrido determina son las asignaciones de turnos a cada hidrante que conduce al mínimo costo de la red. Para ello se recurre al uso de un Algoritmo Genético donde la función objetivo que evalúa el fitness de la población es precisamente el costo mínimo de la red, calculado mediante el algoritmo PNL-GRG asociado a cada individuo en el espacio de asignaciones de turnos.
En la segunda parte se validan los resultados de diseño del AG-PNL con otros métodos alternativos de diseño óptimo en un conjunto de 9 Casos de Estudio, extraídos de proyectos reales con una amplia diversidad de condiciones operativas, topográficas, y dimensión. Paralelamente se analiza la capacidad de las redes diseñadas para poder encajar cambios posteriores en la asignación de turnos, caracterizando esta flexibilidad con un nuevo indicador, IFCT. Este análisis también se realiza considerando diseños alternativos de las mismas redes para operar a la demanda, con la precaución de adoptar parámetros y condiciones de diseño que hagan significativa la comparación.
Los resultados de diseño de las redes de riego a presión operando a turnos mediante el AG-PNL una vez que se normalizan conducen a redes con un costo menor en hasta 10.3 % que el método alternativo "clásico" más eficiente considerado, método en donde los turnos se definen de formas heurística. A la vez estas redes gozan de un mayor IFCT en hasta 8.5 %. Se observó una elevada variabilidad de las diferencias de costos entre diseños a la demanda y a turnos en cada Caso de Estudio, con unos ahorros en el diseño a turnos respecto a la demanda situados entre el 4.5% y el 48%. Se ha señalado una posible aplicación adicional del indicador de flexibilidad (IFCT) como criterio de ayuda a la decisión sobre la conveniencia de selección de un diseño a turnos o la demanda.
[-]
[CA] El disseny encertat de les xarxes pressuritzades de reg constitueix la fase preliminar d'una bona gestió d'aquests sistemes. La possibilitat que, en certes condicions, sigui avantatjós el disseny d'aquestes xarxes per ...[+]
[CA] El disseny encertat de les xarxes pressuritzades de reg constitueix la fase preliminar d'una bona gestió d'aquests sistemes. La possibilitat que, en certes condicions, sigui avantatjós el disseny d'aquestes xarxes per a la seva explotació mitjançant reg a torns motiva aquest treball. El factor econòmic juga un paper fonamental en el disseny de les xarxes de pressuritzades de reg en general i en particular en la concepció d'aquelles pensades per operar a torns que és el camp d'aplicació que ens pertoca, en el qual s'han trobat molt poques investigacions precedents.
La primera etapa del treball desenvolupat ha consistit en la formulació i implementació completa d'un Algorisme Híbrid (AG-PNL) per al disseny òptim de xarxes de reg a pressió operant a torns amb topologia donada, per a això s'acobla un algoritme evolutiu, Algorisme genètic (AG), i un algoritme determinístic, basat en Programació No Lineal (PNL). Aquest Algorisme Híbrid permet assignar els torns als hidrants i els diàmetres a les conduccions, de manera que el cost del disseny resultant sigui mínim.
El problema de disseny econòmic de la xarxa es formula en termes d'una funció objectiu que minimitzi els costos associats a la xarxa de conduccions per a una assignació de torns donada, satisfent les restriccions i les lleis físiques que governen el funcionament del sistema. La funció objectiu s'avalua per un mètode explícit com el Algorisme de Programació No Lineal de Gradient Reduït Generalitzat (GRG). Les altres variables que l'Algorisme Híbrid determina són les assignacions de torns a cada hidrant que condueix al mínim cost de la xarxa. Per a això es recorre a l'ús d'un Algorisme Genètic on la funció objectiu que avalua el fitness de la població és precisament el cost mínim de la xarxa, calculat mitjançant l'algoritme PNL-GRG associat a cada individu en l'espai d'assignacions de torns.
A la segona part es validen els resultats de disseny de l'AG-PNL amb altres mètodes alternatius de disseny òptim en un conjunt de 9 Casos d'Estudi, extrets de projectes reals amb una àmplia diversitat de condicions operatives, topogràfiques, i dimensió. Paral·lelament s'analitza la capacitat de les xarxes dissenyades per a poder encaixar canvis posteriors en l'assignació de torns, caracteritzant aquesta flexibilitat amb un nou indicador, IFCT. Aquesta anàlisi també es realitza considerant dissenys alternatius de les mateixes xarxes per operar a la demanda, amb la precaució d'adoptar paràmetres i condicions de disseny que facin significativa la comparació.
Els resultats de disseny de les xarxes de reg a pressió operant a torns mitjançant el AG-PNL una vegada que es normalitzen condueixen a xarxes amb un cost menor en fins 10.3% que el mètode alternatiu "clàssic" més eficient considerat, mètode on els torns es defineixen de formes heurística. Alhora aquestes xarxes gaudeixen d'un major IFCT en fins a 8.5%. Es va observar una elevada variabilitat de les diferències de costos entre dissenys a la demanda i als torns en cada cas d'estudi, amb uns estalvis en el disseny a torns que fa a la demanda situats entre el 4.5% i el 48%. S'ha assenyalat una possible aplicació addicional de l'indicador de flexibilitat (IFCT) com a criteri d'ajuda a la decisió sobre la conveniència de selecció d'un disseny a torns o la demanda.
[-]
[EN] The successful design of pressurized irrigation networks is the preliminary phase of good management of these systems. The possibility that, in certain conditions, it is advantageous to design these networks for ...[+]
[EN] The successful design of pressurized irrigation networks is the preliminary phase of good management of these systems. The possibility that, in certain conditions, it is advantageous to design these networks for exploitation through turn-based irrigation motivates this work. The economic factor plays a fundamental role in the design of networks of pressurized irrigation in general and in particular in the conception of those designed to operate in shifts that is the field of application that concerns us, in which they have found very few previous investigations.
The first stage of the work developed has been the formulation and complete implementation of a Hybrid Algorithm (GA-NLP) for the optimal design of irrigation networks under pressure operating with given topology, for which an evolutionary algorithm is assembled, Genetic Algorithm (GA), and a deterministic algorithm, based on Nonlinear Programming (NLP). This Hybrid Algorithm allows you to assign the hydrant shifts and the diameters to the pipes, so that the resulting design cost is minimal.
The problem of economic design of the network is formulated in terms of an objective function that minimizes the costs associated with the network of pipelines for a given shift assignment, satisfying the restrictions and physical laws that govern the operation of the system. The objective function is evaluated by an explicit method such as the Generalized Reduced Gradient Nonlinear Programming Algorithm (GRG). The other variables that the Hybrid Algorithm determines are the shift assignments to each hydrant that leads to the minimum cost of the network. For this, the use of a Genetic Algorithm is used, where the objective function that evaluates the fitness of the population is precisely the minimum cost of the network, calculated by means of the NLP-GRG algorithm associated to each individual in the space of shift assignments.
In the second part the GA-NLP design results are validated with other alternative optimal design methods in a set of 9 Case Studies, extracted from real projects with a wide diversity of operational, topographic, and dimension conditions. At the same time, the capacity of the networks designed to fit later changes in the allocation of shifts is analyzed, characterizing this flexibility with a new indicator, IFCT. This analysis is also done considering alternative designs of the same networks to operate on demand, with the precaution of adopting parameters and design conditions that make the comparison meaningful.
The design results of pressure irrigation networks operating in turn using GA-NLP once they are normalized lead to networks with a lower cost in up to 10.3% than the more efficient "classic" alternative method considered, a method where shifts are defined in heuristic ways. At the same time, these networks enjoy a higher IFCT in up to 8.5%. We observed a high variability of the cost differences between designs to the demand and to shifts in each Case Study, with savings in the design in turns with respect to the demand located between 4.5% and 48%. A possible additional application of the flexibility indicator (IFCT) has been pointed out as a criterion to help decide on the convenience of selecting a shift design or demand.
[-]
|
