Calibração de rugosidades absolutas e coeficientes de decaimento de cloro nas paredes das tubulações em redes de distribuição de água: abordagens com redes neurais artificiais e métodos Híbridos MIGHA-RNA

Detalhes bibliográficos
Ano de defesa: 2024
Autor(a) principal: Sousa, David Lopes de
Orientador(a): Castro, Marco Aurélio Holanda de
Banca de defesa: Não Informado pela instituição
Tipo de documento: Tese
Tipo de acesso: Acesso aberto
Idioma: por
Instituição de defesa: Não Informado pela instituição
Programa de Pós-Graduação: Não Informado pela instituição
Departamento: Não Informado pela instituição
País: Não Informado pela instituição
Área do conhecimento CNPq:
Link de acesso: http://repositorio.ufc.br/handle/riufc/80319
Resumo: A computational model of a water distribution network capable of performing hydraulic and chlorine transport simulations is a valuable resource for water utility companies. However, the complexity due to numerous parameters and associated uncertainties presents a significant challenge in constructing these models. In this research, calibration methods were developed and tested for pipe absolute roughness and chlorine wall decay coefficients (kw), using algorithms based on Artificial Neural Networks (ANN) and hybrid methods that combine the Alternative Hydraulic Gradient Iterative Method (MIGHA) with a Multilayer Perceptron (MLP). Four methods were developed and evaluated in three fictitious networks with distinct characteristics. Different scenarios were explored, varying the amount of observed data used in the tests. The results obtained by the developed methods were compared to each other and to those produced by calibrations using only MIGHA and Genetic Algorithms, considering the adjusted parameters and state variables of the model, such as pressure heads, flows, and chlorine concentrations returned by the calibrated networks. Additionally, an adaptation for MIGHA was designed to enable dynamic calibrations, and a graphical interface was developed for a software application using the developed algorithms. The results suggest that the G-ANN and G-Hybrid methods, which use a group-based calibration routine for similar pipes, tend to outperform, in most cases, the S-ANN and S-Hybrid models, which update parameters segment by segment. Further tests indicated that segment-based calibration methods have the potential to surpass those based on group methodology, provided that the parameter variation range used in the training and testing data generation for the MLPs is precise. Furthermore, this study also involved the modeling of the Federal University of Piauí (UFPI) network, where the G-Hybrid method was used to calibrate the model’s absolute roughness. After calibration, the mean absolute error for pressure heads was 0.40 mH2O, a result deemed satisfactory for the study conditions. The developed methods and adaptations represent a promising advancement in improving the reliability and efficiency of water distribution network calibration, contributing to more accurate and safer water system management.
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In this research, calibration methods were developed and tested for pipe absolute roughness and chlorine wall decay coefficients (kw), using algorithms based on Artificial Neural Networks (ANN) and hybrid methods that combine the Alternative Hydraulic Gradient Iterative Method (MIGHA) with a Multilayer Perceptron (MLP). Four methods were developed and evaluated in three fictitious networks with distinct characteristics. Different scenarios were explored, varying the amount of observed data used in the tests. The results obtained by the developed methods were compared to each other and to those produced by calibrations using only MIGHA and Genetic Algorithms, considering the adjusted parameters and state variables of the model, such as pressure heads, flows, and chlorine concentrations returned by the calibrated networks. Additionally, an adaptation for MIGHA was designed to enable dynamic calibrations, and a graphical interface was developed for a software application using the developed algorithms. The results suggest that the G-ANN and G-Hybrid methods, which use a group-based calibration routine for similar pipes, tend to outperform, in most cases, the S-ANN and S-Hybrid models, which update parameters segment by segment. Further tests indicated that segment-based calibration methods have the potential to surpass those based on group methodology, provided that the parameter variation range used in the training and testing data generation for the MLPs is precise. Furthermore, this study also involved the modeling of the Federal University of Piauí (UFPI) network, where the G-Hybrid method was used to calibrate the model’s absolute roughness. After calibration, the mean absolute error for pressure heads was 0.40 mH2O, a result deemed satisfactory for the study conditions. The developed methods and adaptations represent a promising advancement in improving the reliability and efficiency of water distribution network calibration, contributing to more accurate and safer water system management.Um modelo computacional de rede de distribuição de água, capaz de realizar simulações hidráulicas e de transporte de cloro, representa um recurso valioso no contexto das empresas e companhias de saneamento. Contudo, a complexidade decorrente da grande quantidade de parâmetros e das incertezas associadas representa um desafio significativo na construção desses modelos. Nesta pesquisa, foram desenvolvidos e testados métodos de calibração para as rugosidades absolutas e para os coeficientes de decaimento de cloro nas paredes das tubulações (kw), utilizando algoritmos baseados em Redes Neurais Artificiais (RNA) e métodos híbridos que combinam o Método Iterativo do Gradiente Hidráulico Alternativo (MIGHA) com um Perceptron Multicamadas (PMC). Quatro métodos foram desenvolvidos e avaliados em três redes fictícias com características distintas. Diferentes cenários foram explorados, variando a quantidade de dados observados nos testes. Os resultados obtidos pelos métodos desenvolvidos foram comparados entre si e também com os produzidos por calibrações que empregaram exclusivamente o MIGHA e Algoritmos Genéticos, considerando os parâmetros ajustados e as variáveis de estado do modelo, como cargas de pressão, vazões e concentrações de cloro retornadas pelas redes calibradas. Ademais, idealizou-se uma adaptação para o MIGHA a fim de viabilizar calibrações dinâmicas, além de se construir uma interface gráfica para um software que utiliza os algoritmos desenvolvidos. Os resultados sugerem que os métodos RNA-G e Híbrido-G, que empregam uma rotina de calibração por grupo de tubulações semelhantes, tendem a ser superiores, na maioria dos casos, aos modelos RNA-T e Híbrido-T, que realizam a atualização dos parâmetros trecho a trecho. Ensaios adicionais indicaram que os métodos de calibração por trecho têm potencial para superar aqueles baseados na metodologia por grupo, desde que a delimitação da faixa de variação dos parâmetros, usada na geração dos dados de treinamento e teste dos PMCs, seja precisa. Além disso, este trabalho também contemplou a modelagem da rede da Universidade Federal do Piauí (UFPI), onde se usou o método Híbrido- G para a calibração das rugosidades absolutas do modelo. Após a calibração, o erro absoluto médio para as cargas de pressão foi de 0,40 mca, resultado considerado satisfatório para as condições do estudo. Os métodos e adaptações desenvolvidos representam um avanço promissor para aprimorar a confiabilidade e a eficiência da calibração de redes de distribuição de água, contribuindo para a gestão mais precisa e segura dos sistemas de saneamento.Este documento está disponível online com base na Portaria nº 348, de 08 de dezembro de 2022, disponível em: https://biblioteca.ufc.br/wp-content/uploads/2022/12/portaria348-2022.pdf, que autoriza a digitalização e a disponibilização no Repositório Institucional (RI) da coleção retrospectiva de TCC, dissertações e teses da UFC, sem o termo de anuência prévia dos autores. Em caso de trabalhos com pedidos de patente e/ou de embargo, cabe, exclusivamente, ao autor(a) solicitar a restrição de acesso ou retirada de seu trabalho do RI, mediante apresentação de documento comprobatório à Direção do Sistema de Bibliotecas.Calibração de rugosidades absolutas e coeficientes de decaimento de cloro nas paredes das tubulações em redes de distribuição de água: abordagens com redes neurais artificiais e métodos Híbridos MIGHA-RNACalibration of absolute roughness and chlorine decay coefficients on pipe walls in water distribution networks: approaches with artificial neural networks and hybrid MIGHA-RNA methodsinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesisCalibraçãoÁgua - DistribuiçãoRedes neurais (Computação)MIGHACalibrationWater - DistributionNeural networks (Computer science)MIGHACNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA SANITARIA::RECURSOS HIDRICOSinfo:eu-repo/semantics/openAccessporreponame:Repositório Institucional da Universidade Federal do Ceará (UFC)instname:Universidade Federal do Ceará (UFC)instacron:UFChttps://orcid.org/0000-0001-8041-9511http://lattes.cnpq.br/9690227574498365https://orcid.org/0000-0001-5134-7213http://lattes.cnpq.br/9250831617884112http://lattes.cnpq.br/13751705177420022024-12-13ORIGINAL2024_tese_dlsousa.pdf2024_tese_dlsousa.pdfapplication/pdf39775920http://repositorio.ufc.br/bitstream/riufc/80319/1/2024_tese_dlsousa.pdff3b46770f7617010f4a481f67cdfd6beMD51LICENSElicense.txtlicense.txttext/plain; charset=utf-81748http://repositorio.ufc.br/bitstream/riufc/80319/2/license.txt8a4605be74aa9ea9d79846c1fba20a33MD52riufc/803192025-04-07 18:50:18.169oai:repositorio.ufc.br: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Repositório InstitucionalPUBhttp://www.repositorio.ufc.br/ri-oai/requestbu@ufc.br || repositorio@ufc.bropendoar:2025-04-07T21:50:18Repositório Institucional da Universidade Federal do Ceará (UFC) - Universidade Federal do Ceará (UFC)false
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