Branch and bound e paralelismo na otimização energética em redes de distribuição de água
| Ano de defesa: | 2025 |
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| Link de acesso: | http://repositorio.ufc.br/handle/riufc/82421 |
Resumo: | This work presents an approach for the optimization of water distribution systems (WDS) using the Branch and Bound (B&B) algorithm with depth-first search (DFS) and task-based parallelism. The methodology includes the efficient distribution of tasks among multiple cores, aiming to balance workloads and reduce execution times. The algorithm is applied to three operational scenarios, considering one, two, and three maximum pump activations over 24 hours, while respecting hydraulic constraints and minimizing operational costs. The theoretical search space of the problem is on the order of 4²4 possible solutions, equivalent to approximately 281 trillion combinations. The proposed approach utilizes efficient encoding and pruning strategies, reducing this space to simulations that conclude with just over 500 viable solutions. This efficiency, combined with task-based parallelism, reduces computational time by more than 99% in all analyzed scenarios, making the method practical and applicable to real-world operational contexts. The generated solutions enable significant annual savings, reaching up to R$16,400 in the most intensive scenario. |
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Rocha, Jéssica Gomes Melo daAraújo, Ascânio DiasSouza, Michael Ferreira de2025-09-08T20:00:48Z2025-09-08T20:00:48Z2025-01-30ROCHA, Jessica Gomes Melo da. Branch and bound e paralelismo na otimização energética em redes de distribuição de água. 2025. 60 f. Dissertação (Mestrado em Modelagem e Métodos Quantitativos) – Centro de Ciências, Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2025.http://repositorio.ufc.br/handle/riufc/82421This work presents an approach for the optimization of water distribution systems (WDS) using the Branch and Bound (B&B) algorithm with depth-first search (DFS) and task-based parallelism. The methodology includes the efficient distribution of tasks among multiple cores, aiming to balance workloads and reduce execution times. The algorithm is applied to three operational scenarios, considering one, two, and three maximum pump activations over 24 hours, while respecting hydraulic constraints and minimizing operational costs. The theoretical search space of the problem is on the order of 4²4 possible solutions, equivalent to approximately 281 trillion combinations. The proposed approach utilizes efficient encoding and pruning strategies, reducing this space to simulations that conclude with just over 500 viable solutions. This efficiency, combined with task-based parallelism, reduces computational time by more than 99% in all analyzed scenarios, making the method practical and applicable to real-world operational contexts. The generated solutions enable significant annual savings, reaching up to R$16,400 in the most intensive scenario.Este trabalho apresenta uma abordagem para a otimização de sistemas de distribuição de água (SDAs) utilizando o algoritmo Branch and Bound (B&B) com busca em profundidade (DFS) e paralelismo baseado em tarefas. A metodologia inclui a distribuição eficiente das tarefas entre múltiplos núcleos, buscando equilíbrio na carga de trabalho e tempos de execução reduzidos. O algoritmo é aplicado a três cenários operacionais, considerando uma, duas e três ativações máximas das bombas ao longo de 24 horas, respeitando restrições hidráulicas e minimizando os custos operacionais. O espaço de busca teórico do problema é da ordem de 4²4 soluções possíveis, o que equivale a aproximadamente 281 trilhões de combinações. A abordagem proposta utiliza codificação e estratégias de poda eficientes, reduzindo esse espaço para simulações que finalizam com pouco mais de 500 soluções viáveis. Essa eficiência, aliada ao uso do paralelismo de tarefas, permite reduzir o tempo computacional em mais de 99% em todos os cenários analisados, tornando o método prático e aplicável a contextos operacionais reais. As soluções geradas possibilitam economias anuais significativas, alcançando até R$ 16.400 no cenário mais intensivo.Branch and bound e paralelismo na otimização energética em redes de distribuição de águaBranch and bound and parallelism in energy optimization in water distribution networksinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisOtimização combinatóriaAbastecimento de águaProcessamento paralelo (computadores)Eficiência energéticaBranch and boundCombinatorial optimizationWater supplyParallel processing (computers)Energy efficiencyBranch and boundinfo:eu-repo/semantics/openAccessporreponame:Repositório Institucional da Universidade Federal do Ceará (UFC)instname:Universidade Federal do Ceará (UFC)instacron:UFChttp://lattes.cnpq.br/2528548080720982https://orcid.org/0000-0001-6751-2877http://lattes.cnpq.br/1246776718921674http://lattes.cnpq.br/2940950386915746LICENSElicense.txtlicense.txttext/plain; charset=utf-81748http://repositorio.ufc.br/bitstream/riufc/82421/4/license.txt8a4605be74aa9ea9d79846c1fba20a33MD54ORIGINAL2025_dis_jgmrocha.pdf.pdf2025_dis_jgmrocha.pdf.pdfDissertaçãoapplication/pdf815999http://repositorio.ufc.br/bitstream/riufc/82421/5/2025_dis_jgmrocha.pdf.pdf54da594d5112d5780b5f491f06c102deMD55riufc/824212025-09-08 17:06:39.729oai:repositorio.ufc.br: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Repositório InstitucionalPUBhttp://www.repositorio.ufc.br/ri-oai/requestbu@ufc.br || repositorio@ufc.bropendoar:2025-09-08T20:06:39Repositório Institucional da Universidade Federal do Ceará (UFC) - Universidade Federal do Ceará (UFC)false |
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