طراحی چندهدفه شبکه های توزیع آب با استفاده از شاخص تاب آوری تودینی و نسخه تکامل یافته الگوریتم فراکاوشی مبتنی بر قوت پارتو

شبکه های توزیع آب یکی از مهم ترین و حساس ترین زیرساخت های شهری می باشند که اخیرا با توجه به رشد جمعیت و افزایش نیاز مصرف کنندگان، با چالش هایی از قبیل کاهش فشار و شکست لوله ها روبرو هستند که همگی به علت طراحی های نامناسب و مبتنی بر اهداف اقتصادی است. برای رفع این مشکلات در هنگام طراحی یک سامانه توزیع آب شهری همواره باید اطمینان پذیری شبکه نیز در نظر گرفته شود. در این پژوهش به منظور بهینه سازی شبکه های توزیع آب، دو هدف اصلی کمینه سازی هزینه و بیشینه سازی اطمینان پذیری شبکه در نظر گرفته شد. برای محاسبه اطمینان پذیری شبکه از شاخص تاب آوری تودینی و برای شبیه سازی هیدرولیکی آن از مدل EPANET 2.0 استفاده شد. سپس با استفاده از نسخه دوم الگوریتم تکاملی مبتنی بر قوت پارتو (SPEA2) و ایجاد ارتباط پویا با مدل هیدرولیکی EPANET 2.0 در محیط نرم افزار MATLAB، بهینه سازی چند هدفه چهار شبکه توزیع آب شامل شبکه های دوحلقه ای، کادو، هانوی و پهنه D شهر مشهد انجام گرفت. بهینه سازی توامان دو هدف اصلی شامل کمینه سازی هزینه و بیشینه سازی شاخص تاب آوری تودینی منجر به تولید پاسخ های بهینه در قالب جبهه پارتو شد. یک پاسخ بهینه تحت عنوان نقطه C با استفاده از روش چانه زنی Young از جبهه پارتوی نهایی تولید شده در هریک از شبکه ها معرفی شد. پاسخ منتخب C در شبکه های دوحلقه ای، هانوی و کادو به ترتیب 91/22، 13/17 و 41/7 درصد فشار متوسط شبکه را نسبت به کمترین هزینه آن در این پژوهش (نقطه A)، افزایش داد. همچنین پاسخ منتخب C در شبکه پهنه D شهر مشهد با افزایش 23/4 درصدی فشار متوسط شبکه نسبت به طراحی اولیه شرکت مشاور (نقطه D) نشان داد گزینه طراحی شده توسط شرکت مشاور به عنوان پاسخی مغلوب در زیر جبهه پارتوی نهایی این پژوهش قرار می گیرد. در این پژوهش شاخص تاب آوری تودینی با تکیه بر افزایش فشار گرهی توانایی خود را در جهت بالا بردن اطمینان پذیری شبکه نشان داد که این امر موجب می شود شبکه در شرایط بحرانی و یا شکست لوله ها، با ضریب اطمینان بالایی قادر به تامین فشار و دبی مناسب در سایر نقاط باشد. همچنین عملکرد رضایت بخش الگوریتم چند هدفه SPEA2 در ارائه جبهه پارتوی بهینه برای مسائل مورد نظر نشان داد که از الگوی طراحی توسعه داده شده در این پژوهش می توان به منظور ارائه یک مجموعه جواب بهینه به کارفرما، برای انتخاب نقاطی که در آن ها هر دو عامل هزینه و اطمینان پذیری توامان در شرایط مطلوبی هستند، استفاده نمود.