Aplicación del algoritmo multiobjetivo NSGA-II en el diseño óptimo de redes de distribución de agua potable. Caso: ciudad de Huancavelica, Perú
DOI:
https://doi.org/10.24850/j-tyca-2025-02-04Palabras clave:
NSGA-II, red de distribución de agua, costo, confiabilidad hidráulicaResumen
En los últimos tiempos se han desarrollado diversos algoritmos genéticos multiobjetivo y su aplicación en optimización de redes de distribución de agua potable, de los cuales NSGA-II ha mostrado un desempeño más sólido. Esta investigación muestra la aplicación de NSGA-II en el diseño óptimo de redes de distribución de agua potable considerando costo (IC) y confiabilidad hidráulica (IR) como funciones objetivo. La investigación se realizó en respuesta a un problema real relacionado con el suministro de agua en la ciudad de Huancavelica. Mediante la información obtenida a través de la EPS EMAPA Huancavelica S.A., y el lenguaje de programación Python, con el Toolkit de Epanet se valida NSGA-II, aplicándolo al diseño de la red de Hanoi. Una vez validado, se analiza la red de Huancavelica, que cuenta con un IC de 0.31, equivalente a USD 140 099.89 y un IR de 0.25, y se obtiene un diseño óptimo de red que precisa un IC de 0.24 con un valor de USD 117 590.12 y un IR de 0.23, lo cual permite apreciar una diferencia en el IC de USD 22 509.77 y una reducción del IR, que la hace una red mucho más confiable que satisface simultáneamente las restricciones de presión mínima en todos los nudos, además de garantizar condiciones de falla durante su operación. Se determinó que NSGA-II es favorable para el diseño óptimo de redes de agua potable al considerar dos funciones objetivo de costo y confiabilidad hidráulica.
Citas
Brkic, D., & Praks, P. (2018). Accurate and efficient explicit approximations of the colebrook flow friction equation based on the wright ω-function. Mathematics, 7(1). DOI: 10.3390/math7010034
Chu, X., & Yu, X. (2018). Improved crowding distance for NSGA-II. DOI: 10.48550/arxiv.1811.12667
Cunha, M. C., & Sousa, J. (1999). Water distribution network design optimization: Simulated annealing approach. Journal of Water Resources Planning and Management, 125(4). DOI: 10.1061/(ASCE)0733-9496(1999)125:4(215)
Deb, K., Pratap, A., Agarwal, S., & Meyarivan, T. (2002). A fast and elitist multiobjective genetic algorithm: NSGA-II. IEEE Transactions on Evolutionary Computation, 6(2). DOI: 10.1109/4235.996017
EMAPA-HVCA, S. A. (2018). Plan maestro (2018-2047). Huancavelica, Perú: EPS EMAPA Huancavelica. Recuperado de https://www.emapahvca.com/muni.php/ver_documento/id/munihvca7b8c6de4d949b3e51c816a1d5173de5b.pdf/
Gunantara, N. (2018). A review of multi-objective optimization: Methods and its applications. Cogent Engineering, 5(1). DOI: 10.1080/23311916.2018.1502242
Liong, S. Y., & Atiquzzaman, M. (2004). Optimal design of water distribution network using shuffled complex evolution. Journal of The Institution of Engineers, Singapore, 44(1), 93-107.
Ostfeld, A. (2015). Water distribution networks. Studies in Computational Intelligence, 565. DOI: 10.1007/978-3-662-44160-2_4
Parvaze, S., Kumar, R., Khan, J. N., Al-Ansari, N., Parvaze, S., Vishwakarma, D. K., Elbeltagi, A., & Kuriqi, A. (2023). Optimization of water distribution systems using genetic algorithms: A review. Archives of Computational Methods in Engineering. DOI: 10.1007/s11831-023-09944-7
Peñuela, C. A., & Granada, M. (2007). Optimización multiobjetivo usando un algoritmo genético y un operador elitista basado en un ordenamiento no-dominado (NSGA-II). Scientia et Technica, 13(35), 175-180.
Prasad, T. D., & Park, N.-S. (2004). Multiobjective genetic algorithms for design of water distribution networks. Journal of Water Resources Planning and Management, 130(1). DOI: 10.1061/(asce)0733-9496(2004)130:1(73)
Rahimi, I., Gandomi, A. H., Deb, K., Chen, F., & Nikoo, M. R. (2022). Scheduling by NSGA-II: Review and bibliometric analysis. Processes, 10. DOI: 10.3390/pr10010098
Renata, R. T., Pereira, F. F. S., Da Silva, T. B. G., Castro, E. R., & Saad, J. C. C. (2020). The performance of explicit formulas for determining the darcyweisbach friction factor. Engenharia Agricola, 40(2). DOI: 10.1590/1809-4430-ENG.AGRIC.V40N2P258-265/2020
RNE, Reglamento Nacional de Edificaciones. (2009). Redes de distribución de agua para consumo humano (OS.050). Lima, Perú: Reglamento Nacional de Edificaciones. Recuperado de https://ww3.vivienda.gob.pe/ejes/vivienda-y-urbanismo/documentos/Reglamento%20Nacional%20de%20Edificaciones.pdf
Rossman, L. A. (September, 2000). EPANET 2 Users Manual EPA/600/R-00/57. Washington, DC, USA: Water Supply and Water Resources Division, U.S. Agency, Environmental Protection.
Saldarriaga, J., Páez, D., Salcedo, C., Cuero, P., López, L. L., León, N., & Celeita, D. (2020). A direct approach for the near-optimal design of water distribution networks based on power use. Water, 12(4). DOI: 10.3390/W12041037
Saldarriaga, J., Salcedo, C., González, M. A., Ortiz, C., Wiesner, F., & Gómez, S. (2022). On the evolution of the optimal design of WDS: Shifting towards the use of a fractal criterion. Water, 14(23), 3795. DOI: 10.3390/W14233795/S1
Saldarriaga, J. (2007). Hidráulica de tuberías : abastecimiento de agua, redes, riegos. Bogotá, Colombia: Alfaomega.
Sangroula, U., Han, K. H., Koo, K. M., Gnawali, K., & Yum, K. T. (2022). Optimization of water distribution networks using genetic algorithm based SOP-WDN Program. Water, 14(6). DOI: 10.3390/w14060851
Savic, D. A., & Walters, G. A. (1997). Genetic algorithms for leastcost design of water distribution networks. Journal of Water Resources Planning and Management, 123(2). DOI: 10.1061/(ASCE)0733-9496(1997)123:2(67)
Suribabu, C. R., & Neelakantan, T. R. (2014). Optimal upgradation and expansion of existing water distribution networks using differential evolution algorithm. Asian Journal of Applied Sciences, 7(6). DOI: 10.3923/ajaps.2014.375.390
Swamee, P. K., & Jain, A. K. (1976). Explicit equations for pipe-flow problems. ASCE Journal of the Hydraulics Division, 102(5). DOI: 10.1061/jyceaj.0004542
Todini, E. (2000). Looped water distribution networks design using a resilience index based heuristic approach. Urban Water, 2(2). DOI: 10.1016/s1462-0758(00)00049-2
Wang, Q., Guidolin, M., Savic, D., & Kapelan, Z. (2015). Two-objective design of benchmark problems of a water distribution system via MOEAs: Towards the best-known approximation of the true Pareto front. Journal of Water Resources Planning and Management, 141(3). DOI: 10.1061/(asce)wr.1943-5452.0000460
Wang, Q., Wang, L., Huang, W., Wang, Z., Liu, S., & Savić, D. A. (2019). Parameterization of NSGA-II for the optimal design of water distribution systems. Water, 11(5). DOI: 10.3390/w11050971
Wright, R., Parpas, P., & Stoianov, I. (2015). Experimental investigation of resilience and pressure management in water distribution networks. Procedia Engineering, 119(1). DOI: 10.1016/j.proeng.2015.08.917
Yazdandoost, F., & Izadi, A. (2016). A decision-making framework for designing water distribution networks based on multi-objective optimisation. International Journal of Multicriteria Decision Making, 6(4). DOI: 10.1504/IJMCDM.2016.081379
Zarei, N., Azari, A., & Heidari, M. M. (2022). Improvement of the performance of NSGA-II and MOPSO algorithms in multi-objective optimization of urban water distribution networks based on modification of decision space. Applied Water Science, 12(6), 1-12. DOI: 10.1007/S13201-022-01610-W/TABLES/5
Zheng, F., Zecchin, A. C., Maier, H. R., & Simpson, A. R. (2016). Comparison of the Searching Behavior of NSGA-II, SAMODE, and Borg MOEAs applied to water distribution system design problems. Journal of Water Resources Planning and Management, 142(7). DOI: 10.1061/(asce)wr.1943-5452.0000650
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