طراحی چندهدفه شبکه‌های توزیع آب با استفاده از شاخص تاب‌آوری تودینی و نسخه تکامل یافته الگوریتم فراکاوشی مبتنی بر قوت پارتو

شبکه‌های توزیع آب یکی از مهم‌ترین و حساس‌ترین زیرساخت‌های شهری می‌باشند که اخیراً با توجه به رشد جمعیت و افزایش نیاز مصرف‌کنندگان، با چالش‌هایی از قبیل کاهش فشار و شکست لوله‌ها روبرو هستند که همگی به‌علت طراحی‌های نامناسب و مبتنی بر اهداف اقتصادی است. برای رفع این مشکلات در هنگام طراحی یک سامانه توزیع آب شهری همواره باید اطمینان‌پذیری شبکه نیز در نظر گرفته شود. در این پژوهش به‌منظور بهینه‌سازی شبکه‌های توزیع آب، دو هدف اصلی کمینه‌سازی هزینه و بیشینه‌سازی اطمینان‌پذیری شبکه در نظر گرفته شد. برای محاسبه اطمینان‌پذیری شبکه از شاخص تاب‌آوری تودینی و برای شبیه‌سازی 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 نرم‌افزار MATLAB، بهینه‌سازی چند هدفه چهار شبکه توزیع آب شامل شبکه‌های دوحلقه‌ای، کادو، هانوی و پهنه D شهر مشهد انجام گرفت. بهینه‌سازی توأمان دو هدف اصلی شامل کمینه‌سازی هزینه و بیشینه‌سازی شاخص تاب‌آوری تودینی منجر به تولید پاسخ‌های بهینه در قالب جبهه پارتو شد. یک پاسخ بهینه تحت عنوان نقطه C با استفاده از روش چانه‌زنی Young از جبهه پارتوی نهایی تولید شده در هریک از شبکه‌ها معرفی شد. پاسخ منتخب C در شبکه‌های دوحلقه‌ای، هانوی و کادو به‌ترتیب 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 به‌عنوان پاسخی مغلوب در زیر جبهه پارتوی نهایی این پژوهش قرار می‌گیرد. در این پژوهش شاخص تاب‌آوری تودینی با تکیه بر افزایش فشار گرهی توانایی خود را در جهت بالا بردن اطمینان‌پذیری شبکه نشان داد که این امر موجب می‌شود شبکه در شرایط بحرانی و یا شکست لوله‌ها، با ضریب اطمینان بالایی قادر به تأمین 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 می‌توان به‌منظور ارائه یک مجموعه جواب بهینه به کارفرما، برای انتخاب نقاطی که در آن‌ها هر دو عامل هزینه و اطمینان‌پذیری توأمان در شرایط مطلوبی هستند، استفاده نمود.