Comparison of Monte Carlo Algorithm, genetic algorithms and artificial neural networks for calibration of water supply networks using the epanet2toolkit

Authors

DOI:

https://doi.org/10.6008/CBPC2179-6858.2022.009.0006

Keywords:

Calibration, EPANET, Genetic Algorithms, Monte Carlo, Neural Networks

Abstract

A comparison of three water network calibration algorithms was performed using the R epanet2toolkit library. This coupling makes it possible to explore EPANET's hydraulic simulation and evaluation potentials and data analysis in R, with the main result of the work being the comparison of three calibration methods. In the calibration process by the Monte Carlo Algorithm, 100,000 roughness values ​​were randomly generated for each pipe section within the range of 0.008 to 0.09 and new pressure values ​​were generated with these roughnesses, while the calibration by the Genetic Algorithms method was used the rpy2 package that allows the use of R in Python, having 10,000 generations per simulation with 5% chance of mutation and 50% chance of crossover, admitting a deviation of ± 2 m.c.a for each pressure and the reduction of the average error. Finally, the Neural Network calibration also used the rpy2 package, with the network demand defined as the input layer and the output layer as the roughness of the pipes and for the hidden layer the input layer plus four neurons was defined. The results showed that in the smallest network the best performance was obtained by the Genetic Algorithms, followed by Monte Carlo, while the Neural Network had the worst result, and in the most complex network the Neural Network results obtained the best result, followed by the Genetic Algorithms and Monte Carlo. Thus, the potential of using Neural Networks for the calibration of more complex networks is observed, as well as its use combined with optimization techniques for the operation of water distribution networks, taking care to avoid situations of overfitting or underfitting.

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Author Biographies

Matheus David Guimarães Barbedo, Universidade Federal de Itajubá

Doutorando em Meio Ambiente e Recursos Hídricos pela Unifei. Mestre em Meio Ambiente e Recursos Hídricos pela Unifei (2022). Engenheiro Civil pelo Centro Universitário de Itajubá-FEPI em (2019). Possui interesse nas áreas de hidráulica, recursos naturais, redes de distribuição de água, eficiência hidroenergética, controle de perdas em redes de distribuição de água, modelagem e simulação computacional em redes de água e saneamento ambiental. 

Fernando das Graças Braga da Silva, Universidade Federal de Itajubá

possui graduação em Engenharia Civil pela Faculdade de Engenharia Civil de Araraquara (1994), mestrado em Engenharia Civil - Hidráulica e Saneamento pela Universidade de São Paulo (1998), doutorado em Engenharia Civil - Hidráulica e Saneamento pela Universidade de São Paulo (2003) e pos doutorado em Engenharia Civil - Hidraulica e Saneamento pela Universidade de São Paulo em parceria com a Embrapa Instrumentacao Agropecuaria (2005). Atualmente é Professor Titular da Universidade Federal de Itajubá-M.G., Lider do NUMMARH-UNIFEI, Núcleo de Modelagem e Simulação em Meio Ambiente e Recursos e Sistemas Hidricos, Chefe do Laboratório de Hidrica Computacional-UNIFEI, Atuou como Coordenador do Curso de Engenharia Civil da UNIFEI, participou da Diretoria da Associação Brasileira de Recursos Hídricos - ABRH, Gestão 2008-2009 e foi e Vice-diretor do Instituto de Recursos Naturais da UNIFEI e Coordenador de Pesquisa do Instituto de Recursos Naturais da UNIFEI. Tem experiência nas áreas de Engenharia de Recursos Hidricos, Sanitária e Hidraulica, com ênfase em Técnicas de Abastecimento da Água, Hidraulica experimental, Hidraulica computacional, Modelagem hidrologica e sedimentologica em Bacias hidrograficas atuando principalmente nos seguintes temas: redes de distribuição de água, algoritmos genéticos, calibração, vazamentos, cavitação, modelos de erosao de solo, ensaio de bombas, modelos de qualidade da agua.

Alex Takeo Yasumura Lima Silva, Universidade Federal de Itajubá

Alex Takeo Yasumura Lima Silva é Engenheiro Hídrico pela Universidade Federal de Itjaubá (UNIFEI), mestre e doutor em Meio Ambiente e Recursos Hídricos pela Universidade Federal de Itajubá (UNIFEI). Tem interesses na área de saneamento, redes de distribuição de água, máquinas hidráulicas, eficiência energética, controle de perdas em redes de distribuição de água, modelagem computacional, aprendizado de máquina, ciências da computação, hidroinformática, e recursos naturais. 

Sara Maria Marques, Universidade Federal de Itajubá

Graduada em Engenharia Civil pelo Centro Universitário de Itajubá (2018). Mestre em Meio Ambiente e Recursos Hídricos pela Universidade Federal de Itajubá - UNIFEI (2023). 

Victor Eduardo de Mello Valério, Universidade Federal de Itajubá

Possui graduação em ciências econômicas pela Universidade Estadual Paulista Júlio de Mesquita Filho (2011), mestrado em engenharia de produção pela Universidade Federal de Itajubá (2015) e doutorado em engenharia de produção pela Universidade Federal de Itajubá (2018), foi bolsista da CAPES em ambos os casos. Atualmente é professor adjunto da Universidade Federal de Itajubá no Instituto de Engenharia de Produção e Gestão, desempenhando as atividades de Coordenação do Curso de Administração da UNIFEI e presidente da Comissão de Energia Solar Fotovoltaica. Foi membro do conselho superior (CONSUNI) da UNIFEI. É revisor de congressos nacionais na área de análise financeira de investimentos, pesquisa operacional, projetos de energia renovável e previsão. Tem experiência profissional e acadêmica na área de economia e engenharia de produção, com ênfase em Análise Financeira de Investimentos.

Mateus Cortez Marcondes, Universidade Federal de Itajubá

Mestrando (2022) em Meio Ambiente e Recursos Hídricos pela Universidade Federal de Itajubá (UNIFEI). Possui graduação em Engenharia Civil pelo Centro Universitário de Itajubá (2020).

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Published

2023-01-08

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