Gondwana

Gondwanatool

Softwareplatform voor optimalisatie van drinkwaterdistributiesystemen

Gondwana

In de afgelopen decennia is er toenemende aandacht voor de optimalisatie van drinkwaterdistributiesystemen. De complexiteit van deze systemen zorgt er echter voor dat optimale oplossingen moeilijk te bereiken zijn met traditionele (vaak handmatige) methoden. Numerieke optimalisatietechnieken bieden hierin de helpende hand, maar door een gebrek aan geschikte tools dringen deze technieken niet door naar de praktijk. KWR heeft daarom Gondwana ontwikkeld: een softwareplatform voor optimalisatie dat specifiek gericht is op drinkwaterdistributiesystemen. Dit platform combineert flexibiliteit van optimalisatievraagstukken met een gebruiksvriendelijke grafische interface. Hiermee ontsluit Gondwana krachtige en vaak complexe optimalisatietechnieken voor de hydraulische experts van KWR, en daarmee voor de hele drinkwatersector.

Perspectief op optimaal ontworpen leidingnetten

Het drinkwaterdistributienetwerk zoals het nu in de grond ligt is een resultaat van een evolutie van materiaalgebruik, ontwerpfilosofieën en -doelstellingen door de tijd. Het ontwerp berust vaak op ervaringskennis en extra veiligheidsmarges. Nu veel drinkwaterbedrijven voor een groeiende vervangingsvraagstuk staan is het zinvol om na te denken over welke netstructuur wordt teruggelegd, en om op een meer holistische wijze het ontwerpproces uit te voeren, rekening houdend met diverse aspecten als leveringszekerheid, waterkwaliteit, energie, en  uiteraard,  kosten. Hoewel experts hiervoor goede strategieën toepassen, blijkt dat numerieke optimalisatiemethoden toegepast door experts tot betere ontwerpen kunnen leiden dan klassieke benaderingen.

Om de brug tussen het academisch onderzoek en de toepasbaarheid in de praktijk te slaan heeft KWR het optimalisatieplatform Gondwana ontwikkeld.

Gondwana beoogt een uitstekende aansluiting op de behoeften van de waterbedrijven voor  wat betreft flexibiliteit en aansluiting op verschillende toepassingsmogelijkheden.  Voorbeelden van toepassingsmogelijkheden van Gondwana zijn:

  • het ontwerp van streefstructuren en transities van huidige configuraties naar streefstructuren, met als doelstellingen lage kosten en goede prestaties. Prestaties kunnen worden bepaald door o.a. de mate van leveringszekerheid, gewenste druk, waterkwaliteit, energieverbruik en aantal storingen;
  • het bepalen van optimale DMA’s (District Metered Areas), om met zo min mogelijk volumestroommeters de detecteerbaarheid van lekken en andere afwijkingen te maximaliseren;
  • het bepalen van optimale afsluiterconfiguraties, met als doelstellingen lage ondermaatse leveringsminuten (OLM) en goede spuibaarheid van secties;
  • het bepalen van optimale locaties van waterkwaliteitssensoren of monsternames, met als doelstellingen het minimaliseren van de detectietijd, het maximaliseren van de pakkans of dekkingsgraad, het faciliteren van bronbepaling, etc..

In alle toepassingen kan rekeningen worden gehouden met verschillende scenario’s, zoals veranderingen in de watervraag, storingen en besmettingen.

Optimaliseren is mogelijk als “impliciete multicriteriumoptimalisatie”, dit leidt tot één ontwerp dat het best presteert op de gekozen combinatie en weging van de doelstellingen.

Ook “expliciete multicriteriumoptimalisatie” is mogelijk: dit leidt tot een verzameling van ontwerpen die allemaal in wisselende verhoudingen optimaal presteren op de gekozen doelstellingen. Deze verzameling wordt een “Paretofront” genoemd. Een voorbeeld is weergegeven in afbeelding 1, waarin op de twee assen de prestatie op twee doelstellingen is weergegeven. Op beide doelstellingen is minimalisatie gewenst. Alle punten representeren een ontwerp, maar alleen de bruine punten aan de linker onderrand (het Paretofront) presteren optimaal. De gebruiker kan de verschillende ontwerpen op het Paretofront vergelijken en besluiten in hoeverre een verbetering op de ene doelstelling een concessie op de andere rechtvaardigt.

Afbeelding 1: Afweging tussen twee doelstellingen (prestaties op de horizontale resp. verticale as), met optimale oplossingen op het Paretofront in het bruin weergegeven

Afbeelding 1: Afweging tussen twee doelstellingen (prestaties op de horizontale resp. verticale as), met optimale oplossingen op het Paretofront in het bruin weergegeven

Optimalisatietool Gondwana: kracht, flexibiliteit en gebruiksvriendelijk

Gondwana is gebouwd rondom EPANET* (voor de hydraulische simulatie van leidingnetwerken) en de Inspyred bibliotheek** voor de meta-heuristieke optimalisatiemethoden. Door middel van een grafische interface en een reeks van tabbladen (Afbeelding 2) kan de gebruiker een optimalisatieprobleem op gestructureerde wijze instellen: bestaande netwerken laten inlezen, definiëren aan welke eisen het verbeterde netwerk moet voldoen en vaststellen in welke zin het verbeterd moet worden (doelstellingen).

Afbeelding 2: Hoofdscherm van Gondwana met tabbladen voor de definitie van deelaspecten, uitvoeren van berekeningen en analyse van resultaten. Voorbeeld netwerk betreft het benchmarkprobleem New York tunnels.

Afbeelding 2: Hoofdscherm van Gondwana met tabbladen voor de definitie van deelaspecten, uitvoeren van berekeningen en analyse van resultaten. Voorbeeld netwerk betreft het benchmarkprobleem New York tunnels.

Tabel 1 geeft een overzicht van de verschillende tabbladen die moeten worden doorlopen bij het opzetten van een optimalisatieprobleem.

Tabblad Beschrijving
Netwerk Begin van probleemdefinitie, inladen van startnetwerk en definitie van leiding- en knooppuntgroepen.
Scenario’s Definitie van verschillende typen scenario’s (wijzigingen in het netwerk, watervraag, besmettingsscenario’s)
Invoergegevens Definitie/import/export van aanvullende gegevens, zoals beschikbare materialen en kosten.
Beslisvariabelen Definitie van de componenten, gebruiksregels en kenmerken die door Gondwana aangepast kunnen worden, zoals o.a. leidingdiameters en locatie van volumestroommeters.
Doelstellingen Instellen van één of meerdere doelstellingen (voor impliciete of expliciet multicriteriumoptimalisatie), zoals minimaliseren van kosten en maximaliseren van prestatie.
Randvoorwaarden Definitie van randvoorwaarden voor het netwerk, eventueel voor individuele scenario’s, zoals minimale druk
Optimalisatie Instellingen van het optimalisatieproces (aangepaste genetische algoritme).
Uitvoeren Inplannen en uitvoeren van optimalisatieberekeningen, monitoring gedurende berekeningen.
Resultaten Analyse, visualisatie en export van de resultaten van de optimalisaties.

Wanneer een optimalisatieprobleem is ingesteld kan Gondwana aan de slag: door op willekeurige wijze veranderingen aan te brengen aan de beslisvariabelen, maar op gestructureerde wijze de enkele resulterende verbeteringen op de prestatie op te merken en verder te brengen in een proces dat een “evolutionair algoritme” heet, wordt stap voor stap naar een beter presterend netwerk gerekend. Dit lijkt een beetje op “natuurlijke evolutie”, en zo kan op een snelle en efficiënte manier een (grote) oplossingsruimte worden doorzocht. Wanneer het optimalisatieproces voltooid is kan de gebruiker de resultaten bekijken, vergelijkingen maken met het huidig ontwerp, en wegschrijven naar het gewenste formaat.
De tool is beschikbaar voor het doorrekenen van problemen door KWR.

Gondwana in de praktijk

Tussen 2015 en 2017 is Gondwana ingezet voor het inrichten van DMA’s, en het ontwerp van en transitie naar streefstructuren. De verkregen resultaten zijn veelbelovend:

  • Het indelen van leveringsgebieden in DMA’s geeft  inzicht in de afweging tussen het aantal benodigde volumestroommeters en de gevoeligheid van DMA’s om afwijkingen te detecteren. Op basis van deze informatie kunnen drinkwaterbedrijven onderbouwde beslissingen nemen over de DMA-indeling die het beste aansluiten bij hun eisen en verwachtingen.
  • Bij het ontwerp van streefstructuren blijkt dat de huidige bestaande leidingnetten significant te verkleinen zijn. Dit vertaalt zich in kostenbesparingen,  terwijl de prestatie in opzicht van leveringszekerheid en -druk worden verbeterd.
  • de transitie van de huidige structuren naar de optimale streefstructuren maakt de relatie tussen het aantal locaties met jaarlijkse werkzaamheden en de reductie van het aantal storingen of de verbetering van de hydraulische prestatie van het leidingnet inzichtelijk. Met deze informatie kunnen drinkwaterbedrijven beter onderbouwde keuzes maken.

Blik op de toekomst

In 2018 zal Gondwana worden doorontwikkeld om aspecten zoals onzekerheid in de watervraag en cyberaanvallen expliciet in aanmerking te nemen bij het ontwerp en operatie van een leidingnetwerk.

*Rossman, L. A. (2000). EPANET 2 Users Manual, U.S. Environtmental Protection Agency.
**A. L. Garrett, Inspyred 1.0 Documentation, https://pythonhosted.org/inspyred/overview.html, Jan. 2015.