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Dimensionierung eines Wasserleitungsnetzes mithilfe genetischer Algorithmen in Urbano Hydra und EPANET

18.03.2021.

Urbano Hydra verbindet das Zeichnen in AutoCAD (detaillierte Wasserleitungsnetz (WLN) Planung) mit der hydraulischen Berechnung in EPANET. Der EPANET Berechnungs-Kern ist in Urbano Hydra integriert. Mit dieser Funktion können Sie das Netzwerk in AutoCAD zeichnen, alle EPANET Parameter (wie Wasserbedarf, Rohrrauheit, Geräteparameter usw.) eingeben und eine hydraulische EPANET Einzelperiodenberechnung (Momentaufnahme) durchführen, ohne dass EPANET auf Ihrem Computer installiert ist. Alle Ergebnisse sind sofort in Ihrer vertrauten AutoCAD-Benutzeroberfläche verfügbar. In Urbano Hydra können Sie alle berechneten Werte mithilfe von Datentabellen überprüfen, alle Werte in Längsschnitten anzeigen und alle Elemente im Lageplan beschriften, piezometrische Linien zeichnen, thematische Karten zeichnen, verschiedene Berichte erstellen usw.

In EPANET ist es nicht möglich, ein WLN zu dimensionieren. Sie müssen zuerst die Rohrdurchmesser eingeben, und dann kann EPANET die hydraulischen Werte anhand dieser Rohrdurchmesser, der ausgewählten Druckverlustgleichung und anderer Eingabeparameter berechnen. In kleinen Baum-Netzwerken ist dies kein großes Problem, aber in großen Netzwerken, insbesondere Ring-Netzwerken, kann dies sehr zeitaufwändig sein und für WLN Planer ein ziemliches Problem darstellen. Urbano Hydra kann, mithilfe der EPANET Berechnung und genetischen Algorithmen, ein neues WLN dimensionieren oder ein vorhandenes WLN optimieren. Der Zweck des Algorithmus besteht darin, optimale Rohrdurchmesser basierend auf der Zielströmungsgeschwindigkeit im WLN zu bestimmen. Genetische Algorithmen beschleunigen und erleichtern das Erreichen der optimalen Lösung erheblich, da dies mit der Brute-Force-Methode (ausprobieren aller möglichen Fälle) tagelang dauern würde.

Der genetische Algorithmus ist eine Methode zur Lösung komplexer Probleme, die auf einem natürlichen Selektionsprozess basiert, der der biologischen Evolution ähnelt. Der Algorithmus modifiziert wiederholt eine Population einzelner WLN Lösungen. Bei jedem Schritt wählt der Algorithmus einzelne WLN Lösungen aus der vorherigen Generation aus und verwendet sie als „Eltern“, um die „Kinder“ Lösungen für die nächste Generation zu erstellen. Jede Generation enthält eine bestimmte Anzahl von WLN Lösungen. Die Population der neuen Generation wird unter Verwendung von WLN Lösungen der vorherigen Generation mit Methoden erzeugt, die Mutation, biologische Kreuzung und Selektion nachahmen. Die Bevölkerung „entwickelt“ sich aufgrund aufeinanderfolgender Generationen zu einer optimalen Lösung.

Damit der Algorithmus bessere Lösungen erkennen kann, berechnet das Programm für jede WLN Lösung den „Faktor der Tauglichkeit“. Der Tauglichkeit-Faktor repräsentiert die Abweichung von der Zielströmungsgeschwindigkeit. Ein niedrigerer Tauglichkeit-Faktor bedeutet, dass die Strömungsgeschwindigkeit näher am Zielwert liegt. Sie können das Programm so einstellen, dass Lösungen verworfen werden, bei denen die Strömungsgeschwindigkeit mehr als einen bestimmten Wert von der Zielgeschwindigkeit abweicht. Im ersten Schritt generiert das Programm Lösungen, indem es Rohrdurchmesser zufällig zuweist. In späteren Schritten wählt das Programm Lösungen mit besserem Tauglichkeit-Faktor. Der Generationsprozess wird wiederholt, bis die Bedingung für Beendigung (Konvergenz) erreicht ist.

Genau wie in EPANET können Sie zwischen drei Druckverlust Gleichungen wählen: Hazen-Williams, Darcy-Weisbach und Chezy-Manning. Sie können jedoch auch auswählen, welches Wasserbedarfsszenario für die Berechnung relevant ist (in Urbano Hydra können Sie verschiedene parallele Wasserbedarfsszenarien (Alternativen) haben, und diese Szenarien können gleichzeitig in Datentabellen angezeigt und verglichen werden – z. B. Winter- und Sommerszenario oder Szenario mit und ohne Brandbekämpfungsbedarf usw.). Dies wird ein Thema eines anderen Artikels sein.

Sie können für verschiedene Teile des Netzwerks unterschiedliche Werte für Zielströmungsgeschwindigkeit und für Rohrdurchmesser bestimmen. Da der gesamte Prozess iterativ ist, zeigt Ihnen die grafische Darstellung den Berechnungsfortschritt und das Auftreten von Konvergenz. Gleichzeitig können Sie eine Vorschau aller Werte (Rohrdurchmesser und resultierende Fließgeschwindigkeiten, Druckverluste usw.) in bearbeitbaren Datentabellen für das gesamte Netzwerk oder nur für die ausgewählten Teile anzeigen. Nach Abschluss der Berechnung können Sie alle zugewiesenen Rohrdurchmesser und Ergebnisse der hydraulischen Berechnung überprüfen. Wenn Sie die Ergebnisse speichern, schreibt das Programm automatisch alle Werte in die Zeichnung, zeichnet piezometrische Linien in Längsschnitten und aktualisiert Beschriftungen im Lageplan. Weitere Informationen finden Sie im Video unten:

Urbano Hydra arbeitet mit Autodesk AutoCAD, Map3D und Civil3D 2013-2018.

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