Multi-criteria decision analysis for water distribution networks optimization

Due to the increasing demand of water, aggravated by limited availability of the hydric resource in some areas, there is a need to guarantee the maximum efficiency of hydraulic structures. Thus, this study aims to provide a methodology that can synthesize the network’s performance capabilities under the change in water demand scenario and pipes failure, providing the tools that can help engineers and decision-makers to evaluate the hydraulic performance of a system in a way to facilitate decisions. First, we use the GALAXY multi-objective evolutionary algorithm (MOEA) for the optimal design of three increasing-complexity benchmark networks (Two-loop, Hanoi and Balerma Irrigation). The algorithm solves a two-objective problem for least cost design and maximum resilience, leading to the construction of a set of solutions representing the optimal trade-off between the two objectives. The solutions are then compared with the BKPF (Best Known Pareto Front, Wang, et al. 2015) to obtain three Pareto Fronts to use for the subsequent simulations. The algorithm GALAXY is used simultaneously with the hydraulic simulator EPANET, to predict water distribution system behaviour and to verify the fulfilment of constraints. Two different approach are then performed and compared to evaluate the goodness of the solutions to face future changes, the first consists on an analysis of scenario simulations and the second is the application of a multi-criteria decision analysis (MCDA). For the former, we consider some solutions belonging to the fronts to test their behaviour under different water demand scenarios and layout configurations. To quantify how much a solution optimized for a given water demand scenario and layout can be sensitive to performance changes and deterioration over time, Performance Indices (PIs) of the modified layouts are computed and compared with the ones obtained for the optimised networks. The results produced are very detailed and mostly suitable for identifying local weaknesses. On the other end, the MCDA (TOPSIS method) provides a rank of the solutions with respect to criteria weights in a more direct way. From this application it emerges the sensitivity of the method with respect to the criteria chosen and their relative weight, so it needs a particular attention.

A causa del continuo aumento della richiesta d’acqua, aggravato in alcune zone dalla sua limitata disponibilità, è sempre maggiore la necessità di garantire una corretta gestione della risorsa idrica. Tra le innumerevoli misure volte ad un corretto utilizzo dell’acqua, questo lavoro si concentra sul tema della massima efficienza delle infrastrutture idrauliche. Premesso ciò, lo scopo del seguente elaborato è quello di fornire un approccio metodologico in grado di sintetizzare il comportamento delle reti di distribuzione al variare delle loro condizioni di funzionamento, che possa quindi supportare ingegneri e decision-maker nelle scelte progettuali. Il primo passo nella progettazione di una rete è quello di garantire una configurazione che ottimizzi degli obiettivi imposti. Ci serviremo, quindi, di tre reti benchmark di complessità crescente (la Two-Loop, la Hanoi e la Balerma Irrigation) per applicare l’algoritmo di ottimizzazione GALAXY, con lo scopo di minimizzare il costo e massimizzare i benefici. Dall’applicazione dell’algoritmo ai casi in esame, si ottengono delle soluzioni che verranno confrontate con i fronti di Pareto noti in letteratura (Wang, et al. 2015), in modo tale da ottenere i tre fronti paretiani da utilizzare per le successive simulazioni. Il problema dell’ottimizzazione è un problema soggetto al rispetto di alcuni vincoli, pertanto l’ottimizzatore GALAXY verrà simultaneamente interfacciato con il software idraulico EPANET, per la verifica dell’adempimento dei vincoli. Per fornire una valutazione della bontà delle soluzioni a fronteggiare modifiche future, utilizzeremo due metodi, il primo basato sulla simulazione di alcuni scenari di funzionamento e il secondo su un’analisi di scelta multi-criterio. Per la prima analisi, selezioniamo alcune soluzioni appartenenti ai tre fronti precedentemente ricavati su cui imporre delle modifiche sul loro funzionamento, sia in termini idraulici che meccanici. Le loro prestazioni verranno quindi confrontate con quelle delle reti ottimali per mezzo di indici di prestazione (PIs). L’analisi produce dei risultati molto dettagliati che ben si prestano ad evidenziare eventuali anomalie locali, possono però risultare meno utili per valutare tendenze di comportamento globali. Infine, viene fornita un’applicazione del metodo di scelta multi-criterio, in particolare del metodo TOPSIS, ottenendo un ordine preferenziale tra le diverse soluzioni analizzate. Il metodo si presenta più compatto e immediato, richiedendo però un’attenzione particolare alla tipologia di metodo utilizzata e alla scelta dei criteri e del relativo peso.