مدل شبيه‌سازي- بهينه‌سازي براي مديريت مناسب امنيت شبكه‌هاي توزيع آب شهري

A simulation-optimization model for proper safety management in urban water distribution systems

امنيت آب از مسايل مهمي است كه مي‌تواند در پي تزريق يك آلاينده سمي در آب شرب يك شهر به‌عنوان نمونه در پي يك حمله تروريستي به خطر افتد. در صورتي‌ كه كه شبكه فاقد يك مديريت مناسب امنيت باشد، آسيب‌ديدگان چنين حادثه‌اي مي‌تواند تمام جمعيت يك شهر باشند. در مطالعات پدافند غيرعامل، اولين گام در هر سامانه هشدار و كنترل آلودگي تشخيص سريع منبع آلودگي است. در اين راستا، از مشاهد‌ه‌هاي پايش براي تشخيص منبع آلودگي استفاده مي‌شود. تعيين تعداد بهينه نقطه‌هاي پايش لازم و بهترين چيدمان آن‌ها از مسايل پيچيده‌اي است كه به نقطه‌هاي پتانسيل تزريق آلودگي عمدي، مقدار و خصوصيات آلاينده تزريقي وابسته است. بهترين سامانه پايش، سامانه‌اي است كه در آن اول نقطه‌ها لازم براي پايش شبكه، دوم جمعيت تحت تاثير در لحظه تشخيص و سوم تعداد حالت‌هاي عدم تشخيص، به‌ طور همزمان كمينه شوند. در اين پژوهش براي تعيين منحني تبادل بين هدف‌ها متضاد مذكور، الگوريتم تكاملي چند هدفه سريع NSGA-II با مدل شبيه‌ساز EPANET تلفيق شده و از تحليل مونت كارلو در لحاظ عدم قطعيت‌ها در تزريق آلودگي استفاده شده است. همچنين در تعيين نقطه تعادل منحني تبادل به دست آمده، از مدل رفع اختلاف نش به كار گرفته شده است. براي نشان‌دادن كارايي و توانايي روش پيشنهادي، شبكه آب شهر لامِرد شبيه‌سازي شده و بهترين نقطه‌هاي پايش براي اين شهر تعيين شده است.

Water security is a vital issue that may threat by contaminating drinking water of a city, for example through a terrorist attack. In the absence of a proper managing safety in water distribution system, the number of victims of such terrorist attack can reach to whole of city population. In a passive defense approach, the first step for any integrated public alert system and contaminant controlling is rapid detection of contaminant source. Observations from a set of monitoring points are used to detect the contaminant source. The optimal number of required monitoring points and their pattern is a challenging task that closely depends on the potential injection points, the amount and characteristics of injected pollution. The best monitoring system corresponds to the pattern that minimizes (a) the required number of monitoring points, (b) the affected population at detection instant, and (c) the undetected cases. In this study, the fast multi-objective evolutionary algorithm, NSGA-II, is coupled with the simulation model, EPANET, to find a trade-off curve among the conflicting objectives. Monte Carlo simulation is used to incorporate uncertainties in injected pollution. The Nash bargaining solution is utilized to find the equilibrium point of the obtained trade-off curve. In order to demonstrate the efficiency and capabilities of the proposed methodology, the water distribution network of Lamerd City is modeled and the best monitoring points are determined.