Flow and Thermal Technology (Council of Physical Sciences)
65 %
Ortelius classification: Thermal engineering
Power Engineering (Council of Physical Sciences)
20 %
Ortelius classification: Energy conservation technologies for industry
Mathematics (Council of Physical Sciences)
15 %
Ortelius classification: Computational models
Panel
Engineering, Metallurgy, Architecture and Transport Sciences
Department or equivalent
Department of Hydrodinamic Systems (Budapest University of Technology and Economics)
Participants
Bárdossy, Gergely Bene, József Gergely Csizmadia, Péter Hajgató, Gergely Hegedűs, Ferenc Pandula, Zoltán Till, Sára Varga, Roxána Závodszky, Gábor
Starting date
2013-01-01
Closing date
2016-12-31
Funding (in million HUF)
15.114
FTE (full time equivalent)
3.19
state
closed project
Summary in Hungarian
A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára. Nagyméretű csőhálózatok tervezése és üzemeltetése során számos olyan kérdés merül fel, melynek pontos megválaszolásához egy megbízható, gyors hidraulikai szimulátorra és egy robusztus optimalizációs szoftverre van szükség. Ilyen kérdés például az optimális tervezés (pl. optimális csőátmérő vagy nyomvonal), a mérési pontok optimális elosztása egy hálózaton vagy az energiahatékony szivattyú menetrendek előállítása.
Bár manapság akár a kereskedelmi forgalomban is kaphatók ilyen szimulátorok, nagyméretű hálózatok (több száz, esetleg ezer cső) esetén a számítás lassúsága miatt csak nehézkesen ágyazhatók be optimalizációs környezetbe (ill. gyakran konvergenciaproblémák is jelentkeznek). A kutatás egyik célja olyan numerikus matematikai módszerek kidolgozása, mely lehetővé teszi az ilyen számítások jelentős felgyorsítását.
Ezzel a szimulátorral a kezünkben megnyílik a lehetőség a fent vázolt optimalizációs problémák elfogadható időn belüli megoldásához. Ehhez természetesen megfelelő optimalizációs algoritmust is fejleszteni kell, ami valószínűleg egy specializált genetikus algoritmus lesz.
Mi a kutatás alapkérdése? Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek. Mely modern numerikus matematikai módszerek és algoritmusok alkalmazásával válik lehetővé nagyméretű hidraulikai hálózatok optimális tervezése, energiahatékony üzemeltetése és optimális monitorozása?
Mi a kutatás jelentősége? Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának! Az alapkutatás szempontjából feladat-specifikus optimalizációs algoritmusokat (tanuló fuzzy algoritmus, genetikus algoritmusok) fejlesztünk, melyek alapötletei nagy valószínűséggel más területek is alkalmazhatók.
A projekt során olyan módszereket dolgozunk ki, melynek alkalmazásával pl. egy vízi közműhálózat vagy egy nagyméretű ipari csőrendszer (pl. vagyipar, olajipar) üzembiztonsága jelentősen javítható, energiafelhasználása pedig csökkenthető.
A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média, illetve az érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára. A mindennapi életünket – jobbára észrevétlenül – behálózzák a hidraulikai rendszerek. Ilyen rendszerek szolgáltatják az ivóvizet és szállítják el a szennyvizet, az olajat, az élelmiszeriparban és a gyógyszeriparban is ilyen létesítmények működnek.
Ezen nagy rendszerek tervezése, felügyelete és működtetése komoly felkészültséget és kihívást követel a mérnököktől, egyrészről méretük, másrészről a bennük lezajlódó folyamatok bonyolultsága miatt. A kutatás során olyan módszereket dolgozunk ki, mely egyrészről – számítógépes szimuláció és tanuló algoritmusok segítségével – átláthatóbbá teszik ezen hatalmas rendszerek vizsgálatát, másrészről lehetőséget adnak a racionálisabb – kisebb energiafelhasználású – működtetésükre.
Summary
Summary of the research and its aims for experts Describe the major aims of the research for experts. The design and maintenance of large-scale hydraulic systems raises several questions, whose accurate analysis requires a reliable, fast hydraulic simulation tool and a robust optimization software. Such questions are e.g. optimal design (pipe diameter or layout), optimal layout of measurement points or least-energy pump scheduling computation.
Although such simulation softwares are commercially available, in the case of large systems (a few thousands of pipes) these are cumbersome to embed into optimization algorithms as they are slow and also convergence problems might occur. The aim of the research is to develop such numerical mathematical techniques that are suitable for such purposes.
Such a simulation tool allows us to solve the above mentioned optimization problems within reasonable time. Moreover, the optimization tool also needs task-specific algorithms, which will most likely be based on genetic algorithms.
What is the major research question? Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments. Which up-to-date algorithms of numerical mathematics are suitable to cope with the optimal design, optimal monitoring and pump schedule computation of large-scale hydraulic networks?
What is the significance of the research? Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field. From the scientific point of view, we will develop problem-specific optimization techniques (hybrid fuzzy algorithms and genetic algorithms), whose key ideas are likely to be usable in other fields.
From the practical point of view, the developed algorithms allow the engineers running such systems (water distribution systems, sewage systems, oil pipeline systems) to improve safety and reduce energy consumption.
Summary and aims of the research for the public Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others. Our everyday life (mostly unperceived) is covered by pipeline systems. Such systems provide drinking water, wastewater transport or oil, food and pharmacy industry cannot exist without pipeline systems.
The design, monitoring and maintenance of these huge systems pose a significant challenge for engineers, due to the complicated processes and their size. The research aims to develop such mathematical tools that allow more transparent analysis of these improving both safety and energy efficiency.
Final report
Results in Hungarian
A kutatás eredményeképpen olyan eszközöket hoztunk létre, melyek jól használhatók vízi közmű hálózatok tervezése, üzemeltetése és fejlesztése során. Lehetővé teszik a lakossági és ipari fogyasztás rövidtávú, pontos becslését és ebből kiindulva minimális energiafelhasználású szivattyúüzemeltetési stratégiák kialakítását. Megkönnyítik a mérési pontok kijelölését ezen nagyméretű, hurkolt hálózatokon és ezen keresztül hozzájárulnak a biztonságosabb üzemeltetéshez. Jelentős lépéseket tettünk ezen hálózatok minőségi vizsgálata (pl. hidraulikailag izolált vagy nehezen hozzáférhető területek felderítése) tekintetében. Matematikai módszereket fejlesztettünk ki a hálózat nagy érzékenységű területeinek (pl. ahol egy csőtörés kritikus vízhiányt okozhat) lokalizálásra. Egy olyan szabadon hozzáérhető hálózatszimulációs programot fejlesztettünk ki, mely mind oktatásban, mind kutatásban, mind ipari alkalmazásban hasznosítható.
Results in English
With the help of the project we developed computational tools that are suitable for improving the design process, maintenance and expansion of water distribution systems (WDS). Our demand forecast technique allows the accurate short-term prediction of industrial and residential water demand that can be used as an input for pump schedule optimization (finding minimum-energy pumping strategies). We provided a technique for locating optimal sampling points for large-scale looped networks which also contributes to the safe operation of these systems. We made a significant step towards the qualitative analysis of WDSs, e.g. in finding the hydraulically isolated or hardly accessible partitions of the network. Mathematical techniques were developed to identify the regions with large sensitivity, i.e. were a pipe burst might end up in critical lack of water. Moreover, we developed a freely available graphical software tool that can be used in teaching, research and industrial applications.
J G Bene, I Selek, Cs Hős: Comparison of deterministic and heuristic optimization solvers for water network scheduling problems, WATER SCI TECHNOL 13: (5) 1367-1376, 2013
Bene József, Bóka Dávid, Hős Csaba, Roxána Varga: A simple forecast technique for estimating the statistical characteristics of water consumptions, WATER SCI TECHNOL 14: (4) 593-600, 2014
Hős Csaba, Vér Gábor: Fogyasztás-előrejelzés bizonytalanság hatása az optimális szivattyúmenetrendekre, www.hds.bme.hu, 2015
Klapcsik K, Hős Cs J: Optimal Pressure Measurement Layout Planning in Real-Life Water Distribution Systems, In: Maryna Feierabend, Jakub Drewnowski, Patryk Wójtowicz (szerk.) (szerk.) Leaving the Ivory Tower: Bridging the Gap between Academia, Industry, Services and Public Sector. Wrocław: Oficyna Wydawnicza Politechniki Wroclawskiej, 2016. pp. 89-90., 2016
Klapcsik Kálmán, Hős Csaba: Optimális nyomásmérő helyek meghatározása városi vízhálózatokban, In: Dr Csibi Vencel-József (szerk.) (szerk.) OGÉT 2016: XXIV. Nemzetközi Gépészeti Találkozó = 24th International Conference on Mechanical Enginering. Déva, Románia, 2016.04.21-2016.04.24. Kiadvány: Kolozsvár: Erdélyi Magyar Műszaki Tudományos Társaság (EMT), 2016. pp. 250-253., 2016
Varga R, Hős Cs: Using Community Structure Concept for Partitioning Hydraulic Systems, In: Maryna Feierabend, Jakub Drewnowski, Patryk Wójtowicz (szerk.) (szerk.) Leaving the Ivory Tower: Bridging the Gap between Academia, Industry, Services and Public Sector. Wrocław: Oficyna Wydawnicza Politechniki Wroclawskiej, 2016. pp. 127-128., 2016
Varga Roxána, Hős Csaba: Vízhálózatok diszjunkt felbontása gráfelméleti módszerrel, In: Dr Csibi Vencel-József (szerk.) (szerk.) OGÉT 2016: XXIV. Nemzetközi Gépészeti Találkozó = 24th International Conference on Mechanical Enginering. Déva, Románia, 2016.04.21-2016.04.24. Kiadvány: Kolozsvár: Erdélyi Magyar Műszaki Tudományos Társaság (EMT), 2016. pp. 467-470., 2016
