Métodos heurísticos

Os métodos heurísticos são subdivididos em três métodos principais: algoritmos genéticos, metodologia fuzzy e otimização heurística. Nos parágrafos seguintes serão descritos cada um destes métodos e respetivos trabalhos elaborados sobre os mesmos.

2.3.4.1 Algoritmos genéticos

Goldberg & Kuo, (1987) elaboraram um estudo sobre a potencialidade dos algoritmos genéticos aplicados ao nível da Engenharia Civil, analisando os mecanismos, as potencialidades e aplicações destes na otimização de sistemas de abastecimento de água. Os algoritmos genéticos têm maior capacidade em relação a outras metodologias devido à capacidade destes tratarem problemas mais complexos e com elevada envergadura. Os autores indicam como vantagem da utilização de algoritmos genéticos os seguintes fatores: grande aplicação em várias áreas da engenharia, são robustos mas muito eficientes, para a procura de soluções alternativas estes utilizam regras probabilísticas e não determinísticas como os outros modelos, tem uma visão mais global em relação a outras metodologias, entre outras. Righetto (2002) propôs a utilização de algoritmos genéticos para a otimização de regras operacionais em sistemas de abastecimento de água, composto por reservatórios, válvulas, estações de bombagem e rede de distribuição. O modelo computacional é subdividido em dois modelos, o modelo hidráulico e o modelo de otimização. O modelo hidráulico é baseado nas características para escoamentos transitórios e o modelo de otimização é baseado em algoritmos genéticos. O autor adotou índices que foram usados para avaliar a performance das regras operacionais ao longo de 24 horas de funcionamento do sistema tais como, índice de consumo de energia, índice de nível de água no reservatório, índice referente aos consumos de água por parte das populações, índice de pressão média e índice de mudanças operacionais. O autor concluiu que o modelo é bastante flexível para incorporar as diversas características desejáveis à operação do sistema o que o torna bastante útil para a determinação das regras operacionais desejáveis para um sistema de abastecimento de água real.

Boulos, et al., (2001) apresentaram um artigo usando um modelo de gestão ( Scheduler), para um correto controlo e operação dos sistemas de distribuição de água. O modelo proposto faz uso dos mais recentes avanços na otimização de sistemas de abastecimento de água recorrendo a algoritmos genéticos, tendo como finalidade exercer uma politica de programação e operação, para haver uma otimização automática como o menor custo por bomba, satisfazendo os requisitos hidráulicos da rede de abastecimento. A política de operação das bombas incluiu as regras temporais e operacionais que indicam quando uma bomba deverá ser ligada e desligada durante um determinado período. Foram também definidos determinados requisitos fundamentais ao sistema tais como, limites superiores e inferiores de pressão, máximos volumes a bombar, níveis máximos e mínimos nos reservatórios da rede e volumes finais ao fim de um determinado período de tempo. Através da análise de resultados, os autores concluir que o modelo em questão era bastante para a otimização de órgãos de bombagem e reservatórios e melhorar a eficiência operacional do sistema.

Sousa, et al., (2008) estudaram um modelo computacional integrado, desenvolvido para avaliar o desempenho técnico e para proceder a uma otimização operacional dos sistemas, constituído por três módulos: um primeiro módulo de simulação hidráulica que descreve o comportamento hidráulico do sistema com recurso à ferramenta EPANET, um segundo módulo de avaliação do desempenho técnico do sistema nas vertentes técnica e hidráulica, fiabilidade, perdas e custos de energia e um terceiro módulo de otimização baseado em algoritmos genéticos que, nas vertentes de otimização simples e multiobjectivo, permite minimizar o custo de energia. O modelo foi aplicado a um sistema de distribuição real, o subsistema da Fonte Santa, integrado no Sistema de Abastecimento de Água da Amadora. A aplicação do modelo permitiu analisar três cenários de funcionamento distintos: o cenário atual de funcionamento e dois cenários alternativos. O cenário alternativo nº1, consiste na definição de um esquema de bombagem ótimo para a central sobrepressora de Moinhos da Funcheira, de forma a minimizar os custos energéticos. O cenário alternativo nº2, corresponde também à solução de custo mínimo de bombagem, mas com a implementação de medidas complementares para o controlo e gestão de pressões. Os resultados obtidos permitiram concluir que o cenário alternativo nº2 permite não só melhorar o desempenho do sistema em termos de perdas de água e de pressões relativamente à situação atual de funcionamento, como também reduzir os encargos de exploração. O investimento inicial inerente a este

cenário, que consiste na introdução de 3 válvulas redutoras de pressão e de uma sobrepressora, é recuperado ao fim de 4 anos.

Sousa, et al., (2009) elaboraram um estudo com o objectivo de analisar e otimizar estratégias de gestão e operação de sistemas de abastecimento de água. Para o efeito, desenvolveu-se um modelo computacional integrado para avaliação de desempenho e otimização operacional dos sistemas, constituído por três módulos: um módulo de simulação hidráulica, um módulo de avaliação de desempenho e um módulo de otimização baseado em algoritmos genéticos. O modelo desenvolvido foi aplicado a um subsistema de um sistema adutor real, o subsistema da Póvoa de Varzim e Vila do Conde, integrado no Sistema Multimunicipal de Abastecimento de Água do Baixo Cávado e Ave. No presente trabalho, os objetivos da otimização consistem na minimização dos custos de energia e na maximização da fiabilidade hidráulica do sistema quantificada através da capacidade de reserva disponível nos reservatórios. Logo, numa primeira fase o problema de otimização é tratado como otimização simples, em que o único objetivo consiste apenas na minimização dos custos de energia no sistema. Numa segunda fase, o problema de otimização é encarado numa perspetiva multicritério em que se consideram dois objetivos conflituosos entre si: minimização dos custos de energia e maximização de fiabilidade hidráulica em termos de volume de reserva disponível. Os resultados obtidos permitiram concluir que a definição de esquemas de bombagem otimizados para além de reduzir os custos de bombagem em cerca de 6 a 8%, permite aumentar a fiabilidade hidráulica do sistema estudado, em termos de volume de reserva disponível.

2.3.4.2 Modelo fuzzy

Zidko & Ramos, (2009) apresentaram um estudo em que analisaram vários fatores associados à vulnerabilidade das infraestruturas de abastecimento, bem como o desenvolvimento de uma metodologia para um planeamento da manutenção preventiva e de emergência, através da aplicação da lógica fuzzy. Para o efeito, analisaram-se vulnerabilidades da rede hidráulica tendo em conta as propriedades físicas e o seu comportamento dinâmico, devido à variação dos consumos e da atuação de equipamentos hidromecânicos existentes no sistema. No presente estudo desenvolveu-se um método de análise de vulnerabilidades que considera, para além de variáveis estáticas tais como, a idade, o tipo e as dimensões das condutas e acessórios, e as variáveis relativas ao funcionamento de um sistema de abastecimento, tais

como variações da pressão de serviço e da velocidade de escoamento, sendo estas variações induzidas por órgãos de bombagem e diversos tipos de válvulas. Para a classificação da vulnerabilidade, está é feita tendo em conta as características intrínsecas dos componentes do sistema. O modelo de hierarquia fuzzy tem por objetivo a geração de resultados lógicos a partir da utilização simultânea de variáveis tanto qualitativas, como quantitativas. Através deste modelo é possível avaliar o nível de satisfação de um conjunto de atributos exigidos a um determinado projeto. O nível de satisfação, por sua vez, é medido com base na comparação da importância de cada atributo para o projeto e a disponibilidade deste atributo para cada característica relativa tanto à propriedade estrutural, como ao funcionamento do sistema. Os autores concluíram de um modo geral que o modelo de hierarquia fuzzy, desenvolvido neste trabalho de investigação permite a identificação de zonas do sistema que apresentam maiores índices de vulnerabilidade, bem como a identificação de possíveis problemas associados aos diferentes atributos considerados tais como, diâmetro, comprimento, tipo de material, pressão de serviço, velocidade de escoamento e idade do material.

2.3.4.3 Otimização heurística

Esta metodologia permite proceder à otimização operacional de um sistema de abastecimento de água, baseada em variáveis tais como custos ou a performance de elementos do sistema hidráulico, em diferentes pontos do mesmo. No entanto, este tipo de otimização não permite que se proceda a um estudo, com um comportamento dinâmico em sistemas de abastecimento de água.

Nitivattananon, et al., (1996) desenvolveram um modelo de otimização para a programação de órgãos de bombagem em tempo real para um sistema de abastecimento de água complexo, considerando as principais restrições ao mesmo, custos energéticos, caudais a fornecer e limitações físicas. O modelo decompõe-se em vários subsistemas, quer no tempo quer no espaço. A otimização é obtida através de um modelo de programação dinâmica sendo as descargas das bombas organizadas através de métodos heurísticos, com o objetivo de reduzir o número de bombas a trabalhar em simultâneo. A aplicação do modelo é feita para a cidade de Pittsburgh, recorrendo à simulação da sua rede abastecimento de água. Para implementar o modelo no planeamento de decisões operacionais, foi também utilizado um software

juntamente com o modelo. Os autores concluíram através da análise de resultados, que em um ano de teste uma solução ideal poderia proporcionar uma economia de cerca de 20%.