Zastosowanie perceptronu wielowarstwowego do obliczeń strat ciśnienia w przewodach wodociągowych

Andrzej Czapczuk*, Jacek Dawidowicz**, Jacek Piekarski***
*F.B.I. TASBUD a Joint-Stock Company; **Bialystok University of Technology; ***Koszalin University of Technology

Streszczenie
Metody numeryczne stosuje się powszechnie od wielu lat w projektowaniu i eksploatacji systemów zaopatrzenia w wodę. Specjalistyczne programy komputerowe oferują coraz więcej udogodnień, szczególnie w zakresie wprowadzania danych oraz przeglądania wyników, lecz nadal funkcjonują na podstawie z góry określonych algorytmów. Obecnie dąży się jednak do stworzenia programów obliczeniowych, które będzie charakteryzować pewien stopień kreatywności, co powinno ułatwić użytkownikom podejmowanie decyzji na różnych etapach realizacji zadania i poprawić jakość rozwiązań. Zwiększająca się moc obliczeniowa komputerów samoistnie nie rozwiąże złożonych problemów. Dopiero wprowadzanie odpowiednich metod obliczeniowych, pozwala uzyskać właściwe efekty. Wydaje się, że klasyczne algorytmy o sformalizowanym przebiegu, można obecnie uzupełnić znacznie bardziej zaawansowanymi technikami obliczeniowymi. W niniejszej pracy dokonano przeglądu literatury w zakresie zastosowania sztucznych sieci neuronowych w projektowaniu systemów dystrybucji wody. W drugiej części artykułu zamieszczono omówienie sztucznej sieci neuronowej do obliczeń strat ciśnienia w przewodach wodociągowych. W wyniku obliczeń hydraulicznych przewodów wodociągowych za pomocą programu EPANET dla różnych wartości parametrów wejściowych uzyskano zbiór 16260 przykładów uczących. Parametry wejściowe sieci neuronowej to długość przewodu, przepływ miarodajny, współczynnik chropowatości bezwzględnej oraz średnica nominalna. Uzyskano bardzo wysoką zgodność pomiędzy wynikami obliczeń strat ciśnienia z programu EPANET i perceptronu wielowarstwowego z jedną warstwą ukrytą.

Słowa kluczowe
systemy dystrybucji wody, sztuczna inteligencja, systemy ekspertowe, sztuczne sieci neuronowe, metody heurystyczne, obliczenia strat ciśnienia

Application of Multilayer Perceptron for the Calculation of Pressure Losses in Water Supply Lines

Abstract
Numerical methods have been widely used for many years in the design and operation of water supply systems. Specialised computer programmes offer more and more facilities, especially for data entry and viewing, but they still function on the basis of predetermined algorithms. At present, however, we strive to create computational programmes with a certain degree of creativity, which should make it easier for users to make decisions at various stages of the task and improve the quality of their solutions. The increasing power of computers will not solve complex problems alone. Only by introducing appropriate calculation methods can we obtain the right results. It seems that classical algorithms with a formalised course can be supplemented, nowadays, with far more advanced computational techniques. This paper presents an literature review on the use of artificial neural networks in the design and operation of water distribution systems. Presented in the second part of the paper, is an overview of the artificial neural network, developed for the calculation of pressure losses in water supply lines. The calculation of hydraulic piping with the EPANET programme for various input parameters resulted in a collection of 16,260 training examples. Input parameters of the neural network include pipe length, measurable flow, absolute roughness coefficient and the nominal diameter. Very high compatibility was obtained between the calculation results for those pressure losses obtained from the EPANET programme and those obtained from the multi-layered perceptron with one hidden layer.

Keywords 
water distribution systems, artificial intelligence, expert systems, artificial neuronal networks, heuristic methods, calculation of pressure losses

Pełny tekst / Full text
PDF (English)

Rocznik Ochrona Środowiska

Rocznik Ochrona Środowiska (Annual Set The Environmental Protection, ROS) (e-ISSN 2720-7501, ISSN 1506-218X) publishes original research articles and review papers in the broad fields of environmental engineering and environmental protection. The journal welcomes manuscripts on technologies, processes, and equipment used in water treatment, wastewater treatment, air pollution control, waste treatment, thermal waste processing, resource recovery, and waste utilization. Its scope also includes sanitary and environmental systems, environmental law and policy, environmental education, public and environmental health, sustainable development, the circular economy, and the protection of the human environment.

Rocznik Ochrona Środowiska (Annual Set The Environment Protection) is an open access journal with all content available with no charge in full text version. ROS is listed on the Journal Ranking List of Polish Ministry of Science and Education. It is also indexed by: Journal Rankings of Environmental Science, BazTech, ICI Journals Master List / ICI World of Journals, Scopus, ISI Web of Science (WoS), PBN/POL-Index.

Assigned scientific disciplines

architecture and urban planning; civil engineering, geodesy and transport; material engineering; environmental engineering, mining and energy; health sciences; forestry sciences; agriculture and gardening; zootechnics and fishing; socio-economical geography and spatial management; safety and reliability sciences; management and quality sciences; biological sciences.