DECISION SUPPORT SYSTEMS FOR WATER SUPPLY SYSTEMS. SMART WATER SYSTEM TO IMPROVE THE OPERATION OF WATER SUPPLY SYSTEMS BY USING APPLIED MATHEMATICS

Operating water supply systems is complex. Engineers must ensure that consumers are reliably supplied with a sufficient quantity and quality of water, as well as a sufficient water pressure at all times – all while maintaining reasonable prices. This book summarizes the results of the German BMBF (Federal Ministry of Education and Research) funded joint research project, EWave (Project ID: 02WER1323F), that was initiated to develop an innovative Decision Support System (DSS) for water supply companies. For decision making and operational support, the EWave system uses newly developed integrated optimization modules. As a result, the user receives operating schedules on a 15 minute scale. To achieve this, mixed-integer linear and nonlinear mathematical optimization methods are combined. First, a mixed-integer optimization model is solved in order to derive all discrete decisions (primarily pump schedules). The aim is to approximate the physics by piecewise linear relaxations sufficiently to optimize decisions. EWave then uses nonlinear optimization and simulation methods to verify the physics. The process is iterated as necessary. This approach enables globally optimal solutions within an a priori given quality tolerance.

Optimization results obtained in real time yield a potential of energy savings of up to 4–6% daily for the waterworks in the pilot area.

This book was written for automation experts in water supply companies as well as mathematicians who work for infrastructure companies.

El funcionamiento de los sistemas de suministro de agua es complejo. Los ingenieros deben asegurarse de que los consumidores reciban de manera confiable una cantidad y calidad de agua suficiente, así como una presión de agua suficiente en todo momento, todo ello manteniendo precios razonables. Este libro resume los resultados del proyecto de investigación conjunta financiado por el BMBF (Ministerio Federal de Educación e Investigación) alemán, EWave (ID del proyecto: 02WER1323F), que se inició para desarrollar un innovador Sistema de apoyo a la toma de decisiones (DSS) para las empresas de suministro de agua. Para la toma de decisiones y el apoyo operativo, el sistema EWave utiliza módulos de optimización integrados recientemente desarrollados. Como resultado, el usuario recibe horarios de funcionamiento en una escala de 15 minutos. Para lograr esto, se combinan métodos de optimización matemática lineal y no lineal de enteros mixtos. Primero, Se resuelve un modelo de optimización de enteros mixtos para derivar todas las decisiones discretas (principalmente programas de bombeo). El objetivo es aproximar la física mediante relajaciones lineales por partes lo suficiente como para optimizar las decisiones. Luego, EWave utiliza métodos de simulación y optimización no lineales para verificar la física. El proceso se repite según sea necesario. Este enfoque permite soluciones óptimas a nivel mundial dentro de una tolerancia de calidad dada a priori.

Los resultados de optimización obtenidos en tiempo real producen un potencial de ahorro de energía de hasta un 4–6% diario para las obras hidráulicas en el área piloto.

Este libro fue escrito para expertos en automatización de empresas de suministro de agua, así como para matemáticos que trabajan para empresas de infraestructura.