Software und Datensätze
Wasserverteilungsnetze (WDN) sind für das menschliche Wohlergehen und auch für das Funktionieren der modernen Gesellschaft von entscheidender Bedeutung. Daher gehören sie zu den kritischen Infrastrukturen, die besonders stark geschützt sind. Statt die Graphen im euklidischen Raum zu erstellen, wird eine anonymisierte Graphenzeichnung durch zwangsgesteuerte Platzierung verwendet, die darauf abzielt, die Kantenlängen zu vereinheitlichen und gleichzeitig die Kantenkreuzungen zu minimieren. Die Hydraulik der realen WDNs bleibt bei diesem Verfahren jedoch vollständig erhalten
Einige Merkmale einer kleinen Fallstudie:
- Ein-Quellen-System
- Auslegungsbedarf von 22,5 L/s
- 241 Knotenpunkte
- 268 Rohre
- Pmin: 30m
Einige Merkmale der großen Fallstudie:
- System mit einer Quelle
- Auslegungsbedarf von 1.131,78 L/s
- 3.557 Knotenpunkte
- 4.021 Rohre
- Pmin: 30m
Sitzenfrei, R.; Hajibabaei, M.; Hesarkazzazi, S.; Diao, K.; (2023): Duale Graphencharakteristik von Wasserverteilungsnetzen - wie optimal sind Entwurfslösungen. In: Complex and Intelligent Systems. 9, 147 -160. https://doi.org/10.1007/s40747-022-00797-4
virtRome ist eine halbvirtuelle Fallstudie für Benchmarking- und Forschungszwecke. Die Topographie und die räumliche Lage der Leitungen basieren auf den realen Daten von Rom. Das Netzlayout wird mit dem Tool DynaVIBe-Web erstellt, das eine Epanet-Eingabedatei bereitstellt.
Einige Merkmale von virtRome:
- Vier Quellen
- Auslegungsbedarf von 6.000 l/s
- 150.630 Knoten
- 157.044 Rohre
- Pmin: 10m
- aktuelles Least-Cost-Design 57,08 Mio. € (Kontakt: robert.sitzenfrei@uibk.ac.at)
Das Rohrdesign basiert auf einer komplexen Netzwerkanalyse und der neuen Messgröße Demand Edge Betweenness Central (EBCQ). Im Vergleich zur evolutionären Optimierung ist EBCQ-Design hocheffizient in Bezug auf die Rechenzeit (bis zu 105-mal schneller) und die gefundenen Lösungen sind vergleichbar. Wenn Sie virtRome verwenden möchten, zitieren Sie es bitte als
Sitzenfrei, R.; Wang, Q.; Kapelan, Z.; Savić, D.; (2020): Using complex network analysis for optimization of water distribution networks. In: Water Resources Research. https://doi.org/10.1029/2020WR027929
Im Sondierungsprojekt "Smart Water Control" werden wissenschaftliche Grundlagen für die erfolgreiche Implementierung innovativer und intelligenter Sensor- und Steuerungsnetzwerke im Bereich der städtischen Wasserwirtschaft (Wasserversorgung, Stadtentwässerung und kontrollierte Ableitung von Regenwasser) erarbeitet.
Mit der intelligenten Überwachung einzelner Teilsysteme und der Erfassung von Sensordaten in Echtzeit wird ein optimaler Steuerungsprozess angestrebt, um den städtischen Wasserkreislauf im Hinblick auf Effizienzoptimierung und Ressourcenschonung zu verbessern.
Verwandte Projekte:
DynaMind - Ein Rahmen für die Modellierung der Dynamik einer städtischen Umgebung und ihrer Infrastrukturen
DynaMind ist eine quelloffene wissenschaftliche Workflow-Engine, die mit räumlich und zeitlich aufgelösten Daten arbeitet. Sie ist für Modellsimulationen im Bereich der städtischen Wasserwirtschaft optimiert. Die Workflow-Engine ist vergleichbar mit dem Model Builder von ArcGis oder QGIS. Allerdings haben diese noch einige Nachteile bei der Verwaltung von Daten mit einer zeitlichen Dimension.
Die Codebasis von DynaMind wurde über Jahre hinweg aus verschiedenen wissenschaftlichen Projekten heraus entwickelt, mit der Absicht, Programmiercode/Algorithmen wiederzuverwenden,
ein leistungsfähiges System (in Bezug auf Modellsimulationslaufzeit und Speicherverwaltung) und gleichzeitig eine flexible Codebasis für schnelles Prototyping zu schaffen.
Codefragmente, die die optimierte Laufzeit und Speicherverwaltung betreffen, werden in C++ realisiert, während die Fähigkeit zum schnellen Prototyping durch die Einbettung eines Python-Interpreters realisiert wird.
Verwandte Projekte:
DynaVIBe-Web
DynaVIBe-Web ist eine frei verfügbare und online zugängliche Web-Frontend-Anwendung zur Generierung von Wasserinfrastrukturnetzen für jeden Ort der Erde.
Eingabedaten:
- openstreetmap-Daten (werden von DynaVIBe automatisch abgerufen)
- Digitale Höhenkarte (DEM).
- Benutzerdefiniertes Versorgungsgebiet (durch Zeichnen eines Polygons)
- Benutzerdefinierte Wasserquellen
- Parameter: Gesamtbedarf, Zyklusindex, ...
Ausgabe:
- Satz von EPANET2 Modelldateien (.inp Dateien).
CityDrain 3
CityDrain3 ist eine Open-Source-Toolbox für die integrierte Modellierung von Stadtentwässerungssystemen. Innerhalb einer Blockbibliothek werden verschiedene Subsysteme zur Beschreibung eines integrierten Stadtentwässerungssystems und der Wasser- und Stoffflüsse bereitgestellt.
Die Software wird als freie Open-Source-Software vertrieben. Die Benutzenden können die vordefinierten Blöcke verwenden oder neue Blöcke erstellen, die spezielle Modellierungszweckeerfüllen .
Wenn Sie CityDrain3 verwenden möchten, zitieren Sie es bitte als
Burger G., Bach P. M., Urich C., Leonhardt G., Kleidorfer M. und Rauch W. (2016). Design und Implementierung eines multicorefähigen integrierten Toolkits für die Stadtentwässerung: Lessons from CityDrain3. Advances in Engineering Software 100, 277-89
Calimero
Calimero ist ein frei verfügbares Softwaretool zur automatischen Kalibrierung von Simulationsmodellen im Bereich der Stadtentwässerung. Die Innovation dieses Werkzeugs ist die Flexibilität, mit jedem Modell zu arbeiten, dessen Eingabe- und Ausgabedateien im Klartext vorliegen und das von der Kommandozeile aus gestartet werden kann, sowie die Möglichkeit, a-priori Wissen über das Systemverhalten zu berücksichtigen. Die Algorithmen zur Bewertung der Zielfunktion und der Kalibrierungsalgorithmus selbst werden vom Benutzer in einer Skriptumgebung definiert, um größtmögliche Flexibilität zu gewährleisten.
Ein stochastischer Ansatz für die automatische Erstellung von Stadtentwässerungssystemen
Normalerweise basiert die Leistungsbewertung neu entwickelter Methoden auf einer oder mehreren Fallstudien. Die Untersuchung mehrerer Fallstudien aus der realen Welt ist mühsam und zeitaufwendig. Darüber hinaus ist die Extrapolation von Schlussfolgerungen aus einzelnen Untersuchungen auf eine allgemeine Grundlage umstritten und manchmal sogar falsch. In diesem Artikel wird ein stochastischer Ansatz vorgestellt, um neu entwickelte Methoden auf einer breiteren Basis zu bewerten. Für den Ansatz wurde das Matlab-Tool .Case Study Generator. entwickelt, das eine Vielzahl unterschiedlicher virtueller Stadtentwässerungssysteme automatisch generiert, indem es Randbedingungen wie z.B. die Länge des Stadtentwässerungssystems, die Neigung der Einzugsgebietsfläche, etc. als Eingabe verwendet. Die Auslegung des Kanalsystems basiert auf einem angepassten Galton-Watson-Verzweigungsverfahren. Die Zuordnung der Teileinzugsgebiete erfolgt unter Berücksichtigung eines digitalen Geländemodells. Die Komponenten des Kanalnetzes werden anhand von Standardwerten ausgelegt. Insgesamt werden 10.000 verschiedene virtuelle Fallstudien eines städtischen Entwässerungssystems generiert und simuliert. Die Simulationsergebnisse werden anschließend anhand eines Leistungsindikators für Oberflächenüberflutungen ausgewertet. Ein Vergleich zwischen den Ergebnissen der virtuellen Fallstudien und zwei realen Fallstudien zeigt, wie vielversprechend die Methode ist. Schließlich wird gezeigt, dass der vorgestellte Ansatz geeignet ist, neu entwickelte Methoden zu bewerten.
Stochastischer Ansatz für die Leistungsbewertung von Wasserverteilungssystemen
Ein traditionelles Verfahren zur Leistungsbewertung von Systemen besteht darin, Ansätze an einer oder mehreren Fallstudien zu testen. Es ist jedoch bekannt, dass die Untersuchung von realen Fallstudien eine langwierige Aufgabe ist. Außerdem ist es aufgrund der begrenzten Anzahl der verfügbaren Fallstudien nicht sicher, dass alle Aspekte eines Problems in einem solchen Verfahren abgedeckt werden können. Mit zunehmender Rechnerleistung hat sich eine alternative Methodik herauskristallisiert, nämlich die Untersuchung einer Vielzahl von virtuellen Fallstudien mittels einer stochastischen Betrachtung der Gesamtleistung. Im Rahmen dieses Ansatzes entwickeln wir hier ein modulares Entwurfssystem (MDS) für Wasserverteilungssysteme (WVS). Mit der algorithmischen Anwendung eines solchen MDS ist es möglich, eine Vielzahl von unterschiedlichen WDS zu erstellen. Als Beispiel für eine stochastische Leistungsbewertung werden die Auswirkungen von Rohrbrüchen auf WDSs mit Hilfe eines druckabhängigen Leistungsindikators abgeschätzt. Dieser Leistungsindikator wird stochastisch ausgewertet. Ebenso wird die Leistungsbewertung einer Vielzahl von WDS stochastisch durchgeführt. Kumulative Verteilungsfunktion, Histogramm und andere statistische Eigenschaften von 2.280*1.000 Leistungsergebnissen der verschiedenen WDS werden berechnet, um die Anwendbarkeit des vorgestellten stochastischen Ansatzes zu verdeutlichen.
Systematische Generierung virtueller Netze für die Wasserversorgung
Theorien aus Fallstudien zu entwickeln ist ein gängiger Forschungsansatz, der auch für die Analyse von Netzwerken gilt. Obwohl Fallstudien die Brücke zwischen Theorie und Praxis schlagen, handelt es sich dabei immer noch um Untersuchungen von a) geringer Quantität und b) spezifischen Gegebenheiten. Der Grund dafür ist, dass die Datenerhebung und der Prozess der Modellbildung als Grundlage für eine Fallstudienforschung eine langwierige Aufgabe sind. Daher ist die Zahl der verfügbaren Fallstudien zur Erforschung von Wasserversorgungsnetzen begrenzt. Um dieses Problem zu lösen, wird das auf der Graphentheorie basierende Modular Design System (MDS) eingesetzt, um eine Vielzahl von Netzen mit unterschiedlichen Eigenschaften zu generieren. Die Anwendung des MDS sieht die Generierung von 2.280 virtuellen Wasserversorgungssystemen (WVS) vor. Die unterschiedlichen Eigenschaften (z.B. Anzahl der Quellen) der WSSs ergeben sich aus dem Generierungsprozess unter Berücksichtigung unterschiedlicher Randbedingungen. Die Eigenschaften des Satzes werden durch Streudiagramme, Dichte- und kumulative Verteilungsfunktionen der Netzparameter beschrieben, da die hydraulische Leistung und die Wasserqualität der WSSs stark von diesen Eigenschaften beeinflusst werden.
Anfälligkeit von Wasserversorgungsnetzen (VulNetWS)
Ein GIS-basiertes DST zur Empfehlung von Standorten von Wasserversorgungssystemen für Präventivmaßnahmen
In diesem Artikel wird das Entscheidungshilfewerkzeug VulNetWS vorgestellt. Dieses GIS-basierte Werkzeug dient als Hilfsmittel für Manager von Wasserversorgungssystemen, um den Grad der Versorgungssicherheit von Trinkwasser zu ermitteln. Wasserversorgungssysteme sind zu jeder Zeit gefährdet. Verschiedene potenzielle Gefahren können die Funktionsfähigkeit des Systems beeinträchtigen. Das Auftreten von Naturgefahren kann in Zeiten des Klimawandels zunehmen. Terroranschläge können enorme Auswirkungen auf das System haben. Daher identifiziert das Tool anfällige Stellen des Wasserversorgungssystems, indem es einen Ausfall der einzelnen Komponenten des Wasserversorgungssystems nachstellt, simuliert und bewertet. Die ermittelten Schwachstellen werden je nach Art der Gefahr für Präventivmaßnahmen empfohlen. Als Ergebnis wird eine Gefährdungskarte mit hydraulischen Simulationen und Leistungsindikatoren berechnet. Um die Eignung des Tools zu testen, wurden solche Karten für fünf Wasserversorgungssysteme in einer alpinen Umgebung erstellt. Die Ergebnisse zeigen, dass die bewerteten Systeme Schwachstellen aufweisen, die geschützt werden sollten (2 % der Komponenten weisen Leistungsindikatoren von weniger als 50 % auf), um ein hohes Maß an Versorgungssicherheit zu gewährleisten.
Anfälligkeit von städtischen Entwässerungsnetzen (VulNetUD)
Identifizierung von Schwachstellen in städtischen Entwässerungssystemen mit Hilfe von VulNetUD
Dieser Artikel stellt die Entwicklung und Anwendung des Softwaretools VulNetUD vor. VulNetUD ist ein Werkzeug zur GIS-gestützten Identifizierung von Schwachstellen städtischer Entwässerungssysteme (UDS) anhand hydrodynamischer Simulationen, die mit EPA SWMM durchgeführt wurden. Der Nutzen des Tools liegt in der Ausgabe verschiedener Gefährdungskarten zur Bewertung von Kanalisationsüberlastung, Kanalisationsüberflutung, Effizienz von Mischwasserüberläufen (CSO) und CSO-Emissionen. Dazu werden sieben vordefinierte Leistungsindikatoren verwendet, um städtische Entwässerungssysteme unter anormalen, kritischen und zukünftigen Bedingungen zu bewerten. Die Anwendung auf eine Fallstudie verdeutlicht die Fähigkeit des Tools, Schwachstellen der städtischen Entwässerungssysteme zu identifizieren. Dadurch ist es möglich, die Komponenten des Stadtentwässerungssystems zu identifizieren, die den größten Leistungsabfall im gesamten System verursachen. Die Anwendung der Methode auf eine reale Fallstudie zeigt beispielsweise, dass eine Verringerung der Einzugsgebiete, die sich stromaufwärts von CSOs mit relativ geringer Kapazität in den nachgelagerten Kanälen befinden, die höchste Effizienzsteigerung des Systems erzielt. Schließlich wird die Anwendung von VulNetUD als ein wertvolles Instrument für Manager und Betreiber von Abwasserversorgungsunternehmen zur Verbesserung der Effizienz ihrer Systeme angesehen. Darüber hinaus unterstützen die mit VulNetUD erstellten Gefährdungskarten das Risikomanagement, z. B. bei der Entscheidungsfindung in der Stadtentwicklungsplanung oder bei der Entwicklung von Sanierungsstrategien.
WDS Designer - Generator von Wasserverteilungssystemen mit GIS-Daten
Im Bereich der Analyse von Wasserverteilungssystemen (WDS) ist die Untersuchung von Fallstudien ein bekannter Ansatz, um Strategien oder neu entwickelte Technologien zu testen. Allerdings ist die Datenverfügbarkeit für die Untersuchung von realen Fällen aufgrund der zeit- und kostenintensiven Datenerhebung begrenzt. Auch die Angst vor Terroranschlägen führt dazu, dass der Zugang zu sensiblen Daten von WDS eingeschränkt ist. Für Forschungsaufgaben wie Modellbildung, Identifizierung von Systemzusammenhängen oder Softwaretests ist es jedoch unerlässlich, solche Daten zu sammeln. Mit dem WDS-Designer wird ein Werkzeug vorgestellt, das mit Hilfe von GIS-Daten für Bevölkerungsdichte, Wohndichte und Höhenlage algorithmisch WDS generiert. Es wird gezeigt, dass die generierten WDS mit den Eigenschaften eines realen WDS vergleichbar sind. Damit wird ein leistungsfähiges und benutzerfreundliches Werkzeug zur Identifizierung von Systemkohärenzen in WDS für Forschungs- und Bildungsaufgaben vorgestellt. Darüber hinaus liefert das Tool Daten von WDS mit unterschiedlichen Eigenschaften (z.B. Netzwerklayout), um Forschungsfragen fallunabhängig zu beantworten. Als Beispiel für eine praktische Anwendung des WDS-Designers wird die Abschätzung der Baukosten von WDS für Neubauten diskutiert.
CITY Drain 1 & 2
CITY DRAIN ist eine Open-Source-Toolbox für die integrierte Modellierung von Stadtentwässerungssystemen, die in Matlab/Simulink realisiert wurde. Innerhalb einer Blockbibliothek werden verschiedene Subsysteme zur Beschreibung eines integrierten Stadtentwässerungssystems und der Wasser- und Stoffflüsse bereitgestellt .
Die Software wird als freie Open-Source-Software vertrieben. Benutzer können die vordefinierten Blöcke verwenden oder neue Blöcke für spezielle Modellierungszwecke erstellen .
Falls Sie eine Benachrichtigung über zukünftige Fehlerkorrekturen oder neu erstellte Blöcke erhalten möchten, hinterlassen SieIhre Mailadresse unter [stefan.achleitner@uibk.ac.at] mit dem Betreff/Inhalt "CityDrain User".
