Real-time energy optimization of irrigation scheduling by parallel multi-objective genetic algorithms

[EN] The present work is motivated by the need to reduce the energy costs arising from the pressure demands of drip and sprinkling irrigation, compounded by the increase in the energy price in recent years. Researchers have demonstrated that proper operation of the irrigation network reduces associated pumping costs. The main challenge was to obtain the optimal operation parameters on near real-time due to the fact that the high complexity of the optimization problem requires a great computational effort. The classic approach to the problem imposes a strict fulfilment of minimum pressures as a restriction. This study, however, presents a new methodology for the reordering of irrigation scheduling, incorporating the constraint of daily volume requests for each hydrant. The methodology is capable of minimizing the cost of energy while maximizing pressures at the critical hydrants. Cost reductions of about 6¿7% were reached for scenarios without pressure deficit for the case study. Greater computational efficiency was achieved by posing the problem from a multi-objective approach, on the one hand, and by establishing the parallel evaluation of the objective function, on the other. The speed-up obtained by combining a reduction in the number of function evaluations thanks to the faster convergence of the multi-objective approach and the reduction of the computational time due to the parallelization of the algorithm achieved results about 10 times faster. This improvement allowed the tool to be implemented for the daily optimization of irrigation requests.This work has been supported by the VALi+D R&D Program of the Generalitat Valenciana (Spain).Alonso-Campos, J.; Jiménez Bello, MA.; Martínez Alzamora, F. (2020). Real-time energy optimization of irrigation scheduling by parallel multi-objective genetic algorithms. Agricultural Water Management. 227:1-8. https://doi.org/10.1016/j.agwat.2019.105857S1822

Metodología para minimizar los tiempos de llegada en una red de riego a presión

Las redes de riego a presión automatizadas permiten llevar a cabo la fertirrigación centralizada y realizar operaciones de mantenimiento como la limpieza de subunidades y la eliminación de especies invasoras como el mejillón cebra. Para limpiar la red de una determinada sustancia o hacerla llegar a todos los puntos de consumo en el menor tiempo posible y con la mínima cantidad de volumen empleado, se han diseñado dos metodologías que utilizan el modelo hidráulico de la red y algoritmos genéticos multiobjetivo paralelo. La primera tiene en cuenta la variabilidad con el tiempo de la presión en cabecera y la segunda asume que ésta es constante o no baja de un determinado valor. Con la segunda se consigue minimizar los tiempos de llegada a los puntos de consumo y reducir el volumen inyectado hasta el mínimo de reemplazo, es decir, el volumen de las tuberías de la red.Los autores quieren agradecer a la Acequia Real del Júcar, en especial a su técnico Alberto Hervás y a su Secretario Juan Valero de Palma, el apoyo y el interés para la realización de este trabajo

La simulación hidráulica como herramienta de apoyo a la toma de decisiones en Global Omnium

[ES] La moderna gestión de los sistemas de abastecimiento de agua requiere el uso de modelos matemáticos como herramienta de soporte para la toma de decisiones, tanto en el ámbito de la planificación como en la operación diaria de la red. Los modelos son, además, claves para garantizar una gestión eficiente de los recursos hídricos y energéticos disponibles, así como una reacción rápida y segura frente a una situación de emergencia. Con este objetivo Global Omnium tiene implantado desde hace años en su Centro de Control de la red de abastecimiento a Valencia y su área metropolitana un modelo matemático de simulación hidráulica de la red capaz de trabajar en tiempo real. Una aplicación se encarga de almacenar y tratar la información recibida del sistema de telecontrol, unos 20.000 datos horarios por día, y de alimentar con ella el modelo para simular el comportamiento de la red bajo cualquier circunstancia, actuando así como un Sistema de Apoyo a la Toma de Decisiones (DSS). Los últimos avances, realizados en colaboración con el IIAMA de la UPV, se han orientado a mejorar las capacidades de simulación del modelo, a su calibración automática, y a integrar fugas y demandas dependientes de la presión.[EN] The modern management of water supply systems requires the use of mathematical models as a decision support system, both in the field of planning and in the daily network operation. Moreover models are key to the efficient management of available water and energy resources and to having a rapid and safe reaction to emergencies. Therefore, the water supply and distribution network of Valencia (Spain) and its metropolitan area has implanted for years in its Control Center a highly accurate hydraulic simulation model, able to work in real time, which is fed through the measures received from the remote control system, with approximately 20,000 hourly data per day. The model simulate the behavior of the network under any scenario, acting as a DSS. Recent advances, in collaboration with the IIAMA of UPV, are focused to improve the capabilities of the model, to keep the model permanently calibrated, and to consider pressure dependent leakage and demands.Conejos Fuertes, P.; Gamón, A.; Urban Torres, P.; Martínez Alzamora, F.; Alonso-Campos, J. (2017). La simulación hidráulica como herramienta de apoyo a la toma de decisiones en Global Omnium. Tecnoaqua. (26):46-53. http://hdl.handle.net/10251/104735S46532

Caracterización experimental de flujos de admisión y expulsión de aire en ventosas

[EN] The present paper summarizes the results obtained in air release and admission tests in air valves with diameter between 50 and 150 mm. The pressure-flow curves are presented and the pressure values at which dynamic closure is produced (before the water reaches the air valve) in the cases it occurs, as well as the pressure values at which the first float closes in non-slam air valves. Finally, the aforementioned values are compared with those listed in the manufacturers¿ catalogues.[ES] El presente artículo resumen los resultados obtenidos en ensayos de expulsión y admisión de aire en ventosas de entre 50 y 150 mm de diámetro. Se presentan las curvas presión-caudal y los valores de presión a los que se produce cierre dinámico (antes de que llegue el agua a la ventosa) en los casos en los que éste tiene lugar, así como también los valores de la presión a la que se produce el cierre del primer flotador en el caso de ventosas non-slam. Finalmente, se comparan los citados valores con los que figuran en los catálogos de los fabricantes.Arrue-Burillo, P.; Romero-Sedo, A.; Espert Alemany, VB.; García-Serra García, J.; Ponz Carcelén, R.; Biel Sanchís, F.; Alonso Campos, JC. (2019). Caracterización experimental de flujos de admisión y expulsión de aire en ventosas. Tecnoaqua. 1(35):74-82. http://hdl.handle.net/10251/160579748213

Desarrollo e implementación de algoritmos para la optimización energética en tiempo real de redes hidráulicas a presión

[ES] El objetivo general de la presente Tesis es investigar metodologías que permitan obtener en tiempo real los parámetros de operación de redes hidráulicas a presión que minimicen el consumo y/o el coste energético, garantizando el cumplimiento de las condiciones de funcionamiento necesarias para una adecuada calidad del servicio. Al tratarse del ámbito de la operación diaria de la red, una de las condiciones indispensables que deben reunir los métodos de optimización es una respuesta lo suficientemente rápida como para que no solo se pueda disponer de las soluciones más convenientes en el momento de ejecutar las consignas de operación, sino que además se habilite un procedimiento flexible que permita dar respuesta a posibles cambios en las predicciones o eventos que puedan producirse. Se ha abordado de manera aislada la optimización energética de los subsistemas de transporte de agua y la de los subsistemas de distribución debido a las distintas características que se pueden observar en ellos. En la parte relativa a los subsistemas de distribución, particularizada al caso de un sistema de riego con bombeo directo a red, se han explorado los métodos metaheurísticos de optimización, realizando varias aportaciones originales orientadas a la mejora en la eficiencia computacional de los mismos, debido a la necesidad de obtener una respuesta rápida compatible con la toma de decisiones en tiempo real. En cuanto a los subsistemas de transporte, se ha explorado la aplicabilidad del método determinista de optimización por programación lineal, a la vista de las importantes ventajas que presenta respecto al resto de métodos generales de optimización. Asimismo, en el contexto de los subsistemas de transporte, se ha trabajado en la definición de una heurística basada en el cálculo del coste energético y/o económico del agua entregada en los puntos de consumo y almacenada en los depósitos intermedios, que ha permitido formular un algoritmo voraz para la optimización energética en cada instante de tiempo. Este método ha conseguido igualar el desempeño alcanzado mediante la programación lineal y se espera que ofrezca unas mejores capacidades en sistemas con un comportamiento marcadamente no lineal, así como también una mejor adaptación a problemas de optimización con la participación de energías renovables.[CA] L'objectiu general de la present Tesi és la investigació de metodologies que permeten obtindre en temps real els paràmetres d'operació de xarxes hidràuliques a pressió que minimitzen el consum i/o el cost energètic, garantint el compliment de les condicions de funcionament necessàries per a una adequada qualitat del servei. En tractar-se de l'àmbit de l'operació diària de la xarxa, una de les condicions indispensables que han de reunir els mètodes d'optimització és una resposta prou ràpida com perquè no sols es puga disposar de les solucions més convenients en el moment d'executar les consignes d'operació, sinó que a més s'habilite un procediment flexible que permeta donar resposta a possibles canvis en les prediccions o esdeveniments que puguen produir-se. S'ha abordat de manera aïllada l'optimització energètica dels subsistemes de transport d'aigua i la dels subsistemes de distribució (reg per injecció directa) a causa de les diferents característiques que es poden observar en ells. En el treball amb els subsistemes de distribució s'han explorat les possibilitats que ofereixen els mètodes meta-heurístics d'optimització, realitzant diverses aportacions originals orientades a la millora en l'eficiència computacional dels mateixos a causa de la necessitat d'obtindre una resposta més ràpida que siga compatible amb la presa de decisions en temps real. Quant als subsistemes de transport, s'ha explorat l'aplicabilitat del mètode determinista d'optimització per programació lineal a la vista dels importants avantatges que presenta respecte a la resta de mètodes generals d'optimització. Així mateix, en el context dels subsistemes de transport, s'ha treballat en la definició d'una bona heurística basada en el càlcul del cost energètic i/o econòmic de l'aigua entregada en els punts de consum i en els dipòsits intermedis, que ha permés formular un mètode voraç per a l'optimització energètica en cada instant de temps. Aquest mètode ha aconseguit igualar l'acompliment aconseguit mitjançant la programació lineal i s'espera que oferisca unes millors capacitats en sistemes amb un comportament més marcadament no lineal, així com també una millor adaptació a problemes d'optimització amb participació d'energies renovables.[EN] The general objective of this Thesis is the research of methodologies to obtain in real time the operating parameters of pressurized hydraulic networks that minimize energy consumption and/or cost, ensuring compliance with the operating conditions necessary for an appropriate quality of service. Since this is the field of daily network operation, one of the indispensable conditions that optimization methods must meet is a response fast enough so that not only the most convenient solutions are available at the time of executing the operating instructions, but also a flexible procedure is provided to allow a response to possible changes in the predictions or events that may occur. The energy optimization of the water transport subsystems and that of the distribution subsystems (direct injection irrigation) have been approached separately due to the different characteristics that can be observed in them. In the work with distribution subsystems, the possibilities offered by metaheuristic optimization methods have been explored, making several original contributions aimed at improving their computational efficiency due to the need to obtain a faster response that is compatible with real-time decision making. Regarding transport subsystems, the applicability of the deterministic method of optimization by linear programming has been explored in view of the important advantages it presents with respect to the rest of the general optimization methods. Also, in the context of transport subsystems, there has been a work on the definition of a good heuristic based on the calculation of the energy and/or economic cost of the water delivered at the consumption points and intermediate reservoirs, which has allowed to formulate a greedy method for energy optimization at each time instant. This method has been able to match the performance achieved by linear programming and is expected to offer better capabilities in systems with a more marked non-linear behaviour, as well as a better adaptation to optimization problems involving renewable energies.Alonso Campos, JC. (2021). Desarrollo e implementación de algoritmos para la optimización energética en tiempo real de redes hidráulicas a presión [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/180389TESI

Diseño e implementación de algoritmos matemáticos para la optimización energética en redes de riego a presión y su aplicación a la C.D.R. de realón

Consulta en la Biblioteca ETSI Industriales (Riunet)[ES] se pretende, por una parte, siguiendo la metodología descrita en Jimenez-Bello y col. (2013), desarrollar los algoritmos necesarios para obtener las condiciones de operación de la red de riego en las que el consumo energético por unidad de volumen de agua entregada sea mínimo, para unas condiciones establecidas de presión mínima de trabajo en cada hidrante y una cantidad de agua diaria a entregar a cada toma de riego. Las variables de decisión en el presente problema son los instantes temporales de apertura de cada toma. Por otra parte se pretende definir, desarrollar y evaluar metodologías alternativas, comparando los resultados obtenidos con una y otra.Alonso Campos, JC. (2014). Diseño e implementación de algoritmos matemáticos para la optimización energética en redes de riego a presión y su aplicación a la C.D.R. de realón. http://hdl.handle.net/10251/39771.Archivo delegad

NUEVA METODOLOGÍA PARA LA OBTENCIÓN DE LA PROGRAMACIÓN DE RIEGO ÓPTIMA APROVECHANDO LA DIFERENCIA DE COTA ENTRE EL PUNTO DE SUMINISTRO Y EL DE CONSUMO

[EN] The high amount of energy required for the operation of pressurized irrigation networks, and the increasing electric tariffs over the last years have led researchers to develop new methodologies and strategies focused on reducing the exploitation cost of these networks. Among irrigation networks there are many in which the head of the source node is high enough to deliver water to some takeoffs at the required pressure. For these cases, considerable savings can be obtained by performing the irrigation of the maximum number of takeoffs without pumping during the hours when energy is more expensive. In this work a new methodology was developed for maximizing the volume delivered by gravity during a specific time interval, while guaranteeing a minimum service pressure at each operating takeoff, by setting the instants when each takeoff starts and finishes irrigation. The methodology is based on combining a Genetic Algorithm with the hydraulic simulation of the network using the Epanet toolkit. It was developed in Visual Studio by means of the C# programming language. The optimization was tested on two real cases and it was achieved a volume increase delivered by gravity of around 30% compared to the current situation.[ES] El elevado consumo energético vinculado a la operación de redes de riego por goteo o aspersión, junto con el notable aumento de las tarifas eléctricas en los últimos años, ha propiciado el desarrollo de metodologías y estrategias orientadas a reducir el coste de explotación de dichas redes. Para las redes en las que el punto de suministro tiene una cota suficientemente elevada para alimentar algunas tomas en condiciones adecuadas de presión, puede obtenerse un importante ahorro energético si se aprovechan las horas en las que la electricidad es más cara para regar el máximo número de tomas posible sin hacer uso del bombeo. En el presente trabajo se ha desarrollado una metodología que maximiza el volumen aportado por gravedad en un determinado periodo de tiempo, a la vez que garantiza una presión mínima en cada punto de consumo, determinando para ello los instantes de inicio y fin de riego de cada parcela. La metodología se basa en la combinación de un Algoritmo Genético con la simulación hidráulica de la red en Epanet, y se ha implementado en el entorno de programación Visual Studio mediante el lenguaje de programación C#. La optimización se ha aplicado a dos casos reales alcanzando un incremento del volumen aportado del orden del 30% respecto de la situación actual.Este trabajo ha sido financiado por el Proyecto Europeo FIGARO (Flexible and precIse irriGation plAtform to improve faRm scale water prOductivity), dentro del 7º Programa Marco, en el ámbito “Precision technologies to improve irrigation management and increase water productivity in major water-demanding crops in Europe” (KBBE.2012.1.1-03).Alonso Campos, JC.; Jiménez Bello, MÁ.; Martínez Alzamora, F.; Bou Soler, V. (2015). NUEVA METODOLOGÍA PARA LA OBTENCIÓN DE LA PROGRAMACIÓN DE RIEGO ÓPTIMA APROVECHANDO LA DIFERENCIA DE COTA ENTRE EL PUNTO DE SUMINISTRO Y EL DE CONSUMO. En XXXIII CONGRESO NACIONAL DE RIEGOS. Valencia 16-18 junio de 2015. Editorial Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/CNRiegos.2015.1518OC

Hacia un nuevo modelo de llenado de grandes conducciones de agua

Arrue-Burillo, P.; Romero-Sedo, A.; Espert Alemany, VB.; García-Serra García, J.; Ponz Carcelén, R.; Durán Zafrilla, P.; Biel Sanchís, F.... (2019). Hacia un nuevo modelo de llenado de grandes conducciones de agua. Retema Medio Ambiente. (212):68-73. http://hdl.handle.net/10251/138038S687321

Human ApoA-I Overexpression Enhances Macrophage-Specific Reverse Cholesterol Transport but Fails to Prevent Inherited Diabesity in Mice

Human apolipoprotein A-I (hApoA-I) overexpression improves high-density lipoprotein (HDL) function and the metabolic complications of obesity. We used a mouse model of diabesity, the db/db mouse, to examine the effects of hApoA-I on the two main functional properties of HDL, i.e., macrophage-specific reverse cholesterol transport (m-RCT) in vivo and the antioxidant potential, as well as the phenotypic features of obesity. HApoA-I transgenic (hA-I) mice were bred with nonobese control (db/+) mice to generate hApoA-I-overexpressing db/+ offspring, which were subsequently bred to obtain hA-I-db/db mice. Overexpression of hApoA-I significantly increased weight gain and the incidence of fatty liver in db/db mice. Weight gain was mainly explained by the increased caloric intake of hA-I-db/db mice (>1.2-fold). Overexpression of hApoA-I also produced a mixed type of dyslipidemia in db/db mice. Despite these deleterious effects, the overexpression of hApoA-I partially restored m-RCT in db/db mice to levels similar to nonobese control mice. Moreover, HDL from hA-I-db/db mice also enhanced the protection against low-density lipoprotein (LDL) oxidation compared with HDL from db/db mice. In conclusion, overexpression of hApoA-I in db/db mice enhanced two main anti-atherogenic HDL properties while exacerbating weight gain and the fatty liver phenotype. These adverse metabolic side-effects were also observed in obese mice subjected to long-term HDL-based therapies in independent studies and might raise concerns regarding the use of hApoA-I-mediated therapy in obese humans