Automated calibration of the simulation model of irrigation projects by harmony search optimization

The paper deals with calibration of the simulation models of hydraulic part of an irrigation project. Calibrated simulation model can be used in design, reconstruction, enlargement or maintenance of the pressurized irrigation systems. Computer model of the water distribution system is a valuable tool which can assist engineers and planners in analyzing the hydraulic performance of water delivery systems. Calibration of the water distribution model consists in comparison of pressures and flows predicted with observed pressures and flows for known operating conditions (i.e., pump operation, tank levels, pressure-reducing valve settings), and adjustment of the input data for the model to improve agreement between observed and predicted values. In practice, given a set or sets of measured state variables, engineers apply trial and error techniques with their judgment to vary the parameters and accomplish this task. Trial and error techniques are tedious do not guarantee reasonable results. The paper introduces the methodology of determination of calibrated parameters automatically. Described methodology of calibration is based on optimizing procedures using the harmony search approach.

W artykule opisano użycie modeli symulacyjnych w projektowaniu i utrzymaniu ciśnieniowych systemów nawadniających. Aby zastosować modele symulacyjne np. do projektowania przebudowy takich systemów, należy je skalibrować. Tradycyjnie kalibracja modelu sieci hydraulicznej była uciążliwym zadaniem. Autor modelu zmieniał wartości parametrów metodą prób i błędów, aby osiągnąć efekt, który według niego doprowadzi do zbieżności obliczonych i pomierzonych danych. W artykule zaproponowano metodologię automatycznego ustalania parametrów kalibracji. Opisana metodologia opiera się na procedurach optymalizacyjnych, stosujących metodę poszukiwania harmonii. Celem jest zbudowanie matematycznego modelu, którego przewidywania będą ściśle zgodne z obserwacjami terenowymi. W związku z tym otwiera się pole do kalibracji, którą wydajniej i w sposób bardziej spójny można przeprowadzić techniką optymalizacji (np. HS) niż tradycyjnym sposobem prób i błędów. Wyniki obliczeń w systemie kalibrowanym dla warunków testowych ujawniły rozbieżności ciśnienia, sięgające 4,8% i przepływu - 4,9%. Otrzymane wyniki cechuje więc dobra zgodność. Większa rozbieżność pomiędzy obserwowanymi i obliczonymi przepływami spowodowana była np. przez oscylacje tego parametru w związku z niestabilnością przepływu. Jak już wspomniano, dokładność kalibracji zależy nie tylko od zestawu współczynników szorstkości, ale także od innych parametrów, które mogą generować rozmaite błędy. Dokładniejsze wyniki można uzyskać, stosując dodatkowe specyfikacje, takie jak długość odcinka określona na podstawie mapy w skali 1:2000 (dane numeryczne były niedostępne). Dokładniejszą długość odcinka można uzyskać albo z profilu wzdłużnego, albo mierząc długość bezpośrednio w terenie. Końcowy wynik potwierdza przydatność metody nawet w przypadku niewystarczającej ilości dostępnych danych, co często zdarza się w praktyce.