Diseño óptimo de un sistema de distribución de agua (SDA) aplicando el algoritmo Simulated Annealing (SA)

In this paper, an application of the Simulated Annealing (SA) algorithm for the optimum design of a water distribution system (WDS) is presented. The SA is a metaheuristic search algorithm, based on the analogy between the physical process of annealing in metals (controlled cooling of a heated mass) and the resolution of combinatorial optimisation problems. The SA algorithm, along with mathematical models, has successfully been used in the optimum design of WDS. The real-scale Marsella WDS, a rural community located in San Carlos, Costa Rica was selected as case study. The SA algorithm was implemented in the well-known open-source model EPANET through the WaterNetGen extension. Three different automated variations of the SA algorithm were compared against the man-made trial-and-error design of the Marsella WDS using pipe diameters unitary costs only. Results show that all three automated SA approaches return unitary costs under 0.49 the original cost of the trial-and-error approach as fraction. This proves that the SA algorithm is able to handle the combinatorial optimization problem of the least cost design of water distribution systems at real-scale. En este artículo se presenta la aplicación del algoritmo Simulated Annealing (SA) en el diseño óptimo de un sistema de distribución de agua (SDA). El SA es un algoritmo metaheurístico de búsqueda, basado en una analogía entre el proceso de recocido en metales (proceso controlado de enfriamiento de un cuerpo) y la solución de problemas de optimización combinatorios. El algoritmo SA, junto con diversos modelos matemáticos, ha sido utilizado exitosamente en el óptimo diseño de SDA. Como caso de estudio se utilizó el SDA a escala real de la comunidad de Marsella, en San Carlos, Costa Rica. El algoritmo SA fue implementado mediante el conocido modelo EPANET, a través de la extensión WaterNetGen. Se compararon tres diferentes variaciones automatizadas del algoritmo SA con el diseño manual del SDA Marsella llevado a cabo a prueba y error, utilizando únicamente costos unitarios de tuberías. Los resultados muestran que los tres esquemas automatizados del SA arrojaron costos unitarios por debajo del 0.49 como fracción, respecto al costo original del esquema de diseño ejecutado a prueba y error. Esto demuestra que el algoritmo SA es capaz de optimizar problemas combinatorios ligados al diseño de mínimo costo de los sistemas de distribución de agua a escala real.