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Estudo de operação otimizada de uma rede benchmark com aplicação de protótipo de gêmeo digital adaptativo aliado a redes neurais recorrentes do tipo Long Short Term Memory e algoritmos genéticos

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dc.creator MARQUES, Sara Maria
dc.date.issued 2026-03-30
dc.identifier.citation MARQUES, Sara Maria. Estudo de operação otimizada de uma rede benchmark com aplicação de protótipo de gêmeo digital adaptativo aliado a redes neurais recorrentes do tipo Long Short Term Memory e algoritmos genéticos. 2026. 130 f. Tese (Doutorado em Meio Ambiente e Recursos Hídricos) – Universidade Federal de Itajubá, Itajubá, 2026. pt_BR
dc.identifier.uri https://repositorio.unifei.edu.br/jspui/handle/123456789/4409
dc.description.abstract Climate change and the indiscriminate use of water have led to the scarcity of water resources, intensifying the water crisis. These factors put at risk the efficient supply of water to the population. Consequently, the development of techniques and methodologies to ensure the optimal operation of a water distribution network becomes essential. Therefore, this work developed a method for forecasting and optimizing losses in a benchmark water distribution network. The proposed methodology consisted of using three tools jointly, with the objective of predicting the worst loss scenarios of the study network for the next 24 hours of operation. These tools were: an adaptive digital twin prototype for simultaneous data exchange between server and client; a recurrent LSTM neural network for forecasting the worst loss scenarios; and a genetic algorithm for optimizing these scenarios based on the ideal configuration of operational parameters: pumps, valves, and reservoirs. For this purpose, the Python programming language and its libraries were used, such as WebSocket, Scikit-Learn, and Keras (TensorFlow). The most adverse loss scenarios found ranged between 51% and 53%, representing an average increase of 15.44 percentage points compared to the system's baseline condition. By applying the genetic algorithm, it was possible to achieve an average reduction of 11.42 percentage points in these scenarios, as well as identifying the operational configurations responsible for this improvement, allowing their incorporation as a mitigation strategy. Thus, the main innovation of this work lies in the integration of these three approaches into a single framework, enabling not only prediction but also optimization of critical operating conditions. The use of the digital twin allowed for analyses to be performed in a virtual environment, without risks to the real system, while the combination with artificial intelligence and optimization techniques contributed to increased operational efficiency and the anticipation and mitigation of adverse loss scenarios. pt_BR
dc.language por pt_BR
dc.publisher Universidade Federal de Itajubá pt_BR
dc.rights Acesso Aberto pt_BR
dc.subject Integração físico-virtual pt_BR
dc.subject Análise preditiva pt_BR
dc.subject Operação eficiente pt_BR
dc.subject Redes de distribuição de água pt_BR
dc.title Estudo de operação otimizada de uma rede benchmark com aplicação de protótipo de gêmeo digital adaptativo aliado a redes neurais recorrentes do tipo Long Short Term Memory e algoritmos genéticos pt_BR
dc.type Tese pt_BR
dc.date.available 2026-05-27
dc.date.available 2026-05-27T19:35:29Z
dc.date.accessioned 2026-05-27T19:35:29Z
dc.creator.Lattes http://lattes.cnpq.br/8596447175041908 pt_BR
dc.contributor.advisor1 SILVA, Fernando das Graças Braga da
dc.contributor.advisor1Lattes http://lattes.cnpq.br/4077250337099004 pt_BR
dc.description.resumo As mudanças climáticas e o uso indiscriminado da água têm levado à escassez de recursos hídricos, intensificando a crise hídrica. Esses fatores colocam em risco o abastecimento de água eficiente para a população. Com isso, o desenvolvimento de técnicas e metodologias para garantir a operação ótima de uma rede de distribuição de água torna-se essencial. Dessa forma, o trabalho desenvolvido elaborou um método para a previsão e otimização de perdas de uma rede de distribuição de água de um sistema benchmark. A metodologia consistiu em utilizar três ferramentas de maneira conjunta, com o objetivo de prever os piores cenários de perdas da rede de estudo para as próximas 24 horas de funcionamento. Essas ferramentas foram: o protótipo de gêmeo digital adaptativo para a troca simultânea de dados entre servidor e cliente; a rede neural recorrente LSTM para previsão dos piores cenários de perdas; e o algoritmo genético para a otimização desses cenários com base na configuração ideal dos parâmetros operacionais: bombas, válvulas e reservatórios. Para isso, foi utilizada a linguagem de programação Python e suas bibliotecas, como WebSocket, Scikit-Learn e Keras (TensorFlow). Os cenários mais adversos de perdas encontrados variaram entre 51% e 53%, representando um aumento médio de 15,44 pontos percentuais em relação à condição de referência do sistema. A partir da aplicação do algoritmo genético, foi possível obter uma redução média de 11,42 pontos percentuais nesses cenários, além da identificação das configurações operacionais responsáveis por essa melhoria, permitindo sua incorporação como estratégia de mitigação. Assim, a principal inovação do trabalho reside na integração dessas três abordagens em um único framework, possibilitando não apenas a previsão, mas também a otimização de condições críticas de operação. A utilização do gêmeo digital permitiu a realização de análises em ambiente virtual, sem riscos ao sistema real, enquanto a combinação com técnicas de inteligência artificial e otimização contribuiu para o aumento da eficiência operacional e para a antecipação e mitigação de cenários adversos de perdas. pt_BR
dc.publisher.country Brasil pt_BR
dc.publisher.department IRN - Instituto de Recursos Naturais pt_BR
dc.publisher.program Programa de Pós-Graduação: Doutorado - Meio Ambiente e Recursos Hídricos pt_BR
dc.publisher.initials UNIFEI pt_BR
dc.subject.cnpq CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA SANITÁRIA::RECURSOS HÍDRICOS pt_BR


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