Transcript AGs Diseno de monitoreo de una red de calidad de agua

Algoritmos Genéticos aplicados a
Control Ambiental
“Diseño de una red de monitoreo de
Calidad de agua en el sistema de un
río usando algorítmos genéticos”
Introducción
• Hoy en día la urbanización y la
industrialización ha incrementado de
manera sustancial la polución en el agua
principalmente de los ríos.
• El estado y distintas organizaciones han
comenzado diversos proyectos con el
objetivo de mejorar el diseño y operación
de las redes de monitoreo de los sistemas
de los ríos.
• En estos últimos años han surgido nuevos
requerimientos de monitoreo provenientes
de nuevas políticas relacionadas con la
gestión del agua.
• Entre las nuevas políticas de monitoreo se
encuentra el Programa TMDL (Total
Maximum Daily Load).
Total Maximum Daily Load
• TMDL integra el manejo de las líneas
divisorias de agua y los sistemas de
información para administrar los recursos
relacionados con el agua.
• Además administra el desarrollo y
operación de redes de monitoreo
sistemáticas.
Total Maximum Daily Load
• En particular este programa exige la estimación
de la carga de polución de cada línea divisoria
de aguas y el uso de los resultados para
establecer modelos de calidad de agua.
• Es por esta razón que una colección de datos
de calidad de agua y parámetros cuantificados
deben ser obtenidos del sistema de monitoreo
integrado para obtener modelos precisos que la
calidad del agua.
Total Maximum Daily Load
• Reportes TMDL proveen un sumario del
programa que está disponible para las
regiones que le competen a EPA y a los
estados de EEUU. De esta manera
ingresando a internet se puede acceder a
los reportes de TMDL de EPA.
• http://www.epa.gov/owow/tmdl/
Total Maximum Daily Load
El caso “Corea”
• Corea desde 1977 posee una ley de
Conservación del Medio ambiente que
contiene regulaciones sobre el monitoreo
de la calidad del Agua.
• Distintas agencias de manera sistemática
o no se dedicaban a medir regularmente
la calidad del los cursos de agua.
• La idea fue entonces incorporar las ideas
de TMDL en corea.
Metodología desarrollada
•
Los objetivos del nuevo sistema de monitoreo de
agua fueron:
1. Entender a corto y largo termino las variaciones
temporales en los parámetros de calidad de agua
2. Monitorear violaciones a los estándares de calidad de
agua específicos para cada río.
3. Identificar causas externas y fuentes que producen
cambios en la calidad del agua.
4. Ayudar a la utilización de los recursos de agua.
5. Examinar a corto término variaciones en la calidad de
agua a través de una investigación durante un dado
período de tiempo
Metodología expandida para TMDL
6. Examinar la carga de polución desde
cada línea divisoria de agua en orden de
ejecutar un análisis según TMDL
7. Usar modelos de calidad de agua
soportados por TMDL y funciones
científicas para la administración de la
calidad de agua .
8. Establecer sistemas de información para
la administración de los recursos de
agua.
Diseño de Estaciones de monitoreo en
Macro-locaciones
• Para poder cumplir con los objetivos
anteriormente mencionados se estableció
la necesidad de recolectar las locaciones
apropiadas de manera de mantener
criterios relacionados con los sitios a
monitorear, parámetros, frecuencias, etc.
Selección de las estaciones de monitoreo de
Calidad del Agua
Optimización del diseño de redes utilizando
Algoritmos Genéticos
Optimización del diseño de redes utilizando
Algoritmos Genéticos
• Utilizaron GAlib una librería de de Visual C++
para algoritmos genéticos.
• Generaron números aleatorios para generar el
cromosoma inicial de los individuos
• El tamaño del cromosoma es determinado por
las dimensiones de la red de monitoreo que se
está diseñando.
• Una vez que se evalúa su fitness se realizan las
operaciones sobre los cromosomas.
Enlazando un sistema de información
geográfica con el Algoritmo Genético
• La información geográfica es utilizada en
conjunción con el AG para el análisis
efectivo de la información recolectada en
la cuenca del río. Cada elemento
geográfico es representado a través de
Layers (capas) utilizando ArcView 3.2
GIS,. El ArcView se ulitizo para realizar
varios análisis espaciales en datos
geográficos.
Linkeo del Algoritmo Genético con el
ArcView
Multi-Objetivo
Función de Fitness para el AG
• F1 tiene que ver con la importancia de la
locación del candidato teniendo en cuenta el
grado de violación de los estándares de calidad
de agua según un indicador.
• F2 tiene en cuenta la distancia entre los
sensores de monitoreo.
• F3 fue formulado basado en el supuesto de que
las concentraciones de contaminantes decrecen
exponencialmente en los flujos de agua.
• F4 tiene en cuenta la distancia entre los
monitores.
Función de Fitness para el AG
• El fitness se determina teniendo en cuenta
que n es el número de fitness individuales
wi es el peso de la función para el fitness
del i-esimo individuo que depende de los
criterios de diseño de la red. Por último fi
es el fitness normalizado para cada
función
Aplicación sobre el río Hakdong
Resultados
Resultados
• El proceso Total Maximum Daily Load (TMDL) conduce
a un “presupuesto de la contaminación” diseñado para
restaurar la salud de un agua de superficie contaminada.
El proceso de TMDL proporciona un gravamen
cuantitativo de los problemas de la calidad del agua,
fuentes de la contaminación, y las reducciones de la
carga del agente contaminador o las acciones del
control necesitadas para restaurar y para proteger las
aplicaciones beneficiosas de un curso de agua individual
deteriorada contra el cargamento de un agente
contaminador particular.