uma abordagem para o projeto de redes urbanas - CCET

UMA ABORDAGEM PARA O PROJETO DE REDES URBANAS DE DISTRIBUIÇÃO DE
GÁS POR OTIMIZAÇÃO COMBINATÓRIA E SISTEMAS DE INFORMAÇÃO
GEOGRÁFICAS
CEZAR MIRANDA PAULA DE SOUZA (MSc), MARCO CÉSAR GOLDBARG - DIMAP
(orientador)
RESUMO
O presente trabalho se propõe a apresentar uma abordagem para o projeto de redes
urbanas de gás através da utilização de Sistemas de Informação Geográfica e técnicas de
otimização combinatória. Esta abordagem prevê a solução de redes a custo mínimo, e
minimizando o impacto social-ecológico. O problema é mapeado no problema de árvores de
Steiner, introduzindo uma formulação com bottleneck Min-Max-Min-Sum. As soluções são
propostas através de algoritmos aproximativos, com o SIG sendo utilizado para préprocessamento, obtenção do grafo representativo do problema e exibição da solução.
ABSTRACT
This work presents an approach to Urban Gas Networks design through Geographic
Information Systems (GIS) and Operational Research (OR) techniques. This approach aims
at minimal-cost, environmental-friendly solutions for complex networks. The process
consists of mapping the problem in the Steiner Tree problem and solving it using
Metaheuristical (approximative) algorithms. GIS is used for pre-processing, network analysis
and exhibition. A multi-objective, Min-Max-Min-Sum Bottleneck formulation of the Steiner
problem is used.
1. Objetivos.
O objetivo do trabalho é apresentar uma abordagem para o projeto de redes urbanas
de serviços (em especial, redes urbanas de gás), em uma topologia em árvore, que seja de
custo e impacto sócio-ecológico mínimo. Para esse fim, foram desenvolvidos algoritmos
aproximativos: a SPH (Shortest Path Heuristic, de Takahashi e Matsuyama), um GRASP
Híbrido com perturbações e um Algoritmo Genético. São traçadas comparações entre os
algoritmos com o propósito de obter estatísticas de desempenho.
2. Motivação.
O projeto e a implantação de redes urbanas de serviço se constituem em tarefas
árduas, mas de grande importância econômico-social. De um lado, temos o benefício
trazido pela implementação do serviço. De outro, temos os grandes desafios envolvidos em
sua concepção e execução. No caso específico das redes urbanas de gás, de acordo com
as necessidades do projeto e com as características do terreno e do ambiente, uma série
III Workshop dos PRHs da UFRN
Natal, 01 e 02 de dezembro de 2003
de dutos e tubos, de diferentes características, podem ser utilizados. Existem valores limites,
aceitáveis (máximos) e desejáveis (mínimos), para a pressão e volume do gás que circulará
nestes dutos, que variam de segmento a segmento. O projeto está ainda condicionado a
fatores urbanos e ambientais, uma vez que sua realização implica na intervenção física nas
áreas que deve atender (e em áreas por onde deve passar). Além disso, a rede expandida
deve ser tal que atenda a todos os pontos de demanda de forma a minimizar os custos
(distâncias, custos de instalação). Portanto, a realização de tais projetos envolve uma série
de variáveis de decisão, se configurando em um problema complexo, de difícil solução
computacional. Neste contexto, os SIGs surgem como ferramentas que, aliadas às técnicas
de Otimização Combinatória, possibilitam o apoio à tomada de decisão no processo de
projeto das redes a serem implantadas e/ou expandidas.
3. Desafios.
Os principais desafios encontrados se referem à integração de uma plataforma SIG
em um ambiente integrado de programação (IDE), e à utilização de uma formulação
Bottleneck para árvores de Steiner.
4. Aplicabilidade.
A metodologia aqui proposta pode ser aplicada não só ao projeto de redes urbanas
de gás, mas ao projeto de qualquer rede urbana de serviço em topologia de árvore, e, com
algumas alterações, a redes urbanas em outras topologias.
5. Resultados.
Foram realizados testes de desempenho para os algoritmos SPH, Grasp e Genético
com 20 instâncias de tamanho médio da Steinlib – a biblioteca de instâncias on-line de
problemas de Steiner. Os algoritmos foram rodados em um Pentium 4 3GHz 512 MB RAM.
Por não se tratarem de testes com instâncias geográficas, estes resultados não permitem
exibição, sendo utilizados apenas para estatísticas de desempenho dos algoritmos.
Testes também foram realizados com instâncias reais fornecida pela PotiGás,
empresa responsável pela rede de distribuição de gás natural da cidade do Natal, com a
utilização de uma base geográfica da cidade, permitindo, portanto, exibição. Para a solução
de instâncias reais, a base da cidade passou por um processo de geocodificação dos
endereços dos clientes, e de análise de rede através do Network Analyst (extensão para
análises de rede da ESRI) e do NetEngine em conjunto com o MapObjects (bibliotecas de
programação para ambientes IDE da plataforma ESRI).
6. Benefícios Sociais e econômicos.
As soluções de design de redes de gás propostas minimizam os custos de
implantação/expansão das redes, e reduzem o impacto ambiental produzido pela
intervenção. Além disso, o projeto automatizado da rede permite a realização de
simulações, podendo prever dificuldades do processo, e prover soluções para as mesmas.
III Workshop dos PRHs da UFRN
Natal, 01 e 02 de dezembro de 2003