Γιάννης Τσουκαλάς

Πολιτικός Μηχανικός, MSc., Υποψήφιος Δρ.
jtsoukalas@hotmail.com

Συμμετοχή σε ερευνητικά έργα

Συμμετοχή ως ερευνητής

  1. Συντήρηση, αναβάθμιση και επέκταση του Συστήματος Υποστήριξης Αποφάσεων για την διαχείριση του υδροδοτικού συστήματος της ΕΥΔΑΠ

Δημοσιευμένο έργο

Publications in scientific journals

  1. I. Tsoukalas, C. Makropoulos, and D. Koutsoyiannis, Simulation of stochastic processes exhibiting any-range dependence and arbitrary marginal distributions, Water Resources Research, 2018, (υπό αξιολόγηση).
  2. I. Tsoukalas, S.M. Papalexiou, A. Efstratiadis, and C. Makropoulos, A cautionary note on the reproduction of dependencies through linear stochastic models with non-Gaussian white noise, Water, 10 (6), 771, doi:10.3390/w10060771, 2018.
  3. G. Papaioannou, A. Efstratiadis, L. Vasiliades, A. Loukas, S.M. Papalexiou, A. Koukouvinos, I. Tsoukalas, and P. Kossieris, An operational method for Floods Directive implementation in ungauged urban areas, Hydrology, 5 (2), 24, doi:10.3390/hydrology5020024, 2018.
  4. I. Tsoukalas, A. Efstratiadis, and C. Makropoulos, Stochastic periodic autoregressive to anything (SPARTA): Modelling and simulation of cyclostationary processes with arbitrary marginal distributions, Water Resources Research, 54 (1), 161–185, WRCR23047, doi:10.1002/2017WR021394, 2018.
  5. A. Tegos, N. Malamos, A. Efstratiadis, I. Tsoukalas, A. Karanasios, and D. Koutsoyiannis, Parametric modelling of potential evapotranspiration: a global survey, Water, 9 (10), 795, doi:10.3390/w9100795, 2017.
  6. C. Makropoulos, E. Rozos, I. Tsoukalas, and et al., Sewer-mining: A water reuse option supporting circular economy, public service provision and entrepreneurship, Journal of Environmental Management, doi:10.1016/j.jenvman.2017.07.026, 2017, (υπό έκδοση).
  7. E. Rozos, I. Tsoukalas, K. Ripis, E. Smeti, and C. Makropoulos, Turning black into green: Ecosystem services from treated wastewater, Desalination and Water Treatment, 91 (2017), 2017.
  8. I. Tsoukalas, P. Kossieris, A. Efstratiadis, and C. Makropoulos, Surrogate-enhanced evolutionary annealing simplex algorithm for effective and efficient optimization of water resources problems on a budget, Environmental Modelling and Software, 77, 122–142, doi:10.1016/j.envsoft.2015.12.008, 2016.
  9. I. Tsoukalas, and C. Makropoulos, A surrogate based optimization approach for the development of uncertainty-aware reservoir operational rules: the case of Nestos hydrosystem, Water Resources Management, 29 (13), 4719–4734, doi:10.1007/s11269-015-1086-8, 2015.
  10. I. Tsoukalas, and C. Makropoulos, Multiobjective optimisation on a budget: Exploring surrogate modelling for robust multi-reservoir rules generation under hydrological uncertainty, Environmental Modelling and Software, 69, 396–413, doi:10.1016/j.envsoft.2014.09.023, 2015.

Book chapters and fully evaluated conference publications

  1. I. Tsoukalas, C. Makropoulos, and A. Efstratiadis, Stochastic simulation of periodic processes with arbitrary marginal distributions, 15th International Conference on Environmental Science and Technology (CEST2017), Rhodes, Global Network on Environmental Science and Technology, 2017.
  2. E. Rozos, I. Tsoukalas, K. Ripis, E. Smeti, and C. Makropoulos, Turning black into green: ecosystem services from treated wastewater, 13th IWA Specialized Conference on Small Water and Wastewater Systems, Athens, Greece, National Technical University of Athens, 2016, (υπό έκδοση).
  3. I. Tsoukalas, P. Dimas, and C. Makropoulos, Hydrosystem optimization on a budget: Investigating the potential of surrogate based optimization techniques, 14th International Conference on Environmental Science and Technology (CEST2015), Global Network on Environmental Science and Technology, University of the Aegean, 2015.

Conference publications and presentations with evaluation of abstract

  1. I. Tsoukalas, P. Kossieris, A. Efstratiadis, C. Makropoulos, and D. Koutsoyiannis, CastaliaR: An R package for multivariate stochastic simulation at multiple temporal scales, European Geosciences Union General Assembly 2018, Geophysical Research Abstracts, Vol. 20, Vienna, EGU2018-18433, doi:10.13140/RG.2.2.20978.81605, European Geosciences Union, 2018.
  2. Y. Moustakis, P. Kossieris, I. Tsoukalas, and A. Efstratiadis, Quasi-continuous stochastic simulation framework for flood modelling, European Geosciences Union General Assembly 2017, Geophysical Research Abstracts, Vol. 19, Vienna, 19, EGU2017-534, European Geosciences Union, 2017.
  3. P. Kossieris, A. Efstratiadis, I. Tsoukalas, and D. Koutsoyiannis, Assessing the performance of Bartlett-Lewis model on the simulation of Athens rainfall, European Geosciences Union General Assembly 2015, Geophysical Research Abstracts, Vol. 17, Vienna, EGU2015-8983, doi:10.13140/RG.2.2.14371.25120, European Geosciences Union, 2015.
  4. A. Efstratiadis, I. Tsoukalas, P. Kossieris, G. Karavokiros, A. Christofides, A. Siskos, N. Mamassis, and D. Koutsoyiannis, Computational issues in complex water-energy optimization problems: Time scales, parameterizations, objectives and algorithms, European Geosciences Union General Assembly 2015, Geophysical Research Abstracts, Vol. 17, Vienna, EGU2015-5121, doi:10.13140/RG.2.2.11015.80802, European Geosciences Union, 2015.
  5. A. Drosou, P. Dimitriadis, A. Lykou, P. Kossieris, I. Tsoukalas, A. Efstratiadis, and N. Mamassis, Assessing and optimising flood control options along the Arachthos river floodplain (Epirus, Greece), European Geosciences Union General Assembly 2015, Geophysical Research Abstracts, Vol. 17, Vienna, EGU2015-9148, European Geosciences Union, 2015.
  6. I. Tsoukalas, P. Kossieris, A. Efstratiadis, and C. Makropoulos, Handling time-expensive global optimization problems through the surrogate-enhanced evolutionary annealing-simplex algorithm, European Geosciences Union General Assembly 2015, Geophysical Research Abstracts, Vol. 17, Vienna, EGU2015-5923, European Geosciences Union, 2015.

Ανάλυση ερευνητικών έργων

Συμμετοχή ως ερευνητής

  1. Συντήρηση, αναβάθμιση και επέκταση του Συστήματος Υποστήριξης Αποφάσεων για την διαχείριση του υδροδοτικού συστήματος της ΕΥΔΑΠ

    Περίοδος εκτέλεσης: Οκτώβριος 2008–Νοέμβριος 2011

    Προϋπολογισμός: €72 000

    Project director: Ν. Μαμάσης

    Κύριος ερευνητής: Δ. Κουτσογιάννης

    Το ερευνητικό έργο περιλαμβάνει την αναβάθμιση, συντήρηση και επέκταση του Συστήματος Υποστήριξης Αποφάσεων (ΣΥΑ) που ανέπτυξε το ΕΜΠ για την ΕΥΔΑΠ στα πλαίσια του ερευνητικού έργου Εκσυγχρονισμός της εποπτείας και διαχείρισης του συστήματος των υδατικών πόρων ύδρευσης της Αθήνας (1999-2003). Οι εργασίες αφορούν (α) στη Βάση Δεδομένων (αναβάθμιση λογισμικού, διαχείριση χρονοσειρών ποιοτικών παραμέτρων), (β) στο μετρητικό δίκτυο (επέκταση-βελτίωση- συντήρηση, εκτίμηση απωλειών υδραγωγείων), (γ) στην αναβάθμιση λογισμικού διαχείρισης δεδομένων και την προσθήκη αυτόματης επεξεργασίας τηλεμετρικών δεδομένων, (δ) στο λογισμικό Υδρονομέας (επικαιροποίηση του μοντέλου του υδροσυστήματος, επέκταση του μοντέλου προσομοίωσης και βελτιστοποίησης, αναβάθμιση λειτουργικών χαρακτηριστικών λογισμικού), (ε) σε υδρολογικές αναλύσεις (συλλογή και επεξεργασία δεδομένων, επικαιροποίηση χαρακτηριστικών υδρολογικών μεγεθών) και (στ) στα ετήσια διαχειριστικά σχέδια (υποστήριξη στην εκπόνηση).

Ανάλυση δημοσιευμένου έργου

Publications in scientific journals

  1. I. Tsoukalas, C. Makropoulos, and D. Koutsoyiannis, Simulation of stochastic processes exhibiting any-range dependence and arbitrary marginal distributions, Water Resources Research, 2018, (υπό αξιολόγηση).

    Συμπληρωματικό υλικό:

  1. I. Tsoukalas, S.M. Papalexiou, A. Efstratiadis, and C. Makropoulos, A cautionary note on the reproduction of dependencies through linear stochastic models with non-Gaussian white noise, Water, 10 (6), 771, doi:10.3390/w10060771, 2018.

    [Προειδοποιητική επισήμανση σχετικά με την αναπαραγωγή των εξαρτήσεων μέσω γραμμικών στοχαστικών μοντέλων με μη γκαουσιανό λευκό θόρυβο]

    Από τις πρώτες ημέρες της στοχαστικής υδρολογίας πίσω στη δεκαετία του ’60, τα μοντέλα αυτοπαλινδρόμησης (AR) και κινούμενου μέσου όρου (ΜΑ) χρησιμοποιήθηκαν ευρέως για την προσομοίωση υδρομετεωρολογικών διεργασιών. Αρχικά, κυριάρχησαν το μοντέλο AR(1) ή Μαρκοβιανά μοντέλα με γκαουσιανό θόρυβο, λόγω της εννοιολογικής και μαθηματικής τους απλότητας. Ωστόσο, η πανταχού παρούσα ασύμμετρη συμπεριφορά των περισσότερων υδρομετεωρολογικών διεργασιών, κυρίως στις λεπτές χρονικές κλίμακες, κατέστησε αναγκαία τη γέννηση συνθετικών χρονοσειρών που μπορούν επίσης να αναπαράξουν ροπές μεγαλύτερης τάξης. Συνεπώς, τα προηγούμενα σχήματα εμπλουτίστηκαν ώστε να διατηρούν την ασυμμετρία, μέσω της χρήσης μη γκαουσιανού λευκού θορύβου – τροποποίηση που αποδίδεται στους Thomas & Fiering (TF). Παρόλο που η διατήρηση ροπών υψηλότερης τάξης προκειμένου να προσεγγιστεί μια κατανομή αποτελεί μια περιορισμένη και δυνητικά επικίνδυνη λύση, η προσέγγιση TF κατέστη μια κοινή επιλογή στην επιχειρησιακή πρακτική. Στην παρούσα μελέτη, σχεδόν μισό αιώνα μετά την εισαγωγή τους, αποκαλύπτουμε μια σημαντική αδυναμία που εκτείνεται σε όλα τα δημοφιλή γραμμικά στοχαστικά μοντέλα που εφαρμόζουν μη γκαουσιανό λευκό θόρυβο. Εστιάζοντας στη μαρκοβιανή περίπτωση, αποδεικνύουμε μαθηματικά ότι αυτό το σχήμα γέννησης παράγει φραγμένες σχέσεις εξάρτησης, που είναι μη ρεαλιστικές και μη συνεπείς με τα παρατηρημένα δεδομένα. Η αποκαλούμενη ως «συμπεριφορά περιβλήματος» εντείνεται καθώς αυξάνει η ασυμμετρία και συσχέτιση, όπως αναδεικνύεται με βάση πραγματικά και υποθετικά προβλήματα προσομοίωσης.

    Πλήρες κείμενο: http://www.itia.ntua.gr/el/getfile/1848/1/documents/water-10-00771.pdf (14101 KB)

    Βλέπε επίσης: http://www.mdpi.com/2073-4441/10/6/771

    Άλλες εργασίες που αναφέρονται σ' αυτή την εργασία (αυτός ο κατάλογος μπορεί να μην είναι ενημερωμένος):

    1. Papalexiou, S. M., Y. Markonis, F. Lombardo, A. AghaKouchak, and E. Foufoula‐Georgiou, Precise temporal Disaggregation Preserving Marginals and Correlations (DiPMaC) for stationary and non‐stationary processes, Water Resources Research, doi:10.1029/2018WR022726, 2018.

  1. G. Papaioannou, A. Efstratiadis, L. Vasiliades, A. Loukas, S.M. Papalexiou, A. Koukouvinos, I. Tsoukalas, and P. Kossieris, An operational method for Floods Directive implementation in ungauged urban areas, Hydrology, 5 (2), 24, doi:10.3390/hydrology5020024, 2018.

    [Επιχειρησιακή μέθοδος υλοποίησης της Οδηγίας για τις Πλημμύρες σε αστικές περιοχές χωρίς μετρητικές υποδομές]

    Αναπτύσσεται ένα επιχειρησιακό πλαίσιο για την εκτίμηση του πλημμυρικού κινδύνου σε αστικές περιοχές χωρίς μετρητικές υποδομές, στο πλαίσιο της υλοποίησης της Οδηγίας της ΕΕ για τις Πλημμύρες στην Ελλάδα, το οποίο επιδεικνύεται στην μητροπολιτική περιοχή του Βόλου, στην Κεντρική Ελλάδα, που επηρεάζεται συχνά από ισχυρές καταιγίδες που προκαλούν αστραπιαίες πλημμύρες. Εφαρμόζεται μια προσέγγιση σεναρίου, λαμβάνοντας υπόψη τις αβεβαιότητες σε καίριες πτυχές της μοντελοποίησης. Αυτό εμπεριέχει αναλύσεις ακραίων βροχοπτώσεων, από τις οποίες προκύπτουν χωρικά κατανεμημένες σχέσεις έντασης-διάρκειας-συχνότητας (όμβριες καμπύλες) και διαστήματα εμπιστοσύνης αυτών, και προσομοιώσεις πλημμυρών, μέσω της μεθόδου SCS-CN και της θεωρίας μοναδιαίου υδρογραφήματος, που παράγουν υδρογραφήματα σχεδιασμού σε κλίμακα υπολεκάνης, για διάφορες συνθήκες εδαφικής υγρασίας. Η διόδευση των πλημμυρικών υδρογραφημάτων και απεικόνιση των κατακλυζόμενων περιοχών υλοποιείται μέσω του μοντέλου HEC-RAS 2D, με ευέλικτη διάσταση κανάβου, αντιπροσωπεύοντας την αντίσταση που προκαλούν τα κτήρια μέσω της μεθόδου τοπικής ανύψωσης. Για όλα τα υδρογραφήματα εκτιμώνται άνω και κάτω όρια των βαθών νερού, ταχυτήτων ροής και κατακλυζόμενων εκτάσεων, για διάφορες τιμές του συντελεστή τραχύτητας. Η μεθοδολογία επαληθεύεται με βάση το πλημμυρικό επεισόδιο της 9ης Οκτωβρίου 2006, με τη χρήση παρατηρημένων δεδομένων πλημμυρικής κατάκλυσης. Οι αναλύσεις μας καταδεικνύουν ότι παρόλο που οι τυπικές προσεγγίσεις μηχανικού για λεκάνες χωρίς μετρήσεις υπόκεινται σε μείζονες αβεβαιότητες, η υδρολογική εμπειρία μπορεί να αντισταθμίσει την έλλειψη πληροφορίας, εξασφαλίζοντας έτσι αρκετά ρεαλιστικά αποτελέσματα.

    Πλήρες κείμενο: http://www.itia.ntua.gr/el/getfile/1829/1/documents/hydrology-05-00024_Idnk8fW.pdf (5243 KB)

    Άλλες εργασίες που αναφέρονται σ' αυτή την εργασία (αυτός ο κατάλογος μπορεί να μην είναι ενημερωμένος):

    1. Petroselli, A., M. Vojtek, and J. Vojteková, Flood mapping in small ungauged basins: A comparison of different approaches for two case studies in Slovakia, Hydrology Research, doi:10.2166/nh.2018.040, 2018.
    2. Manfreda, S., C. Samela, A. Refice, V. Tramutoli, and F. Nardi, Advances in large-scale flood monitoring and detection, Hydrology, 5(3), 49, doi:10.3390/hydrology5030049, 2018.

  1. I. Tsoukalas, A. Efstratiadis, and C. Makropoulos, Stochastic periodic autoregressive to anything (SPARTA): Modelling and simulation of cyclostationary processes with arbitrary marginal distributions, Water Resources Research, 54 (1), 161–185, WRCR23047, doi:10.1002/2017WR021394, 2018.

    [Στοχαστικό περιοδικό μοντέλο αυτοπαλινδρόμησης για κάθε κατανομή (SPARTA): Μοντελοποίηση και προσομοίωση κυκλοστάσιμων διεργασιών με αυθαίρετες περιθώριες κατανομές]

    Τα στοχαστικά μοντέλα στην υδρολογία παραδοσιακά αποσκοπούν στο να αναπαράξουν τα εμπειρικά στατιστικά χαρακτηριστικά των παρατηρημένων δεδομένων παρά κάποιο συγκεκριμένο μοντέλο κατανομής, το οποίο επιχειρεί να περιγράψει τη συνήθως μη γκαουσιανή στατιστική συμπεριφορά των αντίστοιχων διεργασιών. Το μοντέλο SPARTA (Stochastic Periodic AutoRegressive To Anything) παρέχει μια εναλλακτική και πρωτότυπη προσέγγιση, η οποία επιτρέπει τη ρητή περιγραφή κάθε διεργασίας ενδιαφέροντος μέσω οποιουδήποτε μοντέλου κατανομής, ενώ ταυτόχρονα δημιουργεί πρότυπα εξάρτησης που δεν μπορούν να απεικονιστούν πλήρως μέσω των τυπικών γραμμικών στοχαστικών σχημάτων. Ακρογωνιαίος λίθος της προτεινόμενης προσέγγισης είναι το μοντέλο από κοινού κατανομής Nataf, που σχετίζεται με τη γκαουσιανή copula, και συνδυάζεται με περιοδικές γκουασιανές ανελίξεις αυτοπαλινδρόμησης. Προκειμένου να αποκτήσουμε την επιθυμητή στοχαστική δομή, αναπτύξαμε επίσης έναν υπολογιστικά απλό και αποδοτικό αλγόριθμο, βασισμένο σε μια υβριδική διαδικασία Monte-Carlo, που χρησιμοποιείται για να προσεγγίσει τους απαιτούμενους ισοδύναμους συντελεστές συσχέτισης. Τα θεωρητικά και πρακτικά πλεονεκτήματα της προτεινόμενης μεθόδου, αντιπαραβαλλόμενα με τα αποτελέσματα ευρέως χρησιμοποιούμενων στοχαστικών μοντέλων, αναδεικνύονται μέσω πραγματικών και υποθετικών εφαρμογών στοχαστικής προσομοίωσης, που αφορούν τόσο σε μονομεταβλητές όσο και πολυμεταβλητές χρονοσειρές.

    Συμπληρωματικό υλικό:

    Άλλες εργασίες που αναφέρονται σ' αυτή την εργασία (αυτός ο κατάλογος μπορεί να μην είναι ενημερωμένος):

    1. Papalexiou, S. M., Unified theory for stochastic modelling of hydroclimatic processes: Preserving marginal distributions, correlation structures, and intermittency, Advances in Water Resources, 115, 234-252, doi:10.1016/j.advwatres.2018.02.013, 2018.

  1. A. Tegos, N. Malamos, A. Efstratiadis, I. Tsoukalas, A. Karanasios, and D. Koutsoyiannis, Parametric modelling of potential evapotranspiration: a global survey, Water, 9 (10), 795, doi:10.3390/w9100795, 2017.

    [Παραμετρικό μοντέλο δυνητικής εξατμοδιαπνοής: μια παγκόσμια έρευνα]

    Παρουσιάζουμε και επαληθεύουμε ένα παγκόσμιο παραμετρικό μοντέλο δυνητικής εξατμοδιαπνοής (ΡΕΤ) δύο παραμέτρων, οι οποίες εκτιμώνται μέσω βαθμονόμησης, χρησμοποιώντας ως επεξηγηματικές μεταβλητές τη θερμοκρασία και εξωγήινη ακτινοβολία. Το μοντέλο αι η διαδικασία εκτίμησης των παραμέτρων του ελέγχονται σε όλο τον πλανήτη, με χρήση της βάσης δεδομένων FAO CLIMWAT που παρέχει μέσες μηνιαίες τιμές των μετεωρολογικών εισόδων σε 4300 θέσεις παγκοσμίως. Μια προκαταρκτική ανάλυση των δεδομένων αυτών επέτρεψε την εξήγηση των κύριων μηχανισμών της ΡΕΤ παγοσμίως και εποχιακά. Στη συνέχεια , αναπτύξαμε ένα εργαλείο αυτόματης βελτιστοποίησης για τη βαθμονόμηση του μοντέλου και την παραγωγή σημειακών εκτιμήσεων της δυνητικής εξατμοδιαπνοής έναντι εκτιμήσεων με τη μέθοδο Penman-Monteith. Επίσης, πραγματοποιήσαμε εκτενείς αναλύσεις των δεδομένων εισόδου και εξόδου του μοντέλου, περιλαμβανομένης και της παραγωγής παγκόσμιων χαρτών των βελτιστοποιημένων παραμέτρων και σχετικών μέτρων επίδοσης. Ακόμη, εφαρμόσαμε τιμές των βελτιστοποιημένων παραμέτρων από παρεμβολή για να επαληθεύσουμε την προγνωστική ιακνότητα του μοντέλου μας έναντι μηνιαίων μετεωρολογικών χρονοσειρών, σε διάφορους σταθμούς στον κόσμο. Τα αποτελέσματα είναι πολύ ενθαρρυντικά, καθώς ακόμα και με τη χρήση περιληπτικής λκλιματικής πληροφορίας για τη βαθμονόμηση του μοντέλου και τη χρήση παραμέτρων από παρεμβολή ως τοπικών εκτιμητριών, το μοντέλο γενικά εξασφαλίζει αξιόπιστες εκτιμήσεις της ΡΕΤ. Σε κάποιες περιπτώσεις το μοντέλο έχει φτωχή συμπεριφορά ως προς την εκτίμηση της ΡΕΤ αναφοράς, λόγω μη ομαλών αλληλεπιδράσεων μεταξύ της θερμοκρασίας και εξωγήινης ακτινοβολίας, καθώς και επειδή οι σχετικές διεργασίες επηρεάζονται από επιπρόσθετα αίτια, π.χ. τη σχετική υγρασία και την ταχύτητα ανέμου. Ωστόσο, η ανάλυση των υπολοίπων έδειξε ότι το μοντέλο είναι συνεπές σε όρους ετίμησης παραμέτρων και εαλήθευσης. Οι εξαγόμενοι χάρτες παραμέτρων επιτρέπουν την άμεση χρήση του παραμετρικού μοντέλου οπουδήποτε στον κόσμο, παρέχοντας εκτιμήσεις της ΡΕΤ στην περίπτωση ελλιπών δεδομένων, που μποτούν να βελτιωθούν περαιτέρων με τη χρήση ενός μετεωρολογικών δειγμάτων μικρού μήκους.

    Πλήρες κείμενο: http://www.itia.ntua.gr/el/getfile/1738/2/documents/water-09-00795.pdf (6428 KB)

    Συμπληρωματικό υλικό:

    Βλέπε επίσης: http://www.mdpi.com/2073-4441/9/10/795

    Άλλες εργασίες που αναφέρονται σ' αυτή την εργασία: Δείτε τις στο Google Scholar ή στο ResearchGate

    Άλλες εργασίες που αναφέρονται σ' αυτή την εργασία (αυτός ο κατάλογος μπορεί να μην είναι ενημερωμένος):

    1. Elferchichi, A., G. A. Giorgio, N. Lamaddalena, M. Ragosta, and V. Telesca, Variability of temperature and its impact on reference evapotranspiration: the test case of the Apulia region (Southern Italy), Sustainability, 9(12), 2337, doi:10.3390/su9122337, 2017.
    2. Li, M., R. Chu, S. Shen, and A. R. T. Islam, Quantifying climatic impact on reference evapotranspiration trends in the Huai River Basin of Eastern China, Water, 10(2), 144, doi:10.3390/w10020144, 2018.
    3. Yan, N., F. Tian, B. Wu, W. Zhu, and M. Yu, Spatiotemporal analysis of actual evapotranspiration and its causes in the Hai basin, Remote Sensing, 10(2), 332; doi:10.3390/rs10020332, 2018.
    4. Li, M., R. Chu, A.R.M.T. Islam, and S. Shen, Reference evapotranspiration variation analysis and its approaches evaluation of 13 empirical models in sub-humid and humid regions: A case study of the Huai River Basin, Eastern China, Water, 10(4), 493, doi:10.3390/w10040493, 2018.
    5. Hao, X., S. Zhang, W. Li, W. Duan, G. Fang, Y. Zhang , and B. Guo, The uncertainty of Penman-Monteith method and the energy balance closure problem, Journal of Geophysical Research – Atmospheres, 123(14), 7433-7443, doi:10.1029/2018JD028371, 2018.
    6. Giménez, P. O., and S. G. García-Galiano, Assessing Regional Climate Models (RCMs) ensemble-driven reference evapotranspiration over Spain, Water, 10(9), 1181, doi:10.3390/w10091181, 2018.

  1. C. Makropoulos, E. Rozos, I. Tsoukalas, and et al., Sewer-mining: A water reuse option supporting circular economy, public service provision and entrepreneurship, Journal of Environmental Management, doi:10.1016/j.jenvman.2017.07.026, 2017, (υπό έκδοση).

  1. E. Rozos, I. Tsoukalas, K. Ripis, E. Smeti, and C. Makropoulos, Turning black into green: Ecosystem services from treated wastewater, Desalination and Water Treatment, 91 (2017), 2017.

    [Πράσινο από μαύρο: οικοσυστημικές υπηρεσίες από επεξεργασμένα λύματα]

    Πλήρες κείμενο: http://www.itia.ntua.gr/el/getfile/1715/1/documents/Manuscript_subm2_CM.pdf (636 KB)

  1. I. Tsoukalas, P. Kossieris, A. Efstratiadis, and C. Makropoulos, Surrogate-enhanced evolutionary annealing simplex algorithm for effective and efficient optimization of water resources problems on a budget, Environmental Modelling and Software, 77, 122–142, doi:10.1016/j.envsoft.2015.12.008, 2016.

    [Εξελικτικός αλγόριθμος ανόπτησης-απλόκου εμπλουτισμένος με υποκατάστατα μοντέλα για αποδοτική και αποτελεσματική βελτιστοποίηση προβλημάτων υδατικών πόρων με περιορισμένο προϋπολογισμό]

    Στα προβλήματα βελτιστοποίησης υδατικών πόρων, η στοχική συνάρτηση συνήθως προϋποθέτει πρώτα να τρέξει ένα μοντέλο προσομοίωσης και στη συνέχεια να αξιολογηθούν τα αποτελέσματά του. Ωστόσο, οι μεγάλοι χρόνοι προσομοίωσης μπορεί να θέσουν πολύ σοβαρά εμπόδια στην παραπάνω διαδικασία. Συχνά, για να παραληφθεί μια λύση σε λογικό χρόνο, ο χρήστης πρέπει να μειώσει δραστικά το επιτρεπόμενο πλήθος αποτιμήσεων της συνάρτησης, τερματίζοντας έτσι την αναζήτηση πολύ νωρίτερα από όσο χρειάζεται. Μια υποσχόμενη στρατηγική για την αντιμετώπιση αυτών των αδυναμιών είναι η χρήση τεχνικών υποκατάστατων μοντέλων. Εδώ εισάγουμε τον εξελικτικό αλγόριθμο ανόπτησης-απλόκου εμπλουτισμένο με υποκατάστατα μοντέλα (Surrogate-Enhanced Evolutionary Annealing-Simplex, SEEAS) που συνδυάζει τα ισχυρά σημεία των υποκατάστατων μοντέλων με την αποτελεσματικότητα και αποδοτικότητα της εξελικτικής μεθόδου ανόπτησης-απλόκου. Ο αλγόριθμος SEEAS συνδυάζει τρεις διαφορετικές προσεγγίσεις βελτιστοποίησης (εξελικτική αναζήτηση, προσομοιωμένη ανόπτηση, και κατερχόμενο άπλοκο). Η επίδοσή του συγκρίνεται με άλλους αλγορίθμους που βασίζονται σε υποκατάστατα, σε διάφορες συναρτήσεις ελέγχου και σε δύο εφαρμογές υδατικών πόρων (βαθμονόμηση μοντέλου, διαχείριση ταμιευτήρων). Τα αποτελέσματα αναδεικνύουν τις σημαντικές δυνατότητες της χρήσης του SEEAS σε απαιτητικά προβλήματα βελτιστοποίησης με περιορισμένο προϋπολογισμό.

    Σχετικές εργασίες:

    • [19] Πρόδρομη παρουσίαση σε συνέδριο της EGU

    Πλήρες κείμενο: http://www.itia.ntua.gr/el/getfile/1587/2/documents/SEEAS_paper.pdf (4310 KB)

    Συμπληρωματικό υλικό:

    Άλλες εργασίες που αναφέρονται σ' αυτή την εργασία (αυτός ο κατάλογος μπορεί να μην είναι ενημερωμένος):

    1. Dariane , A. B., and M. M. Javadianzadeh, Towards an efficient rainfall–runoff model through partitioning scheme, Water, 8, 63; doi:10.3390/w8020063, 2016.
    2. Yaseen, Z. M., O. Jaafar, R. C. Deo, O. Kisi, J. Adamowski, J. Quilty, and A. El-Shafie, Boost stream-flow forecasting model with extreme learning machine data-driven: A case study in a semi-arid region in Iraq, Journal of Hydrology, 542, 603-614, doi:10.1016/j.jhydrol.2016.09.035, 2016.
    3. Müller, R., and N. Schütze, Multi-objective optimization of multi-purpose multi-reservoir systems under high reliability constraints, Environmental Earth Sciences, 75:1278, doi:10.1007/s12665-016-6076-5, 2016.
    4. #Christelis, V., V. Bellos, and G. Tsakiris, Employing surrogate modelling for the calibration of a 2D flood simulation model, Sustainable Hydraulics in the Era of Global Change: Proceedings of the 4th IAHR Europe Congress (Liege, Belgium, 27-29 July 2016), A. S. Erpicum, M. Pirotton, B. Dewals, P. Archambeau (editors), CRC Press, 2016.
    5. Salazar, J. Z., P. M. Reed, J. D. Quinn, M. Giuliani, and A. Castelletti, Balancing exploration, uncertainty and computational demands in many objective reservoir optimization, Advances in Water Resources, 109, 196-210, doi:10.1016/j.advwatres.2017.09.014, 2017.
    6. Christelis, V., and A. Mantoglou, Physics-based and data-driven surrogate models for pumping optimization of coastal aquifers, European Water, 57, 481–488, 2017.
    7. #Thandayutham, K., E. Avital, N. Venkatesan, and A. Samad, Design and analysis of a marine current turbine, Proceedings of ASME 2017 Gas Turbine India Conference and Exhibition, GTINDIA2017-4912, V001T02A014, Bangalore, India, doi:10.1115/GTINDIA2017-4912, 2017.
    8. Christelis, V., R. G. Regis, and A. Mantoglou, Surrogate-based pumping optimization of coastal aquifers under limited computational budgets, Journal of Hydroinformatics, 20(1), 164-176, doi:10.2166/hydro.2017.063, 2018.
    9. Psarrou, E., I. Tsoukalas, and C. Makropoulos, A Monte-Carlo-based method for the optimal placement and operation scheduling of sewer mining units in urban wastewater networks, Water, 10(2), 200, doi:10.3390/w10020200, 2018.
    10. #Thandayutham, K., L. K. Mishra, and A. Samad, Optimal design of a marine current turbine using CFD & FEA, 4th International Conference in Ocean Engineering, Chennai, India, 2018.
    11. Christelis, V., and A. G. Hughes, Metamodel-assisted analysis of an integrated model composition: an example using linked surface water – groundwater models, Environmental Modelling and Software, 107, 298-306, doi:10.1016/j.envsoft.2018.05.004, 2018.
    12. Zischg, A. P., G. Felder, M. Mosimann, V. Röthlisberger, and R. Weingartner, Extending coupled hydrological-hydraulic model chains with a surrogate model for the estimation of flood losses, Environmental Modelling and Software, 108, 174-185, doi:10.1016/j.envsoft.2018.08.009, 2018.

  1. I. Tsoukalas, and C. Makropoulos, A surrogate based optimization approach for the development of uncertainty-aware reservoir operational rules: the case of Nestos hydrosystem, Water Resources Management, 29 (13), 4719–4734, doi:10.1007/s11269-015-1086-8, 2015.

    [Προσέγγιση βελτιστοποίησης με βάση υποκατάστατα για την ανάπτυξη κανόνων λειτουργίας ταμιευτήρων υπό αβεβαιότητα: η περίπτωση του υδροσυστήματος Νέστου]

    Πλήρες κείμενο: http://www.itia.ntua.gr/el/getfile/1569/1/documents/tsoukalas_WRM.pdf (2008 KB)

    Άλλες εργασίες που αναφέρονται σ' αυτή την εργασία (αυτός ο κατάλογος μπορεί να μην είναι ενημερωμένος):

    1. Müller, R., and N. Schütze, Multi-objective optimization of multi-purpose multi-reservoir systems under high reliability constraints, Environmental Earth Sciences, 75:1278, doi:10.1007/s12665-016-6076-5, 2016.
    2. Christelis, V., and A. G. Hughes, Metamodel-assisted analysis of an integrated model composition: an example using linked surface water – groundwater models, Environmental Modelling and Software, doi:10.1016/j.envsoft.2018.05.004, 2018.

  1. I. Tsoukalas, and C. Makropoulos, Multiobjective optimisation on a budget: Exploring surrogate modelling for robust multi-reservoir rules generation under hydrological uncertainty, Environmental Modelling and Software, 69, 396–413, doi:10.1016/j.envsoft.2014.09.023, 2015.

    [Πολυστοχικική βελτιστοποίηση με «προϋπολογισμό»: Εξερευνώντας υποκατάστατα μοντέλα για εύρωστη παραγωγή κανόνων πολλαπλών ταμιευτήρων κάτω από υδρολογική αβεβαιότητα]

    Άλλες εργασίες που αναφέρονται σ' αυτή την εργασία (αυτός ο κατάλογος μπορεί να μην είναι ενημερωμένος):

    1. Müller, R., and N. Schütze, Multi-objective optimization of multi-purpose multi-reservoir systems under high reliability constraints, Environmental Earth Sciences, 75:1278, doi:10.1007/s12665-016-6076-5, 2016.
    2. Christelis, V., and A. G. Hughes, Metamodel-assisted analysis of an integrated model composition: an example using linked surface water – groundwater models, Environmental Modelling and Software, doi:10.1016/j.envsoft.2018.05.004, 2018.

Book chapters and fully evaluated conference publications

  1. I. Tsoukalas, C. Makropoulos, and A. Efstratiadis, Stochastic simulation of periodic processes with arbitrary marginal distributions, 15th International Conference on Environmental Science and Technology (CEST2017), Rhodes, Global Network on Environmental Science and Technology, 2017.

    [Στοχαστική προσομοίωση περιοδικών ανελίξεων με αυθαίρετες περιθώριες κατανομές]

    Η στοχαστική προσομοίωση των υδρολογικών διεργασιών έχει ρόλο κλειδί στον σχεδιασμό και διαχείριση των υδατικών πόρων, χάρη στην ικανότητά της να ενσωματώνει την υδρολογική αβεβαιότητα στη λήψη αποφάσεων. Λόγω της περιοδικότητας, τα στατιστικά χαρακτηρσιτικά των διεργασιών αυτών θεωρούνται περιοδικές συναρτήσεις, επιβάλοντας έτσι τη σχήση κυκλοστάσιμων στοχαστικών μοντέλων, χρησιμοποιώντας συνήθως μια κοινή στατιστική κατανομή. Ωστόσο, αυτή μπορεί να μην είναι αντιπροσωπευτική της στατιστικής δομής αυτών των διεργασιών για όλες τις εποχές. Στο πλαίσιο αυτό, εισάγουμε ένα νέο μοντέλο, ικανό για την προσομοίωση περιοδικών διεργασιών με αυθαίρετες περιθώριες κατανομές, που καλείται Stochastic Periodic AutoRegressive To Anything (SPARTA). Πέρα από την αναπαραγωγή της περιοδικής δομής συσχέτισης των μητρικών διεργασιών, τα βασικά πλοενεκτήματα είναι: (α) η ακριβής διατήρηση των εποχιακά μεταβαλόμενων περιθώριων κατανομών, (β) η ρητή γέννηση μη αρνητικών τιμών, και (γ) η φειδωλή δομή του μοντέλου. Τέλος, αναδεικνύουμε την επίδοση του μοντέλου μέσω μιας θεωρητικής (τεχνητής) μελέτης περίπτωσης.

    Πλήρες κείμενο: http://www.itia.ntua.gr/el/getfile/1731/1/documents/cest2017_00797_oral_paper_V2.pdf (655 KB)

    Συμπληρωματικό υλικό:

    Βλέπε επίσης: http://cest.gnest.org/sites/default/files/presentation_file_list/cest2017_00797_oral_paper.pdf

  1. E. Rozos, I. Tsoukalas, K. Ripis, E. Smeti, and C. Makropoulos, Turning black into green: ecosystem services from treated wastewater, 13th IWA Specialized Conference on Small Water and Wastewater Systems, Athens, Greece, National Technical University of Athens, 2016, (υπό έκδοση).

    [Φτιάχνοντας πράσινο από το μαύρο: οικοσυστημικές παροχές από επεξεργασμένα λύματα]

    Πλήρες κείμενο: http://www.itia.ntua.gr/el/getfile/1600/1/documents/Manuscript_QiNArbH.pdf (509 KB)

  1. I. Tsoukalas, P. Dimas, and C. Makropoulos, Hydrosystem optimization on a budget: Investigating the potential of surrogate based optimization techniques, 14th International Conference on Environmental Science and Technology (CEST2015), Global Network on Environmental Science and Technology, University of the Aegean, 2015.

    Πλήρες κείμενο: http://www.itia.ntua.gr/el/getfile/1574/1/documents/cest2015_00162_oral_paper.pdf (475 KB)

    Βλέπε επίσης: http://cest.gnest.org/cest15proceedings/public_html/papers/cest2015_00162_oral_paper.pdf

Conference publications and presentations with evaluation of abstract

  1. I. Tsoukalas, P. Kossieris, A. Efstratiadis, C. Makropoulos, and D. Koutsoyiannis, CastaliaR: An R package for multivariate stochastic simulation at multiple temporal scales, European Geosciences Union General Assembly 2018, Geophysical Research Abstracts, Vol. 20, Vienna, EGU2018-18433, doi:10.13140/RG.2.2.20978.81605, European Geosciences Union, 2018.

    [CastaliaR: Πακέτο σε γλώσσα R για πολυμεταβλητή στοχαστική προσομοίωση σε πολλαπλές χρονικές κλίμακες]

    Σε αντίθεση με τις σπουδαίες εξελίξεις των τεχνικών στοχαστικής προσομοίωσης στην υδρολογία και τη σημασία τους στη διαχείριση των υδατικών πόρων και τις μελέτες εκτίμησης της αβεβαιότητας, τα επιχειρησιακά πακέτα λογισμικού για παραγωγή συνθετικών δεδομένων είναι περιορισμένα και δύσκολα προσβάσιμα. Αυτό περιορίζει την υιοθέτησή τους σε ένα στενό κοινό, εξαιρώντας τη συντριπτική πλειονότητα των ερευνητών και ανθρώπτων της πράξης. Σε μια προσπάεθια να γυρυρώσουμε αυτό το χάσμα, εισάγουμε το πακέτο CastaliaR που συνιστά την υλοποίηση ανοιχτού κώδικα και σε περιβάλλον R μιας μεθοδολογίας αιχμής για πολυμεταβλητή στοχαστική προσομοίωση. Το υπόβαθρό του έχει θεμελιωθεί στις εργασίες των Koutsoyiannis & Manetas (1996), Koutsoyiannis (1999, 2000) και Efstratiadis et al. (2014). Συνοπτικά, το πλήρες σχήμα αναπαράγει τα στατιστικά χαρακτηριστικά των ιστορικών δεδομένων σε τρεις χρονικές κλίμαες (ετήσια, μηνιαία, ημερήσια). Η δαδικασία γέννησης βασίζεται σε μια ανέλιξη συμμετρικού κινούμενου μέσου όρου για την ετήσια κλίμακα και σε περιοδικές ανελίξεις αυτοσυνδθασποράς για τις λεπτότερες κλίμακες, ενω μια προσέγγιση Monte Carlo επιμερισμού επαναποκαθιστά τη συνέπεια μεταξύ των τριών χρονικών κλιμάκων.

    Πλήρες κείμενο:

  1. Y. Moustakis, P. Kossieris, I. Tsoukalas, and A. Efstratiadis, Quasi-continuous stochastic simulation framework for flood modelling, European Geosciences Union General Assembly 2017, Geophysical Research Abstracts, Vol. 19, Vienna, 19, EGU2017-534, European Geosciences Union, 2017.

    [Πλαίσιο ψευδοσυνεχούς στοχαστικής προσομοίωσης για τη μοντελοποίηση πλημμυρών]

    Συνήθως, η μοντελοποίηση των πλημμυρών στο πλαίσιο των καθημαρινών πρακτικών των μηχανικών αντιμετωπίζεται μέσω προσδιοριστικών εργαλείων επεσοδίου, π.χ. τη γνωστή μέθοδο SCS-CN. Ένα ουσιώδες μειονέκτημα των εν λόγω προσεγγίσεων είναι η άγνοια της αβεβαιότητας, η οποία σχετίζεται με τη μεταβλητότητα των συνθηκών εδαφικής υγρασίας καθώς και τη μεταβλητότητα της βροχόπτωσης κατά τη διάρκεια του επεισοδίου καταιγίδας. Στα μοντέλα επεισοδίου, η μοναδική έκφραση της αβεβαιότητας είναι η περίοδος επαναφοράς της καταιγίδα σχεδιασμού, που θεωρείται ότι αντιπροσωπεύει το αποδεκτό ρίσκο όλων των μεγεθών εξόδου (όγκος πλημμύρας, παροχή αιχμής, κτλ.). Από την άλλη, οι μεταβλητές συνθήκες εδαφικής υγρασίας στη λεκάνη αναπαρίστανται μέσω σεναρίων (π.χ. οι τρεις τύποι προηγούμενων συνθηκών υγρασίας της SCS), ενώ η χρονική κατανομή της βροχόπτωσης αναπαριστάται μέσω τυπικών προσδιοριστικών προτύπων (π.χ. μέθοδος εναλλασσόμενων μπλοκ). Προκειμένου να αντιμετωπίσουμε τις σημαντικές αυτές ασυνέπειες, διατηρώντας ταυτόχρονα την απλότητα και φειδωλή παραμετροποίηση της μεθόδου SCS-CN, αναπτύξαμε μια στοχαστική προσέγγιση ψευδο-συνεχούς προσομοίωσης, που περιλαμβάνει τα εξής βήματα: (1) γέννηση συνθετικών χρονοσειρών ημερήσιας βροχόπτωσης, (2) επικαιροποίηση της μέγιστης δυνητικής κατακράτησης, με βάση την αθροιστική βροχόπτωση των πέντε προηγούμενων ημερών, (3) εκτίμηση του ημερήσιου ύψους απορροής με βάση την εξίσωση της SCS-CN, λαμβάνοντας ως είσοδο την ημερήσια βροχόπτωση και της επικαιροποιημένη τιμή της μέγιστης δυνητικής κατακράτησης, (4) επιλογή ακραίων επεισοδίων και εφαρμογή της τυπικής διαδικασίας της SCS-CN σε κάθε επεισόδιο, με βάση συνθετικές βροχοπτώσεις. Το παραπάνω σχήμα απαιτεί τη χρήση δύο στοχαστικών μοντέλων, ειδικότερα του μοντέλου CastaliaR, για τη γέννηση των ημερήσιων δεδομένων βροχόπτωσης, και του μοντέλου HyetosMinute, για τον επιμερισμό της ημερήσιας βροχής σε λεπτότερες χρονικές κλίμακες. Στα αποτελέσματα της προσέγγισης αυτής περιλαμβάνουν ένα μεγάλο πλήθος συνθετικών πλημμυρικών επεισοδίων, που επιτρέπει τη διατύπωση των μεγεθών σχεδιασμού σε στατιστικούς όρους, καθώς και τη ορθή αποτίμηση του πλημμυρικού κινδύνου.

    Πλήρες κείμενο: http://www.itia.ntua.gr/el/getfile/1680/2/documents/FINAL_Moustakis_EGU2017.pdf (1492 KB)

    Συμπληρωματικό υλικό:

  1. P. Kossieris, A. Efstratiadis, I. Tsoukalas, and D. Koutsoyiannis, Assessing the performance of Bartlett-Lewis model on the simulation of Athens rainfall, European Geosciences Union General Assembly 2015, Geophysical Research Abstracts, Vol. 17, Vienna, EGU2015-8983, doi:10.13140/RG.2.2.14371.25120, European Geosciences Union, 2015.

    [Αξιολογώντας την επίδοση του μοντέλου Bartlett-Lewis για την προσομοίωση της βροχόπτωσης στην Αθήνα]

    Πολλές υδρολογικές εφαρμογές απαιτούν τη χρήση χρονοσειρών βροχής μεγάλου μήκους σε μικρές χρονικές κλίμακες. Για να επιτευχθεί αυτό, συχνά χρησιμοποιούνται στοχαστικές μέθοδοι προσομοίωσης που επιτρέπουν την παραγωγή μεγάλου πλήθους επεισοδίων βροχής μέσω της Monte Carlo στοχαστικής διαδικασίας. Σε αυτά τα πλαίσια, το μοντέλο Bartlett-Lewis αποτελεί ένα αντιπροσωπευτικό παράδειγμα από την οικογένεια μοντέλων που στηρίζονται στην Poisson στοχαστική ανέλιξη. Στην παρούσα εργασία, μελετήθηκε η ικανότητα δυο διαφορετικών εκδοχών του μοντέλου Bartlett-Lewis, με 5 και 6 παραμέτρους αντίστοιχα, στο να αναπαράγουν τα χαρακτηριστικά της βροχής της Αθήνας (Ελλάδα). Εκτός από τα βασικά στατιστικά χαρακτηριστικά που διατηρούνται ρητά από το μοντέλο (μέση τιμή, τυπική απόκλιση, αυτοσυσχέτιση, πιθανότητα μηδενικής τιμής), μελετήθηκαν οι κατανομές ακραίων τιμών των ωριαίων υψών βροχής καθώς και τα βασικά χρονικά χαρακτηριστικά των γεγονότων βροχής (διάρκεια βροχερών επεισοδίων, διάρκεια μεταξύ καταιγίδων). Τα χαρακτηριστικά αυτά δεν προκύπτουν άμεσα από τις θεωρητικές εξισώσεις του μοντέλου, αλλά υπολογίζονται εμπειρικά από τα συνθετικά δεδομένα. Η ανάλυση διενεργήθηκε ανά μήνα και για διαφορετικές χρονικές κλίμακες, από την ωριαία μέχρι και την ημερήσια. Πέραν αυτού, ιδιαίτερο βάρος δόθηκε στο πρόβλημα βαθμονόμησης του μοντέλου, αξιολογώντας την επίδοσή του για διαφορετικά μέτρα επίδοσης, χρονικές κλίμακες και στατιστικά χαρακτηριστικά.

    Πλήρες κείμενο:

    Βλέπε επίσης: http://dx.doi.org/10.13140/RG.2.2.14371.25120

    Άλλες εργασίες που αναφέρονται σ' αυτή την εργασία (αυτός ο κατάλογος μπορεί να μην είναι ενημερωμένος):

    1. Li, X., A. Meshgi, X. Wang, J. Zhang, S. H. X. Tay, G. Pijcke, N. Manocha, M. Ong, M. T. Nguyen, and V. Babovic, Three resampling approaches based on method of fragments for daily-to-subdaily precipitation disaggregation, International Journal of Climatology, 38(Suppl.1), e1119-e1138, doi:10.1002/joc.5438, 2018.
    2. Park, J., C. Onof, and D. Kim, A hybrid stochastic rainfall model that reproduces rainfall characteristics at hourly through yearly time dcale, Hydrology and Earth System Science Discussions, doi:10.5194/hess-2018-267, 2018.

  1. A. Efstratiadis, I. Tsoukalas, P. Kossieris, G. Karavokiros, A. Christofides, A. Siskos, N. Mamassis, and D. Koutsoyiannis, Computational issues in complex water-energy optimization problems: Time scales, parameterizations, objectives and algorithms, European Geosciences Union General Assembly 2015, Geophysical Research Abstracts, Vol. 17, Vienna, EGU2015-5121, doi:10.13140/RG.2.2.11015.80802, European Geosciences Union, 2015.

    [Υπολογιστικά ζητήματα σε σύνθετα προβλήματα βελτιστοποίησης νερού-ενέργειας: Χρονικές κλίμακες, παραμετροποιήσεις, στόχοι και αλγόριθμοι]

    Η μοντελοποίηση των υβριδικών συστημάτων ανανεώσιμης ενέργειας (ΥΣΑΕ) μεγάλης κλίμακας αποτελεί αντικείμενο-πρόκληση, στο οποίο υπάρχουν πολλά ανοιχτά υπολογιστικά ζητήματα. Τα ΥΣΑΕ περιέχουν τυπικές συνιστώσες υδροσυστημάτων (ταμιευτήρες, γεωτρήσεις, δίκτυα μεταφοράς, υδροηλεκτρικοί σταθμοί, αντλιοστάσια, κόμβοι ζήτησης νερού, κτλ.), που συνδέονται δυναμικά με άλλες ΑΠΕ (π.χ. ανεμογεννήτριες, φωτοβολταϊκά πάρκα), και κόμβους ενεργειακής ζήτησης. Σε τέτοια συστήματα, πέρα από τις ευρέως γνωστές αδυναμίες της μοντελοποίησης των υδατικών πόρων (μη γραμμική δυναμική, άγνωστες μελλοντικές εισροές, μεγάλο πλήθος μεταβλητών και περιορισμών, αντικρουόμενα κριτήρια, κτλ.), εμφανίζονται επιπλέον πολυπλοκότητες και αβεβαιότητες, λόγω της εισαγωγής των ενεργειακών συνιστωσών και των σχετικών ροών ενέργειας. Μια πολύ σημαντική δυσκολία είναι η ανάγκη σύζευξης δύο διαφορετικών χρονικών κλιμάκων, καθώς στη μοντελοποίηση των υδροσυστημάτων συνήθως υιοθετούνται μηνιαία χρονικά βήματα, ενώ για την πιστή αναπαράσταση του ενεργειακού ισοζυγίου (παραγωγή ενέργειας σε σχέση με τη ζήτηση), απαιτείται μια πολύ πιο λεπτομερής διακριτότητα (π.χ. ωριαία). Ένα ακόμη μειονέκτημα είναι η αύξηση των μεταβλητών ελέγχου, περιορισμών και στόχων, λόγω της ταυτόχρονης μοντελοποίησης δύο παράλληλων ροών (νερό και ενέργεια), και των αλληλεπιδράσεών τους. Τέλος, αφού οι υδρομετεωρολογικές διεργασίες εισόδου του συνδυασμένου συστήματος είναι εγγενώς αβέβαιες, είναι συχνά αναγκαία η χρήση συνθετικών χρονοσειρών εισόδου μεγάλου μήκους, ώστε η αξιολόγηση της επίδοσης του συστήματος να γίνεται σε όρους αξιοπιστίας και ρίσκου, με ικανοποιητική ακρίβεια. Για να αντιμετωπίσουμε τα παραπάνω ζητήματα, προτείνουμε ένα αποτελεσματικό και αποδοτικό πλαίσιο μοντελοποίησης, με κύριους στόχους: (α) την ουσιαστική μείωση των μεταβλητών ελέχγου, μέσω φειδωλών πλην όμως συνεπών παραμετροποιήσεων, (β) τη δραστική μείωση του υπολογιστικού φόρτου της προσομοίωσης, με γραμμικοποίηση του προβλήματος συνδυασμένης κατανομής νερού και ενέργειας σε κάθε χρονικό βήμα, και επίλυση κάθε υποπροβλήματος με εξαιρετικά γρήγορους αλγορίθμους γραμμικού προγραμματισμού, και (γ) τη σημαντική μείωση του απαιτούμενου αριθμού των αποτιμήσεων της συνάρτησης για τον εντοπισμό της ολικά βέλτιστης διαχειριστιής πολιτικής, με χρήση ενός καινοτόμου αλγορίθμου ολικής βελτιστοποίησης που χρησιμοποιεί συναρτήσεις παρεμβολής.

    Πλήρες κείμενο:

    Βλέπε επίσης: http://dx.doi.org/10.13140/RG.2.2.11015.80802

  1. A. Drosou, P. Dimitriadis, A. Lykou, P. Kossieris, I. Tsoukalas, A. Efstratiadis, and N. Mamassis, Assessing and optimising flood control options along the Arachthos river floodplain (Epirus, Greece), European Geosciences Union General Assembly 2015, Geophysical Research Abstracts, Vol. 17, Vienna, EGU2015-9148, European Geosciences Union, 2015.

    [Αξιολόγηση και βελτιστοποίηση επιλογών ελέγχου πλημμυρών κατά μήκος του πλημμυρικού πεδίου του ποταμού Άραχθου (Ήπειρος, Ελλάδα)]

    Παρουσιάζεται ένα πολυκριτηριακό σχήμα προσομοίωσης-βελτιστοποίησης για τον βέλτιστο σχεδιασμό και τοποθέτηση αντιπλημμυρικών έργων κατά μήκος ποταμού. Η μεθοδολογία εφαρμόστηκε στο τμήμα του Άραχθου ποταμού (Ήπειρος, Ελλάδα), κατάντη του φράγματος Πουρνάρι Ι. Η εν λόγω περιοχή είναι ιδιαίτερα ευαίσθητη καθώς ο ποταμός διασχίζει το αστικό κομμάτι της Άρτας που βρίσκεται ακριβώς κάτω από το φράγμα. Ταυτόχρονα, μεγάλες καλλιεργήσιμες εκτάσεις είναι εκτεθειμένες στα συχνά πλημμυρικά φαινόμενα. Στην προτεινόμενη μεθοδολογία, ενσωματώθηκαν δυο αντικρουόμενα κριτήρια, η ελαχιστοποίηση των καταστροφών λόγω της πλημμύρας (καταστροφές καλλιεργειών και αστικών κατασκευών) και η ελαχιστοποίηση του κατασκευαστικού κόστους των απαιτούμενων έργων (π.χ. αναχώματα). Για την υδραυλική προσομοίωση χρησιμοποιήθηκαν τα μοντέλα HEC-RAS και LISFLOOD-FP, ενώ η βελτιστοποίηση έγινε με τον αλγόριθμο Surrogate-Enhanced Evolutionary Annealing-Simplex (SE-EAS).

    Πλήρες κείμενο:

  1. I. Tsoukalas, P. Kossieris, A. Efstratiadis, and C. Makropoulos, Handling time-expensive global optimization problems through the surrogate-enhanced evolutionary annealing-simplex algorithm, European Geosciences Union General Assembly 2015, Geophysical Research Abstracts, Vol. 17, Vienna, EGU2015-5923, European Geosciences Union, 2015.

    [Χειρισμός χρονοβόρων προβλημάτων ολικής βελτιστοποίησης με τον εξελικτικό αλγόριθμο ανόπτησης-απλόκου εμπλουτισμένο με υποκατάστατα μοντέλα]

    Σε προβλήματα βελτιστοποίησης υδατικών πόρων, ο υπολογισμός της στοχικής συνάρτησης συνήθως απαιτεί την αρχική εκτέλεση ενός μοντέλου προσομοίωσης και εν συνεχεία την αποτίμηση των αποτελεσμάτων του. Ωστόσο, σε αρκετές περιπτώσεις οι μεγάλοι χρόνοι προσομοίωσης μπορεί να θέσουν σοβαρά εμπόδια στη διαδικασία βελτιστοποίησης. Συχνά, για να παραχθεί μια λύση σε εύλογο χρόνο, ο χρήστης πρέπει να περιορίσει δραστικά του επιτρεπόμενο αριθμό αποτιμήσεων της στοχικής συνάρτησης, διακόπτωντας έτσι την αναζήτηση πολύ νωρίτερα από όσο απαιτεί η πολυπλοκότητα του προβλήματος. Μια υποσχόμενη νέα στρατηγική για την αντιμετώπιση αυτών των αδυναμιών είναι η χρήση τεχνικών υποκατάστατων μοντέλων εντός των αλγορίθμων ολικής βελτιστοποίησης. Εδώ εισάγουμε τον αλγόριθμο Surrogate-Enhanced Evolutionary Annealing-Simplex (SEEAS) που συνδυάζει την ισχύ των υποκατάστατων μοντέλων με την αποτελεσματικότητα και αποδοτικότητα της εξελικτικής μεθόδου ανόπτησης-απλόκου (Evolutionary Annealing-Simplex, EAS). Ο αλγόριθμος συνδυάζει τρεις διαφορετικές προσεγγίσεις βελτιστοποίησης (εξελικτική αναζήτηση, προσομοιωμένη ανόπτηση, και το σχήμα κατερχόμενου απλόκου), στις οποίες καίριες αποφάσεις καθοδηγούνται, εν μέρει, από αριθμητικές προσεγγίσεις της στοχικής συνάρτησης. Η επίδοση του προτεινόμενου αλγορίθμου αξιολογείται έναντι άλλων που χρησιμοποιούν υποκατάστατα μοντέλα, σε θεωρητικές όσο και πρακτικές εφαρμογές (ήτοι συναρτήσεις ελέγχου και προβλήματα υδρολογικής βαθμονόμησης, αντίστοιχα), θέτοντας περιορισμένο προϋπολογισμό δοκιμών (από 100 έως 1000). Τα αποτελέσματα αναδεικνύουν τις σημαντικές δυνατότητες της μεθόδου SEEAS σε δύσκολα προβλήματα βελτιστοποίησης, που εμπεριέχουν χρονοβόρες προσομοιώσεις.

    Πλήρες κείμενο: