Otimização do traçado de redes coletoras de esgoto sanitário via algoritmo genético
Resumo
A crescente urbanização das cidades vem fazendo com que as concessionárias de saneamento e os órgãos governamentais adequem e aprimorem os sistemas, seja por meio da implantação de novas redes ou pela expansão das já existentes. No entanto, um dos entraves para a expansão rápida desses sistemas de saneamento é o custo de implantação das redes de coleta e transporte de esgoto sanitário. Este trabalho tem como objetivo utilizar o conceito de algoritmo genético para desenvolver um modelo computacional que seja capaz de minimizar o custo de implantação de uma rede coletora de esgoto considerando o respectivo traçado. Utilizou-se o algoritmo genético do tipo binário, nos quais os genes podem assumir os valores 0 ou 1. O valor da função objetivo para o problema proposto é composto pela soma dos custos com tubulações e volume escavado. O artigo aborda a utilização do modelo construído em um estudo de caso de uma rede hipotética contendo 12 trechos. Observaram-se resultados satisfatórios tanto em relação ao tempo computacional como quanto à consistência dos resultados encontrados, pois em todos os testes o AG (Algoritmo Genético) encontrou soluções viáveis aceitáveis.
Introdução
O investimento em saneamento é imprescindível, pois promove a saúde pública preventiva, reduzindo a necessidade de procura aos hospitais e postos de saúde, porque elimina a chance de contágio por diversas moléstias. Apesar de reconhecida a importância das infraestruturas de saneamento por meio da Lei 11.445/2007, emitida por BRASIL (2007) e conhecida como a Lei de Saneamento Básico, a situação do Brasil nesse aspecto ainda requer muita atenção.
De acordo com Velasco (2017), em 2007, quando a lei supracitada foi sancionada, 42% da população era atendida por redes de esgoto. Até 2015, o índice aumentou 8,3%, o que corresponde a menos de um ponto porcentual por ano. Quanto ao abastecimento de água, apesar de a abrangência ser bem superior à de esgoto, a evolução foi ainda mais branda: passou de 80,9% em 2007 para 83,3% em 2015, um aumento de apenas 2,4 pontos porcentuais. O índice de esgoto tratado passou de 32,5% para 42,7%.
O custo para implantação ainda é um grande empecilho para a universalização dos sistemas de esgotamento sanitário no Brasil. O traçado da rede tem impacto direto sobre o custo final, haja vista que, dependendo da configuração, pode-se ter custos elevados com tubulações, escavações, estações elevatórias etc. Entre as alternativas de redução dos custos estão os estudos detalhados da concepção do sistema e do traçado da rede coletora de esgoto, que devem ser otimizados adequadamente, buscando utilizar sempre que possível a topografia natural do terreno.
Alem Sobrinho e Tsutiya (2000) citam que, de acordo com um estudo realizado pela Sabesp em 1980, os fatores de maior peso no custo total, pela ordem, em uma obra de esgotamento sanitário são: escoramento de valas, poços de visita, escavação de valas, reaterro de valas e reposição de pavimentos. O escoramento, a escavação e o reaterro das valas estão relacionados à profundidade da rede, que por sua vez está relacionada diretamente ao tipo de traçado adotado.
A aplicação de modelagem computacional referente ao traçado de redes coletoras de esgoto sanitário vem sendo comumente utilizada, como no trabalho de Moeini e Afshar (2012), que utilizaram o algoritmo de otimização colônia de formigas a fim de encontrar uma configuração de traçado que resultasse em uma minimização dos custos com os diâmetros dos tubos coletores.
Gameiro (2003) e Rodrigues (2011) desenvolveram modelos que buscam a combinação mais adequada de diâmetro e declividade com o intuito de reduzir o custo final da rede. Apesar de a metodologia utilizada nos dois casos ser semelhante, os autores utilizaram algoritmos de otimização diferentes. O primeiro autor utilizou a técnica evolucionária de algoritmos genéticos, e o segundo implementou um algoritmo híbrido de busca exaustiva.
Apesar do avanço tecnológico dos computadores, há poucas pesquisas envolvendo a otimização de traçado de redes de esgoto. Diante disso, o modelo computacional apresentado neste trabalho tem como objetivo utilizar a técnica evolucionária de algoritmos genéticos para otimizar o traçado de uma rede coletora de esgoto, ou seja, definir uma configuração que minimize o custo final. Para tal, utilizou-se uma rede hipotética, onde foram inicialmente analisadas todas as soluções viáveis possíveis e, posteriormente, utilizou-se o algoritmo genético com a finalidade de verificar e confirmar a aplicabilidade na resolução do problema. O algoritmo genético convencional utilizado é do tipo binário, e os custos analisados são os das tubulações e o volume de escavação, tendo como variáveis de decisão o sentido do escoamento e a definição dos trechos ponta-seca.