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Theses Year : 2011

High Performance Hydraulic Simulations on the Grid using Java and ProActive

Simulations hydrauliques d'haute performance dans la Grille avec Java et ProActive

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Abstract

Optimization of water distribution is a crucial issue which has been targeted by many modeling tools. Useful models, implemented several decades ago, need to be updated and implemented in more powerful computing environments. This thesis presents the redesign of a legacy hydraulic simulation software (IRMA) written in FORTRAN that has been used for over 30 years by the Société du Canal de Provence in order to design and to maintain water distribution networks. IRMA was developed aiming mainly the treatment of irrigation networks - by using the Clément demand model and is now used to manage more than 6.000 km of piped networks. The growing complexity and size of networks requested to update IRMA and to rewrite the code by using modern tools and language (Java). This thesis presents IRMA's simulation model, including its head loss equations, linearization methods, topology analysis algorithms, equipments modeling and the linear system construction. Some new specific simulation features are presented: scenarios with probabilistic demands (Débit de Clément), pump profiling, pipe sizing, and pressure driven analysis. The new adopted solution for solving the linear system is described and a comparison with the available Java solvers is presented. The validation of results is achieved with a comparison between the previous FORTRAN results of all networks maintained by the Société du Canal de Provence and the values obtained using the new solution. A second validation is performed by comparing the results obtained from a standard and well-known simulation tool (EPANET). Regarding the performance of the new solution, a sequential benchmark comparing with the former FORTRAN version is presented. Finally, two use cases are presented in order to demonstrate the capability of executing distributed simulations in a Grid infrastructure, using the ProActive solution. The new solution has been already deployed in a production environment and demonstrates clearly its efficiency with a significant reduction of the computation time, an improved quality of results and a transparent integration with the company's modern software infrastructure (spatial databases).
L'optimisation de la distribution de l'eau est un enjeu crucial qui a déjà été ciblé par de nombreux outils de modélisation. Des modèles utiles, implémentés il y a des décennies, ont besoin d'évoluer vers des formalismes et des environnements informatiques plus récents. Cette thèse présente la refonte d'un ancien logiciel de simulation hydraulique (IRMA) écrit en FORTRAN, qui a été utilisé depuis plus de 30 ans par la Société du Canal de Provence, afin de concevoir et maintenir les réseaux de distribution d'eau. IRMA a été développé visant principalement pour le traitement des réseaux d'irrigation - en utilisant le modèle probabiliste d'estimation de la demande de Clément - et il permet aujourd'hui de gérer plus de 6.000 km de réseaux d'eau sous pression. L'augmentation de la complexité et de la taille des réseaux met en évidence le besoin de moderniser IRMA et de le réécrire dans un langage plus actuel (Java). Cette thèse présente le modèle de simulation implémenté dans IRMA, y compris les équations de perte de charge, les méthodes de linéarisation, les algorithmes d'analyse de la topologie, la modélisation des équipements et la construction du système linéaire. Quelques nouveaux types de simulation sont présentés: la demande en pointe avec une estimation probabiliste de la consommation (débit de Clément), le dimensionnement de pompe (caractéristiques indicées), l'optimisation des diamètres des tuyaux, et la variation de consommation en fonction de la pression. La nouvelle solution adoptée pour résoudre le système linéaire est décrite et une comparaison avec les solveurs existants en Java est présentée. La validation des résultats est réalisée d'abord avec une comparaison entre les résultats obtenus avec l'ancienne version FORTRAN et la nouvelle solution, pour tous les réseaux maintenus par la Société du Canal de Provence. Une deuxième validation est effectuée en comparant des résultats obtenus à partir d'un outil de simulation standard et bien connu (EPANET). Concernant les performances de la nouvelle solution, des mesures séquentielles de temps sont présentées afin de les comparer avec l'ancienne version FORTRAN. Enfin, deux cas d'utilisation sont présentés afin de démontrer la capacité d'exécuter des simulations distribuées dans une infrastructure de grille, utilisant la solution ProActive. La nouvelle solution a déjà été déployée dans un environnement de production et démontre clairement son efficacité avec une réduction significative du temps de calcul, une amélioration de la qualité des résultats et une intégration facilitée dans le système d'information de la Société du Canal de Provence, notamment la base de données spatiales.
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Dates and versions

tel-00977574 , version 1 (11-04-2014)

Identifiers

  • HAL Id : tel-00977574 , version 1

Cite

Guilherme Peretti-Pezzi. High Performance Hydraulic Simulations on the Grid using Java and ProActive. Distributed, Parallel, and Cluster Computing [cs.DC]. Université Nice Sophia Antipolis, 2011. English. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00977574⟩
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