Agent based modelling of domestic water demand for adaptive urban water management

Koutiva, Ifigeneia; Κουτίβα, Ιφιγένεια

dc.contributor.author	Koutiva, Ifigeneia	en
dc.contributor.author	Κουτίβα, Ιφιγένεια	el
dc.date.accessioned	2016-01-18T08:19:35Z
dc.date.available	2017-01-18T03:00:11Z
dc.date.issued	2016-01-18
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/41850
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.1944
dc.rights	Default License
dc.subject	Agent based modelling	en
dc.subject	Domestic water demand behaviour	en
dc.subject	Urban water demand management	en
dc.subject	Simulation of domestic water demand behaviour	en
dc.subject	Linking agents based modeiing with water management simulation tools	en
dc.subject	Ευφυείς πράκτορες	el
dc.subject	Συμπεριφορά της οικιακής ζήτησης νερού	el
dc.subject	Διαχείριση της αστικής ζήτησης νερού	el
dc.subject	Μοντέλο προσομοίωσης της συμπεριφοράς της οικιακής ζήτησης νερού	el
dc.subject	Σύνδεση μοντέλων ευφυών πρακτόρων με μοντέλα διαχείρισης υδατικών πόρων	el
dc.title	Agent based modelling of domestic water demand for adaptive urban water management	en
dc.title	Μοντέλα ευφυών πρακτόρων αστικής ζήτησης για την υποστήριξη προσαρμοστικών πολιτικών διαχείρισης υδατικών πόρων	el
heal.type	doctoralThesis
heal.classification	Hydroinformatics	en
heal.classification	Civil Engineering	en
heal.classification	Computer Science and Informatics	en
heal.classification	Υδροπληροφορική	el
heal.classification	Επιστήμες Πολιτικού Μηχανικού	el
heal.classification	Επιστήμες Ηλεκτρονικών Υπολογιστών και Πληροφορικής	el
heal.language	en
heal.access	free	el
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2015-11-27
heal.abstract	Αντικείμενο της διδακτορικής διατριβής είναι η δημιουργία μιας νέας μεθόδου προσομοίωσης της συμπεριφοράς της ζήτησης νερού των αστικών νοικοκυριών, χρησιμοποιώντας μοντέλα παραγόντων – ευφυών πρακτόρων (Agent Based Modelling - ΑΒΜ). Μέχρι τώρα, η πιο κοινή προσέγγιση ήταν να συμπεριλαμβάνονται στα εργαλεία διαχείρισης των υδατικών πόρων, χρονοσειρές οικιακής ζήτησης νερού παραγόμενες είτε ακολουθώντας τις ιστορικές τάσεις ή προβάλλοντας μελλοντικές απαιτήσεις. Ωστόσο, σε αυτή την έρευνα, προτείνεται μια εναλλακτική μέθοδος για τη παραγωγή χρονοσειρών οικιακής ζήτησης νερού, προσομοιώνοντας τη συμπεριφορά των νοικοκυριών όπως αυτή διαμορφώνεται από τις κοινωνικές, πολιτικές, οικονομικές και τεχνολογικές συνθήκες. Το βασικό κίνητρο της έρευνας αυτής, ήταν η ανάγκη για τη δημιουργία κανόνων που προσομοιώνουν τη συμπεριφορά των νοικοκυριών. Προς την κατεύθυνση αυτή, αναπτύχθηκε ένα εργαλείο ΑΒΜ, που ονομάζεται Urban Water Agents’ Behaviour (UWAB), το οποίο προσομοιώνει τη συμπεριφορά της ζήτησης νερού ενός νοικοκυριού με βάση: (α) τη θεωρία σύνθετων δικτύων (Albert and Barabasi, 2000) που αντιπροσωπεύει τους κοινωνικούς δεσμούς που δύναται να επηρεάσουν την οικιακή ζήτηση νερού, (β) τη θεωρία της κοινωνικής επιρροής (social impact theory) (Latane, 1981) για την προσομοίωση της επιρροής που ασκούν πολιτικές και άλλοι εξωτερικοί παράγοντες στη συμπεριφορά των οικιακών χρηστών νερού, (γ) τη θεωρία της σχεδιασμένης συμπεριφοράς (theory of planned behaviour) (Ajzen, 1991) η οποία εξυπηρετεί την αποδόμηση της συμπεριφοράς του οικιακού χρήστη νερού στα συστατικά της με σκοπό τη μοντελοποίηση της πρόθεσης του και (δ) τη στατιστική μηχανική (Shell, 2014) η οποία χρησιμοποιείται για την προσομοίωση της στοχαστικής φύσης της ανθρώπινης συμπεριφοράς. Η συμπεριφορά της ζήτησης νερού των νοικοκυριών και η επιρροή της από τις πολιτικές διαχείρισης και από τις περιβαλλοντικές πιέσεις προσομοιώνεται στο μοντέλο UWAB. Στη συνέχεια, η συμπεριφορά αυτή μεταφράζεται σε συγκεκριμένο όγκο νερού μέσω της προσομοίωσης των συσκευών κατανάλωσης νερού ενός νοικοκυριού χρησιμοποιώντας το εργαλείο Urban Water Optionneering Tool (UWOT) (Makropoulos et al., 2008). Η υλοποίηση της παραπάνω προτεινόμενης μεθοδολογίας πραγματοποιήθηκε με τη σύνδεση του μοντέλου UWAB με το εργαλείο UWOT, δημιουργώντας την πλατφόρμα μοντελοποίησης UWAB-UWOT. Για την επαλήθευση της προτεινόμενης μεθοδολογίας χρησιμοποιήθηκε το αστικό σύστημα ύδρευσης της Αθήνας, το οποίο και προσομοιώθηκε στην πλατφόρμα UWAB-UWAT. Πιο συγκεκριμένα, μελετήθηκε η εξέλιξη της οικιακής ζήτησης νερού κατά την περίοδο εκτεταμένης ξηρασίας που σημειώθηκε στην Αθήνα, κατά την περίοδο 1988 – 1994. Αρχικά, το μοντέλο βαθμονομήθηκε και επαληθεύτηκε χρησιμοποιώντας μηνιαία δεδομένα οικιακής ζήτησης νερού για την παραπάνω περίοδο. Στη συνέχεια, αναπτύχθηκαν και μελετήθηκαν εναλλακτικές στρατηγικές διαχείρισης της ζήτησης νερού βάσει των εναλλακτικών μελλοντικών σεναρίων ζήτησης. Από τα αποτελέσματα προέκυψε ότι η σύνδεση ενός μοντέλου ABM, για την προσομοίωση της συμπεριφοράς των νοικοκυριών, με ένα μοντέλο προσομοίωσης του αστικού κύκλου νερού, δίνει τη δυνατότητα σύνθεσης υπολογιστικών πειραμάτων με στόχο την αξιολόγηση εναλλακτικών στρατηγικών διαχείρισης της οικιακής ζήτησης νερού από τις ρυθμιστικές αρχές.	el
heal.abstract	The subject of the Doctoral Thesis is the creation of a new simulation method of the domestic water demand behaviour of urban households, utilising Agent Based Modelling (ABM). Up until now, the most common approach was to include within water management tools the time series of water demand that were produced either by following the historical trends or by projecting future demands. However, in this research the created modelling platform gives an alternative method of creating water demand time series by simulating domestic water demand behaviour as it is shaped by social, political, economic and technological conditions. One of the main drivers of this research was the need to create rules simulating water demand behaviour of urban households. In this work an ABM was developed, termed the Urban Water Agents’ Behaviour Model (UWAB), which simulates the urban household’s water demand behaviour based on: (a) complex network theory (Albert and Barabasi, 2000) representing the links among the domestic water users of a city; (b) social impact theory (Latane, 1981) addressing the effects of society, policies and other external forces on the domestic users’ behaviour; (c) the theory of planned behaviour (Ajzen, 1991) deconstructing the domestic water user’s behaviour into components for modelling behavioural intention; and (d) statistical mechanics (Shell, 2014) employed to deal with the inherently stochastic nature of human behaviour. The domestic water demand behaviour of urban households and its influence by water policies and environmental pressures is simulated by the UWAB model. Following, this water demand behaviour is translated into specific water volume through the simulation of water consumption appliances of a household utilising the Urban Water Optioneering Tool (UWOT) (Makropoulos et al., 2008). The implementation of the proposed methodology was realised via the connection of the UWAB model with the UWOT tool, creating the modelling platform UWAB-UWOT. For the verification of the proposed methodology, the urban water system of Athens was simulated with the UWAB-UWAT platform. More specifically, the evolution of the domestic water demand was studied during the extended drought period of Athens between years 1988 and 1994. Initially, the model was calibrated and verified using monthly data of domestic water demand for the above period. Following, alternative strategies of water demand were developed and studied based on alternative future water demand scenarios. The results have shown that the connection of an ABM model, for the simulation of the domestic water demand behaviour of urban households, with a simulating model of the urban water cycle, allows the creation of modelling experiments aiming to the evaluation of alternative water demand management strategies, by water service providers and policy makers.	en
heal.sponsor	H παρούσα έρευνα έχει συγχρηματοδοτηθεί από την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο - ΕΚΤ) και από εθνικούς πόρους μέσω του Επιχειρησιακού Προγράμματος «Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση» του Εθνικού Στρατηγικού Πλαισίου Αναφοράς (ΕΣΠΑ) – Ερευνητικό Χρηματοδοτούμενο Έργο: Ηράκλειτος ΙΙ Επένδυση στην κοινωνία της γνώσης μέσω του Ευρωπαϊκού Κοινωνικού Ταμείου.”	el
heal.sponsor	This research has been co-financed by the European Union (European Social Fund – ESF) and Greek national funds through the Operational Program "Education and Lifelong Learning" of the National Strategic Reference Framework (NSRF) - Research Funding Program: Heracleitus II. Investing in knowledge society through the European Social Fund.	en
heal.advisorName	Makropoulos, Christos	en
heal.advisorName	Μακρόπουλος, Χρήστος	el
heal.committeeMemberName	Μιμίκου, Μαρία	el
heal.committeeMemberName	Butler, David	en
heal.committeeMemberName	Voulvoulis, Nick	en
heal.committeeMemberName	Καρατζάς, Γεώργιος	el
heal.committeeMemberName	Κανακούδης, Βασίλειος	el
heal.committeeMemberName	Δαμίγος, Δημήτριος	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Πολιτικών Μηχανικών. Τομέας Υδατικών Πόρων και Περιβάλλοντος	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	324 σ.
heal.fullTextAvailability	true