Real-time state estimation and fault diagnosis of water distribution systems

Abstract

Οι σύγχρονες κοινωνίες αρχίζουν να συνειδητοποιούν τη σημασία του πόσιμου νερού λόγω της λειψυδρίας σε πολλά μέρη του κόσμου ως αποτέλεσμα του αυξανόμενου ανθρώπινου πληθυσμού και της κλιματικής αλλαγής. Η βιομηχανία ύδρευσης εκσυγχρονίζεται με την εγκατάσταση αισθητήρων για την παρακολούθηση και τον έλεγχο των ΣΔΝ και υπολογιστικών συστημάτων για την επεξεργασία αυτών των δεδομένων. Οι αλγόριθμοι εκτίμησης κατάστασης συμπεραίνουν την κατάσταση του συστήματος, όπως τις ροές νερού και τις πιέσεις στους αγωγούς, τα επίπεδα των υδατοδεξαμενών και την συγκέντρωση χλωρίου στο νερό, χρησιμοποιώντας τις διαθέσιμες μετρήσεις και μοντέλα του συστήματος. Η πλήρης εκτίμηση της κατάστασης του δικτύου διανομής σε πραγματικό χρόνο υποστηρίζει τη διαδικασία λήψης αποφάσεων και καθιστά δυνατή την αποτελεσματική λειτουργία αυτών των συστημάτων, βελτιώνει την εξυπηρέτηση των πελατών και καθιστά δυνατή την έγκαιρη ανίχνευση και ανταπόκριση σε επείγουσες καταστάσεις όπως σε σπασίματα σωλήνων ή μόλυνση του νερού, ελαχιστοποιώντας έτσι τις επιπτώσεις τους. Ωστόσο, η εκτίμηση της κατάστασης στα ΣΔΝ είναι ένα δύσκολο έργο, κυρίως λόγω της έλλειψης μετρήσεων, που καθιστά τα μεγάλης κλίμακας συστήματα ύδρευσης μη παρατηρήσιμα. Η ποιότητα του νερού είναι εγγενώς συνδεδεμένη με την υδραυλική δυναμική, γεγονός που καθιστά τα μοντέλα ποιότητας νερού χρονομεταβλητά. Επιπλέον, η αβεβαιότητα στα μοντέλα και στις παραμέτρους ποιότητας νερού δυσκολεύουν περαιτέρω τον ακριβή χαρακτηρισμό της ποιότητας στα ΣΔΝ. Αυτή η διατριβή παρουσιάζει μεθοδολογίες για την εκτίμηση της κατάστασης των ΣΔΝ, οι οποίες απευθύνουν τις παραπάνω πρακτικές προκλήσεις. Οι προτεινόμενες μεθοδολογίες χρησιμοποιούν διαθέσιμες πληροφορίες για τα συστήματα αυτά αποσκοπώντας στην εξαγωγή αξιόπιστων εκτιμήσεων κατάστασης, οι οποίες μπορούν να χρησιμοποιηθούν από εταιρείες παροχής νερού και επαγγελματίες. Συγκεκριμένα, προτείνεται μια μέθοδος εκτίμησης υδραυλικής κατάστασης η οποία προϋποθέτει οριοθετημένες αβεβαιότητες στις μετρήσεις και στα μοντέλα και εκτιμά ένα εύρος τιμών για την κατάσταση του συστήματος λαμβάνοντας υπόψη τη συνδυασμένη επίδρασή τους. Η διαθεσιμότητα εκτιμήσεων υδραυλικής κατάστασης επιτρέπει επιπλέον την εκτίμηση της ποιότητας του νερού, λόγω της διασυνδεδεμένης φύσης της υδραυλικής δυναμικής και της δυναμικής ποιότητας του νερού. Παρέχεται μια μέθοδος εκτίμησης κατάστασης της ποιότητας του νερού η οποία υπολογίζει τα όρια της συγκέντρωσης χλωρίου και είναι σε θέση να ενσωματώσει αλγόριθμους για εκτίμηση των ποιοτικών παραμέτρων σε πραγματικό χρόνο, λαμβάνοντας υπόψη την ύπαρξη άγνωστων παραμέτρων ποιότητας νερού. Ο κύριος στόχος των προτεινόμενων πρακτικών προσεγγίσεων εκτίμησης κατάστασης είναι να καταστεί δυνατή η ανάπτυξη μεθοδολογιών για τη διάγνωση σφαλμάτων στα ΣΔΝ. Συγκεκριμένα, στοχεύουμε δύο τύπους κρίσιμων σφαλμάτων στα ΣΔΝ: τις διαρροές νερού και την μόλυνση του νερού. Προτείνονται δύο μεθοδολογίες για την ανίχνευση και τον εντοπισμό διαρροών με βάση την εκτίμηση εύρους τιμών για την υδραυλική κατάσταση του συστήματος και αξιολογούνται χρησιμοποιώντας ένα δείκτη αναφοράς διαρροής ανοικτής πρόσβασης και καθορισμένα δίκτυα αναφοράς. Η ανίχνευση μολύνσεων στο νερό επιτυγχάνεται συνδυάζοντας τις προτεινόμενες προσεγγίσεις εκτιμήσεως κατάστασης των υδραυλικών και ποιότητας νερού με μια λογική ανίχνευσης που χρησιμοποιεί κατώφλια πολλαπλών επιπέδων. Επιπλέον, διερευνάμε την έννοια της ενεργής ανίχνευσης βλαβών με την ανάπτυξη μιας νέας μεθοδολογίας για την επέκταση της περιοχής που παρακολουθείται από αισθητήρες ποιότητας νερού, η οποία αντιμετωπίζει το πρόβλημα της έλλειψης μετρήσεων.

Modern societies are growing more conscious of the importance of drinking water, due to water scarcity in many parts of the world as an effect of an increasing human population and climate change. As a result of aging infrastructures, water utilities face problems which were ignored in the past such as high rates of water loss and insufficient monitoring of water quality. The water industry is being modernized with the installation of sensors for monitoring and control of WDS and computer systems to process these data. State estimation algorithms infer the state of the system, such as water flows and pressures in pipes, tank levels and chlorine concentration in water, using the available measurement-set and system model. A complete view of the distribution network state in real-time supports the decision-making process and enables the efficient operation of these systems, improves customer service and enables the early detection and response to emergency events such as pipe failures or water contamination, thus minimizing their impact. However, state estimation in WDS is a challenging task, mainly due to measurement scarcity which makes these large-scale systems unobservable. Water-quality is intrinsically connected with hydraulic dynamics, making water-quality models time-varying. Additionally, modeling and parameter uncertainty further increase the difficulty in accurately characterizing water-quality in WDS. This thesis presents methodologies for state estimation in WDS that address the above practical challenges. The proposed methodologies use available a priori information about these systems to derive reliable state estimates which can be utilized by water utilities and practitioners. Specifically, a hydraulic-state estimation approach is proposed which assumes bounded measurement and modeling uncertainties and calculates an interval-state estimate considering their combined effect. The reasoning behind this approach is that providing a range of possible values for each state depending on the level of modeling uncertainty, is often more useful to an operator than providing estimates with no information about the estimation error. The availability of hydraulic-state estimates enables water-quality estimation, due to the interconnected nature of hydraulic and water-quality dynamics. A water-quality state estimation approach is presented which calculates bounds on chlorine concentration and is able to incorporate real-time parameter estimation, considering the existence of unknown water-quality parameters. The aim of the proposed state estimation approaches is to obtain reliable bounds on state estimates, in real-time, which is a key component in many methodologies related to model-based fault diagnosis. Specifically, two type of critical faults in WDS are targeted in this thesis: water leakages and water contamination. Two methodologies for detecting and localizing leakages based on hydraulic interval-state estimation are proposed and evaluated using an open access leakage diagnosis benchmark and established benchmark networks. Water contamination detection is achieved by combining the proposed hydraulic and water-quality state estimation approaches with a detection logic using multi-level thresholds. Moreover, we explore the concept of active fault detection by developing a novel methodology for enhancing the area monitored by water-quality sensors, to address the problem of measurement scarcity.