Fault diagnosis and security monitoring in water distribution systems

Abstract

Στη διατριβή αυτή διατυπώνεται ένα θεωρητικό πλαίσιο κατάλληλο για τη διάγνωση σφαλμάτων και τον έλεγχο ασφάλειας σε συστήματα διανομής νερού. Κατ' αρχάς, παρουσιάζεται μια διατύπωση του προβλήματος παρακολούθησης και ελέγχου των δικτύων διανομής νερού, σε ένα πλαίσιο κατάλληλο για την τοποθέτηση αισθητήρων και τη διάγνωση σφαλμάτων. Με βάση το προτεινόμενο θεωρητικό πλαίσιο, εξετάζεται το πρόβλημα τοποθέτησης αισθητήρων. Το πρόβλημα ορίζεται ως εξεύρεση των κατάλληλων σημείων σε ένα δίκτυο διανομής νερού στα οποία πρέπει να εγκατασταθούν αισθητήρες που να καταγράφουν την ποιότητα του νερού σε πραγματικό χρόνο. Στόχος είναι η ελαχιστοποίηση του κινδύνου σοβαρού αντίκτυπου στην κοινωνία, σε περίπτωση που μια μολυσματική ουσία εισέλθει στο δίκτυο διανομής νερού. Επιπρόσθετα, εξετάζεται το πρόβλημα προγραμματισμού των δειγματοληψιών στο δίκτυο διανομής, με σκοπό να εξευρεθεί που και πότε να διενεργούνται δειγματοληψίες νερού για ποιοτικό έλεγχο. Ακολούθως, σχεδιάζεται ένας αλγόριθμος ρύθμισης της συγκέντρωσης της απολυμαντικής ουσίας σε δίκτυα διανομής νερού, ο οποίος στηρίζεται στη χρήση τεχνικών προσαρμοστικής προσέγγισης για εκμάθηση της ζήτησης νερού από τους καταναλωτές. Στη συνέχεια, εξετάζεται το πρόβλημα ανίχνευσης υδραυλικών σφαλμάτων διαρροής σε διακριτές ζώνες ελέγχου (DMA), με τη χρήση μεθόδου ανίχνευσης σφαλμάτων που βασίζεται στην εκμάθηση των περιοδικών δυναμικών κατανάλωσης. Τέλος, αποτιμάται ο βαθμός κινδύνου εξαιτίας μόλυνσης που έχει ανιχνευτεί σε ένα δίκτυο διανομής νερού, και απομονώνεται η περιοχή στην οποία βρίσκεται η πηγή του σφάλματος, με τη χρήση μεθοδολογίας βασισμένης στην επαγωγή δέντρων απόφασης. Η αποτελεσματικότητα των μεθοδολογιών που έχουν προταθεί στα πλαίσια της διατριβής εξετάζεται με τη χρήση προσομοιώσεων που χρησιμοποιούν μοντέλα δικτύων διανομής νερού και ιστορικά υδραυλικά δεδομένα.

Water distribution systems have a significant role in sustaining vital societal functions; however, when a system fault occurs, such as a water contamination intrusion or a pipe break, these societal functions may be negatively affected. This thesis presents a formulation of a system-theoretic framework suitable for fault diagnosis and security monitoring in water distribution systems. First, a formulation of the monitoring and control problem of water distribution networks is presented, in a framework suitable for sensor placement and fault diagnosis. Based on the developed framework, the sensor placement problem is examined, to find suitable locations in a water distribution network where on-line quality sensors ought to be installed, for minimizing the risk of a severe damage on population, in case that a contaminant enters the network and is distributed with flow. Furthermore, the manual quality sampling scheduling problem is examined, to find where and when to take water samples for quality monitoring. Next, a disinfectant concentration regulation algorithm for water distribution networks is designed, using adaptive approximation to learn water demands. The detection of hydraulic leakage faults in District Metered Areas (DMA) is examined, by using a fault detection method based on learning the periodic consumption dynamics. Finally, the impact of a contamination detected in a water distribution system is evaluated, and its source area is isolated, using a methodology based on decision tree induction. The effectiveness of the proposed methodologies is illustrated with simulations using water distribution system models and historical hydraulic data.