Demand modeling for water networks calibration and leak localization

Abstract

The success in the application of any model-based methodology (e.g. design, control, supervision) highly depends on the availability of a well calibrated model. There is no best or unique solution for the calibration problem as the methodologies are developed depending on which parameters have to be calibrated and the final use of the model. The main objective in this thesis is to develop an adaptive water distribution network model which both calibrates its demands online and discerns between faults and system evolution. The calibration is focused on demands due to their daily variability and continuous evolution. The singular value decomposition is a powerful tool for solving the optimization problem. Additionally, the deep understanding of this tool allows to redefine the demand model. A novel demand model is proposed, where each individual demand is defined as a combination of demand components. These demand components are calibrated demand multipliers that represent the behavior of nodes in a determined geographical zone. The membership of each nodal demand to every demand component is produced naturally through the analysis of the singular value decomposition of the sensitivity matrix. The same analysis is also used to define the location of sensors for the calibration. The calibration in water distribution networks needs to be performed online due to the continuous evolution of demands. During the calibration process, background leakages or bursts can be unintentionally incorporated to the demand model and treated as a system evolution (change in demands). To solve that, a leak detection and localization approach to be coupled with the calibration methodology that identifies geographically distributed parameters is proposed. The approach consists in comparing the calibrated parameters with their historical values to assess if changes in these parameters are caused by a system evolution or by the effect of leakage. The geographical distribution allows to associate an unexpected behavior of the calibrated parameters (e.g. abrupt changes, trends, etc.) to a specific zone in the network. The set of methods proposed are exemplified through an academic dummy network to help the reader completely understand their fundamentals. Furthermore, three real water distribution networks situated in Barcelona and Castelldefels are used to evaluate the performance of the whole method with real systems and real data. The good results obtained show the potential of the developed method and the viability of the real-time calibration and leak detection and localization processes.

L'èxit en l'aplicació de qualsevol metodologia basada en models (p. ex. disseny, control, supervisió) depèn, en gran part, de la disponibilitat d'un model ben calibrat. No hi ha una solució única o global per aquest problema, ja que les metodologies es desenvolupen en funció de l'ús final del model. L'objectiu principal d'aquesta tesi és desenvolupar un model adaptatiu per xarxes de distribució d'aigua que calibri les seves demandes de forma online mentre distingeix entre fallades i evolució del sistema. La calibració es centra en les demandes degut a la seva variabilitat diària i a la seva evolució continua. La descomposició en valors singulars és una eina molt potent per resoldre problemes d'optimització. Addicionalment, la comprensió detallada d'aquesta eina permet redefinir el model de demandes. Es proposa un model de demandes innovador, on cada demanda individual es defineix com una combinació de components de demanda. Aquests components de demanda són multiplicadors de demanda que han estat calibrats, i que representen el comportament dels nodes en una zona geográfica determinada. La pertinença de cada demanda nodal a cadascun dels components de demanda es produeix de forma natural mitjanant l'anàlisi de la descomposició en valors singulars de la matriu de sensibilitat. El mateix anàlisi també s'utilitza per definir la localització dels sensors per la calibració. La calibració en xarxes de distribució d'aigua s'ha de realitzar en línia, ja que les demandes evolucionen contínuament. Durant el procés de calibració, les fuites latents o espontànies poden ser incorporades involuntàriament al model de demanda, i ser tractades com una evolució del sistema (canvi en les demandes). Per solucionar-ho, es proposa un mètode de detecció i localització de fuites que s'acobla a la metodologia de calibració que identifica components de demanda geogràfics. El mètode proposat consisteix en comparar els paràmetres calibrats amb els seus valors històrics per valorar si els canvis en aquests paràmetres es deuen a una evolució del sistema, o a l'efecte de les fuites. La distribució geogràfica permet associar un comportament no esperat dels paràmetres calibrats (p. ex. canvis sobtats, tendències, etc.) a una zona específica de la xarxa. El conjunt de mètodes proposats s'ha exemplificat mitjanant una xarxa acadèmica molt simple per ajudar al lector a entendre completament els seus fonaments. A més a més, s'han utilitzat tres xarxes de distribució d'aigua situades a Barcelona i Castelldefels per avaluar el funcionament del mètode complet amb sistemes i dades reals. Els bons resultats obtinguts mostren el potencial de la metodologia desenvolupada i la viabilitat de la calibració de demandes i detecció i localització de fuites en temps real.