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http://hdl.handle.net/1843/75937
Tipo: | Tese |
Título: | Leak detection and location based on hydraulic and quality monitored data |
Autor(es): | Daniel Bezerra Barros |
Primeiro Orientador: | Bruno Melo Brentan |
Primeiro membro da banca : | Maria Mercedes Gamboa Medina |
Segundo membro da banca: | Cristovão Vicente Scapulatempo Fernandes |
Terceiro membro da banca: | Dídia Isabel Cameira Covas |
Quarto membro da banca: | Iran Lima Neto |
Resumo: | Losses in water distribution networks (WDN) represent a significant percentage of the water catchment and distributed. In addition to the value directly related to the physical loss of water, detection, repair, and maintenance generate significant costs, which directly reflect the value passed on to consumers. Therefore, this thesis presents methods for detecting and localization leaks. To this end, hydraulic behaviours during leaks are first studied and how these events affect hydraulic parameters such as pressure and flow and quality parameters such as water age and chlorine concentration. Study results indicate that water quality data can be an effective source of information for future leak detection systems. Another aspect addressed is the ideal placement strategy for pressure sensors in WDN. The presented approach uses graph signal processing theory and spectral clustering algorithms to identify the most suitable nodes for installing sensors. A metric based on the sensor coverage rate is presented to evaluate the pressure monitoring system and relate the number of sensors to the coverage rate, so operators know what the advantages are for placing more sensors and how many sensors are viable. better monitoring. Furthermore, two proposals for detecting leaks are presented, the first uses Independent Component Analysis to process the monitored data and this data is analysed by two algorithms, Interquartile Range and Matrix Profile. The methodology is evaluated using benchmark data and proves to be effective in detecting leaks, identifying some cases within a few minutes after the start of the leak. Performance varies according to the characteristics of the leak, with the IQR method being more efficient in leaks with an abrupt onset and the MP method excelling in leaks with a gradual increase in flow. The second proposal presented for detection is based on signal processing in graphs, where changes in water pressure and quality caused by leaks modify the structure of a temporal graph, and the analysis of the graph structure allows the detection of new leaks. The methodology is validated with seven leaks, presenting an accuracy of 86% in identifying these events. The research also presents the advantages of using monitored water quality data to detect leaks compared to using pressure data. Finally, a methodology for locating leaks is proposed in which a multilayer graph is used to determine areas with probable leaks. The graph has as layers the representation of the network topology and the correlation between the monitored data, with the interlayer connection being given by the sensors' coverage area. The study presented a robust and promising proposal for detecting and locating leaks, detecting leaks 15 minutes after the beginning and less than 50 meters from the actual leak location. |
Abstract: | As perdas nas redes de distribuição de água (RDA) representam uma porcentagem significativa da água captada e distribuída. Além do valor diretamente relacionado a perda física da água, a identificação, reparo e manutenção geram custos significativos o que reflete diretamente no valor repassado aos consumidores. Por isso, essa tese apresenta métodos para a detecção e localização de vazamentos. Para isso, são primeiramente estudados os comportamentos hidráulicos durante vazamentos e como esses eventos afetam parâmetros hidráulicos como pressão e vazão e parâmetros de qualidade como a idade da água e a concentração de cloro. Os resultados do estudo indicam que os dados de qualidade da água podem ser uma fonte eficaz de informações para futuros sistemas de detecção de vazamentos. Outro aspecto abordado é a estratégia de posicionamento ideal de sensores de pressão nas redes de distribuição de água. A abordagem apresentada utiliza a teoria de processamento de sinal em grafos e algoritmos de agrupamento espectral para identificar os nós mais adequados para a instalação dos sensores. Uma métrica baseada na taxa de cobertura dos sensores é apresentada para avaliar o sistema de monitoramento de pressão e relacionam o número de sensores a taxa de cobertura, assim os operados sabem quais são as vantagens para instalação de mais sensores e quantos sensores são viáveis para um melhor monitoramento. Além disso, duas propostas para detecção de vazamentos são apresentadas, a primeira utiliza como tratamento dos dados monitorados a Análise de Componentes Independentes (IQR) e esses dados tratamos são analisados por dois algoritmos, Intervalo Interquartil e Perfil de Matriz (MP), respectivamente. A metodologia é avaliada utilizando dados de benchmark e demonstra ser eficaz na detecção de vazamentos, identificando alguns casos em poucos minutos após o início do vazamento. O desempenho varia de acordo com as características do vazamento, com o método IQR sendo mais eficiente em vazamentos com início abrupto e o método MP se destacando em vazamentos com aumento gradual no fluxo. A segunda proposta apresentada para detecção de baseiase no processamento de sinal em grafos, onde as mudanças na pressão e qualidade da água provocadas pelos vazamentos modificam a estrutura de um grafo temporal, e a análise da estrutura do grafo permite a detecção de novos vazamentos. A metodologia é validada com sete vazamentos, apresentando uma precisão de 86% na identificação desses eventos. A pesquisa ainda apresentas as vantagens em utilizar dados monitorados de qualidade da água para a detecção de vazamentos em comparação com a utilização dos dados de pressão. Por fim, uma metodologia para a localização de vazamentos é proposta na qual utiliza um grafo multicamadas na determinação das áreas com provável vazamento. O grafo tem como camadas a representação da topologia da rede e a correlação entre os dados monitorados, sendo a conexão intercamadas dada pela área de cobertura dos sensores. O estudo apresentou uma proposta robusta e promissora para a detecção e localização de vazamentos detectando vazamentos 15 minutos após o início e com menos de 50 metros do real local com vazamento. |
Assunto: | Recursos hídricos - Desenvolvimento Teoria dos grafos Água - Distribuição |
Idioma: | eng |
País: | Brasil |
Editor: | Universidade Federal de Minas Gerais |
Sigla da Instituição: | UFMG |
Departamento: | ENG - DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA HIDRÁULICA |
Curso: | Programa de Pós-Graduação em Saneamento, Meio Ambiente e Recursos Hídricos |
Tipo de Acesso: | Acesso Restrito |
URI: | http://hdl.handle.net/1843/75937 |
Data do documento: | 26-Jan-2024 |
Término do Embargo: | 26-Jan-2030 |
Aparece nas coleções: | Teses de Doutorado |
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