Leak detection and location based on hydraulic and quality monitored data

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.