Leak supervision in water distribution networks based on model-based and data-driven approaches
Authors:   , Alves Débora Cristina Costa da Silva 
Published: November 2024

(English) This dissertation intends to provide a methodology for leak supervision in the water distribution network (WDN), focusing on detecting, estimating, and locating leaks in the system. Additionally, sensor placement and validation approaches are presented to bring more robustness to the methods presented earlier. Finally, the entire methodology is introduced and tested in different water distribution networks based on simulated and real case studies.
The methods developed in this manuscript can be divided into model-based and data-driven. Model-based methods use hydraulic models that must be well-calibrated to obtain reliable results. This type of method can gel more accurate results in comparison with the data-driven; however, not all WDNs have hydraulic models, or they are not updated to the current networksince, over the years, the city tends to expand. Because of that, the hydraulic model must be constantly updated to be more faithful. Therefore,data-driven methods that use only sensor measurements and system topological information can be applied when hydraulic models are inaccurate or unavailable. The leak detection methods presented in this thesis are fully data-driven that only require historical data from the sensors installed in the WDN. The first method uses only information from the flow sensors installed in the inlet of the network, detecting and estimating the leak's magnitude. The second is a complementary technique to focus on the multi-leaks problem, i.e., when more than one leak cooccurs in the WDN. This method uses inlet flow and pressure sensors installed around the WDN to group them by clustering and studying the leak's impact in all of the zone.
On the other hand, the leak localization strategies developed in this thesis are divided into model-based and data-driven. All the leak localization techniques are based on the residual pressure study generated using the comparison between leak-free pressure estimations and leak pressure measurements. The first method is a model-based methodology that focuses on the problem of multi-leaks in the WDN ideal when it is available a well-calibrated hydraulic model of the WDN. Following, three data-driven approaches are presented: (i) starting with a technique that aims to reduce the area of the leak localization in the WDN, to proceed that a distance clustering with pre-defined centroids is generated, {ii) following an approach based on analyzing the extra flow effect that appears in a system with leakage with the goal of pass from the cluster analysis to a nade study. {iii) The last method focuses on the multi-leak problem by applying the fusion of the pressure residues applying the radial base function {RBF) interpolation to obtain the network zone with the highest leak probability.
To complement the leak supervision, this thesis developed a method for sensor placement ideal for the leak localization techniques based on the residual pressure analysis. In addition, a sensor validation method was designed to make the leak detection and Jocalization more robust since the technique allows the analysis to know if pressure sensors are working correctly. If not. the measurement data from this sensor can be removed for other leak supervision techniques not to be affected by wrong measurements.
(Español) Esta tesis doctoral presenta una nueva metodología para la supervisión de fugas en las redes de distribución de agua (ROA), enfocándose en la detección, estimación y localización de fugas en el sistema. Además, se presentan enfoques de validación y ubicación de sensores para brindar más solidez a los métodos presentados anteriormente. Finalmente, toda la metodología se introduce Y se prueba en diferentes redes de distribución de agua en base a estudios de casos reales y simulados.
Los métodos desarrollados en este manuscrito se pueden dividir en basados en modelos y basados en datos.
Los métodos basados en modelos usan modelos hidráulicos que deben estar bien calibrados para obtener resultados confiables. Este tipo de métodos puede obtener resultados más precisos en comparación con el basado en datos; sin embargo, no todas las ROA tienen modelos hidráulicos o no están actualizados a la red actual ya que, con el paso de los años, la ciudad tiende a expandirse. Por esta razón, el modelo hidráulico debe ser actualizado constantemente para ser más fiel. Por lo tanto, los métodos basados en datos que usan solo las mediciones de los sensores las y la información topológica del sistema se pueden aplicar cuando los modelos hidráulicos son inexactos o no están disponibles.
Los métodos de detección de fugas presentados en esta tesis están totalmente basados en datos que solo requieren datos históricos de los sensores instalados en la WDN. El primer método utiliza sólo información de los sensores de caudal instalados en la entrada de la red, detectando y estimando la magnitud de la fuga. La segunda es una técnica complementaria para centrarse en el problema de las fugas múltiples, es decir, cuando ocurre más de una fuga en la ROA. Este método utiliza el flujo
de entrada y los sensores de presión instalados en la ROA para agruparlos y estudiar el impacto de la fuga en todas las zonas.
Por otro lado, las estrategias de localización de fugas desarrolladas en esta tesis se dividen en basadas en modelos y basadas en datos. Todas las técnicas de localización de fugas se basan en el estudio de presión generado a partir de la comparación entre estimaciones de presión sin fugas y mediciones de presión con la fuga. El primer método es una metodología basada en modelos que se centra en el problema de las fugas múltiples en la ROA ideal cuando se dispone de un modelo hidráulico bien calibrado de la red. A continuación, se presentan tres enfoques basados en datos: (i) comenzando con una técnica que apunta a reducir el área de localización de la fuga en la ROA, para proceder a generar un agrupamiento basada en la distancia con centroides predefinidos, (ii)siguiendo una enfoque basado en analizar el efecto de flujo extra que aparece en un sistema con fugas con el objetivo de pasar del análisis de fuga a nivel de nodo. (iii) El último método se centra en el problema de las fugas múltiples
aplicando la fusión de los residuos de presión mediante la interpolación dada por una función de base radial para obtener la zona de la red con la mayor probabilidad de fuga.
Para complementar la supervisión de fugas, esta tesis desarrolla un método de colocación de sensores ideal para las técnicas de localización de fugas basadas en el análisis del residuo de presión. Además, se diseña un método de validación de sensores para hacer más robusta la detección y localización de fugas, ya que permite el análisis para saber si los sensores de presión están funcionando correctamente. De lo contrario, los datos de medición de este sensor se pueden eliminar para que las técnicas de supervisión de fugas no se vean afectadas por mediciones incorrectas.