Leakage localization in city water distribution network

Bogataj, Mark (author), Šubelj, Lovro (mentor)

This thesis addresses the challenge of water leak localization within water distribution networks (WDNs), focusing on the strategic placement of sensors to enhance leak localization accuracy. We explore a range of algorithms to tackle this problem, beginning with basic graph theory-based approaches that offer preliminary solutions without a detailed WDN model. For more sophisticated sensor placement strategies, we investigate advanced algorithms, including genetic algorithms (GA), mutual information quadratic unconstrained binary optimization (MIQUBO), and cost-effective lazy forward (CELF) algorithms. An exhaustive search methodology is employed to benchmark the optimal solution. Among these, the GA emerges as the most cost-effective method, balancing performance and investment. Our evaluation, conducted across four distinct network sizes and three leak magnitudes, demonstrates that while most algorithms achieve high performance, GA consistently delivers leak localization accuracy of around 90% or higher in some cases. This work identifies GA as a superior strategy for sensor placement from a cost-performance perspective and contributes a comprehensive framework for enhancing leak localization capabilities in WDNs.

• Language: English
• Keywords: water distribution networks, leakage localization, sensor placement, optimization
• Work type: Master's thesis/paper
• Typology: 2.09 - Master's Thesis
• Organization: FRI - Faculty of Computer and Information Science
• Year: 2024
• PID: 20.500.12556/RUL-155749
• COBISS.SI-ID: 193117955
• Publication date in RUL: 15.04.2024

Secondary language

• Language: Slovenian
• Title: Lokalizacija puščanja v vodovodnem omrežju mesta

Abstract

V tem delu se lotevamo problema določanja lokacije uhajanja vode v distribucijskih omrežjih vode s posebnim poudarkom na strateški umestitvi senzorjev za povečanje natančnosti pri določanju lokacije uhajanja. Proučili smo več algoritmov, ki se spopadajo s tem izzivom, začenši z osnovnimi metodami, utemeljenimi na teoriji grafov, ki nudijo začetne rešitve brez potrebe po podrobnem modeliranju omrežja. Za razvoj bolj prefinjenih strategij namestitve senzorjev smo se posvetili naprednim algoritmom, kot so genetski algoritmi (GA), algoritmi za kvadratično neomejeno binarno optimizacijo z uporabo vzajemnih informacij (MIQUBO) in algoritmi za stroškovno učinkovito leno iskanje naprej (CELF). Uporabili smo temeljito metodologijo iskanja za določitev optimalne rešitve. Med proučevanimi metodami se je GA izkazal kot najbolj ekonomična izbira, ki uspešno uravnoteži med zmogljivostjo in investicijo. Naše vrednotenje, izvedeno na štirih različnih velikostih omrežij in pri treh različnih obsegih puščanj, kaže, da - čeprav večina algoritmov zagotavlja visoko uspešnost - GA dosledno omogoča doseganje natančnosti lokalizacije puščanj v višini okrog 90 % ali več v določenih primerih. Ta raziskava prepoznava GA kot prednostno strategijo namestitve senzorjev z vidika razmerja med ceno in učinkovitostjo ter ponuja celovit pristop k izboljšanju zmožnosti lokalizacije puščanj v omrežjih za distribucijo vode.

• Keywords: vodno omrežje, lokalizacija puščanja, postavitev senzorjev, optimizacija