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    Leak localization in water distribution networks using pressure and data-driven classifier approach

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    Leaks in water distribution networks (WDNs) are one of the main reasons for water loss during fluid transportation. Considering the worldwide problem of water scarcity, added to the challenges that a growing population brings, minimizing water losses through leak detection and localization, timely and efficiently using advanced techniques is an urgent humanitarian need. There are numerous methods being used to localize water leaks in WDNs through constructing hydraulic models or analyzing flow/pressure deviations between the observed data and the estimated values. However, from the application perspective, it is very practical to implement an approach which does not rely too much on measurements and complex models with reasonable computation demand. Under this context, this paper presents a novel method for leak localization which uses a data-driven approach based on limit pressure measurements in WDNs with two stages included: (1) Two different machine learning classifiers based on linear discriminant analysis (LDA) and neural networks (NNET) are developed to determine the probabilities of each node having a leak inside a WDN; (2) Bayesian temporal reasoning is applied afterwards to rescale the probabilities of each possible leak location at each time step after a leak is detected, with the aim of improving the localization accuracy. As an initial illustration, the hypothetical benchmark Hanoi district metered area (DMA) is used as the case study to test the performance of the proposed approach. Using the fitting accuracy and average topological distance (ATD) as performance indicators, the preliminary results reaches more than 80% accuracy in the best cases.Peer ReviewedPostprint (published version

    Near Real-Time Detection Of Pipe Burst Events In Cascading District Metered Areas

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    A fully automated Event Recognition System (ERS) for the near real-time detection of pipe bursts and other network events such as boundary valve status changes and pressure management valve faults has been recently developed by the authors. This paper focuses on the further development of this system. The aim is to enhance the ERS approximate event location and alarm handling capabilities by developing and testing a new methodology that, in the case of cascading District Metered Areas (DMAs), automatically determines in which DMA an event occurred. The newly developed methodology makes use of a set of heuristic rules based on engineering knowledge, the Water Distribution System (WDS) schematic and the ERS outputs. The results of applying the new methodology to the historical pressure/flow data from several groups of cascading DMAs in the United Kingdom (UK) with real-life burst events are reported in this paper. The results obtained illustrate that the developed methodology not only enabled detecting the burst events occurred in a timely (i.e., within 30 minutes) and reliable (i.e., without any false alarm) manner but also allowed to always successfully determine in which DMA the event happened. The latter capability enables water companies to target the resources for the identification of the exact burst location to the greatest effect. Additionally, it enables reducing the potential of false alarms and the overall number of detection alarms, thereby facilitating interpretation of the ERS results

    Pipe burst diagnostics using evidence theory

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    Copyright © IWA Publishing 2011.The definitive peer-reviewed and edited version of this article is published in Journal of Hydroinformatics Volume 13 Issue 4, pp. 596–608 (2011), DOI: 10.2166/hydro.2010.201 and is available at www.iwapublishing.com.This paper presents a decision support methodology aimed at assisting Water Distribution System (WDS) operators in the timely location of pipe bursts. This will enable them to react more systematically and promptly. The information gathered from various data sources to help locate where a pipe burst might have occurred is frequently conflicting and imperfect. The methodology developed in this paper deals effectively with such information sources. The raw data collected in the field is first processed by means of several models, namely the pipe burst prediction model, the hydraulic model and the customer contacts model. The Dempster–Shafer Theory of Evidence is then used to combine the outputs of these models with the aim of increasing the certainty of determining the location of a pipe burst within a WDS. This new methodology has been applied to several semi-real case studies. The results obtained demonstrate that the method shows potential for locating the area of a pipe burst by capturing the varying credibility of the individual models based on their historical performance

    Robust leak localization in water distribution networks using machine learning techniques

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    This PhD thesis presents a methodology to detect, estimate and localize water leaks (with the main focus in the localization problem) in water distribution networks using hydraulic models and machine learning techniques. The actual state of the art is introduced, the theoretical basis of the machine learning techniques applied are explained and the hydraulic model is also detailed. The whole methodology is presented and tested into different water distribution networks and district metered areas based on simulated and real case studies and compared with published methods. The focus of the contributions is to bring more robust methods against the uncertainties that effects the problem of leak detection, by dealing with them using the self-similarity to create features monitored by the change detection technique intersection-of-confidence-interval, and the leak localization where the problem is tackled using machine learning techniques. By using those techniques, it is expected to learn the leak behavior considering their uncertainty to be used in the diagnosis stage after the training phase. One method for the leak detection problem is presented that is able to estimate the leak size and the time that the leak has been produced. This method captures the normal, leak-free, behavior and contrast it with the new measurements in order to evaluate the state of the network. If the behavior is not normal check if it is due to a leak. To have a more robust leak detection method, a specific validation is designed to operate specifically with leaks and in the temporal region where the leak is most apparent. A methodology to extent the current model-based approach to localize water leaks by means of classifiers is proposed where the non-parametric k-nearest neighbors classifier and the parametric multi-class Bayesian classifier are proposed. A new data-driven approach to localize leaks using a multivariate regression technique without the use of hydraulic models is also introduced. This method presents a clear benefit over the model-based technique by removing the need of the hydraulic model despite of the topological information is still required. Also, the information of the expected leaks is not required since information of the expected hydraulic behavior with leak is exploited to find the place where the leak is more suitable. This method has a good performance in practice, but is very sensitive to the number of sensor in the network and their sensor placement. The proposed sensor placement techniques reduce the computational load required to take into account the amount of data needed to model the uncertainty compared with other optimization approaches while are designed to work with the leak localization problem. More precisely, the proposed hybrid feature selection technique for sensor placement is able to work with any method that can be evaluated with confusion matrix and still being specialized for the leak localization task. This last method is good for a few sensors, but lacks of precision when the number of sensors to place is large. To overcome this problem an incremental sensor placement is proposed which is better for a larger number of sensors to place but worse when the number is small.Aquesta tesi presenta una nova metodologia per a localització de fuites en xarxes de distribució d'aigua potable. Primer s'ha revisat l'estat del art actual i les bases teòriques tant de les tècniques de machine learning utilitzades al llarg de la tesi com els mètodes existents de localització de fuites. La metodologia presentada s'ha provat en diferents xarxes d'aigua simulades i reals, comparant el resultats amb altres mètodes publicats. L'objectiu principal de la contribució aportada és el de desenvolupar mètodes més robustos enfront les incerteses que afecten a la localització de fuites. En el cas de la detecció i estimació de la magnitud de la fuita, s'utilitza la tècnica self-similarity per crear els indicadors es monitoritzen amb la tècnica de detecció de canvis ("intersection-of-confidence-intervals"). En el cas de la localització de les fuites, s'han fet servir les tècniques de classificadors i interpoladors provinents del machine learning. A l'utilitzar aquestes tècniques s'espera captar el comportament de la fuita i de la incertesa per aprendre i tenir-ho en compte en la fase de la localització de la fuita. El mètode de la detecció de fallades proposat és capaç d'estimar la magnitud de la fuita i l'instant en que s'ha produït. Aquest mètode captura el comportament normal, sense fuita, i el contrasta amb les noves mesures per avaluar l'estat de la xarxa. En el cas que el comportament no sigui el normal, es procedeix a comprovar si això és degut a una fuita. Per tenir una mètode de detecció més robust, es fa servir una capa de validació especialment dissenyada per treballar específicament amb fuites i en la regió temporal en que la fuita és més evident. Per tal de millorar l'actual metodologia de localització de fuites mitjançant models hidràulics s'ha proposat l'ús de classificadors. Per una banda es proposa el classificador no paramètric k-nearest neighbors i per l'altre banda el classificador Bayesià paramètric per múltiples classes. Finalment, s'ha desenvolupat un nou mètode de localització de fuites basat en models de dades mitjançant la regressió de múltiples paràmetres sense l'ús del model hidràulic de la xarxa. Finalment, s'ha tractat el problema de la col·locació de sensors. El rendiment de la localització de fuites està relacionada amb la col·locació de sensors i és particular per a cada mètode de localització. Amb l'objectiu de maximitzar el rendiment dels mètodes de localització de fuites presentats anteriorment, es presenten i avaluen tècniques de col·locació de sensors específicament dissenyats ja que el problema de combinatòria no es pot manejar intentant cada possible combinació de sensors a part de les xarxes més petites amb pocs sensors per instal·lar. Aquestes tècniques de col·locació de sensors exploten el potencial de les tècniques de selecció de variables per tal de realitzar la tasca desitjada.Esta tesis doctoral presenta una nueva metodología para detectar, estimar el tamaño y localizar fugas de agua (donde el foco principal está puesto en el problema de la localización de fugas) en redes de distribución de agua potable. La tesis presenta una revisión del estado actual y las bases de las técnicas de machine learning que se aplican, así como una explicación del modelo hidráulico de las redes de agua. El conjunto de la metodología se presenta y prueba en diferentes redes de distribución de agua y sectores de consumo con casos de estudio simulados y reales, y se compara con otros métodos ya publicados. La contribución principal es la de desarrollar métodos más robustos frente a la incertidumbre de los datos. En la detección de fugas, la incertidumbre se trata con la técnica del self-similarity para la generación de indicadores que luego son monitoreados per la técnica de detección de cambios conocida como intersection-of-confidece-interval. En la localización de fugas el problema de la incertidumbre se trata con técnicas de machine learning. Al utilizar estas técnicas se espera aprender el comportamiento de la fuga y su incertidumbre asociada para tenerlo en cuenta en la fase de diagnóstico. El método presentado para la detección de fugas tiene la habilidad de estimar la magnitud y el instante en que la fuga se ha producido. Este método captura el comportamiento normal, sin fugas, del sistema y lo contrasta con las nuevas medidas para evaluar el estado actual de la red. En el caso de que el comportamiento no sea el normal, se comprueba si es debido a la presencia de una fuga en el sistema. Para obtener un método de detección más robusto, se considera una capa de validación especialmente diseñada para trabajar específicamente con fugas y durante el periodo temporal donde la fuga es más evidente. Esta técnica se compara con otras ya publicadas proporcionando una detección más fiable, especialmente en el caso de fugas pequeñas, al mismo tiempo que proporciona más información que puede ser usada en la fase de la localización de la fuga permitiendo mejorarla. El principal problema es que el método es más lento que los otros métodos analizados. Con el fin de mejorar la actual metodología de localización de fugas mediante modelos hidráulicos, se propone la utilización de clasificadores. Concretamente, se propone el clasificador no paramétrico k-nearest neighbors y el clasificador Bayesiano paramétrico para múltiples clases. La propuesta de localización de fugas mediante modelos hidráulicos y clasificadores permite gestionar la incertidumbre de los datos mejor para obtener un diagnóstico de la localización de la fuga más preciso. El principal inconveniente recae en el coste computacional, aunque no se realiza en tiempo real, de los datos necesarios por el clasificador para aprender correctamente la dispersión de los datos. Además, el método es muy dependiente de la calidad del modelo hidráulico de la red. En el campo de la localización de fugas, se a propuesto un nuevo método de localización de fugas basado en modelos de datos mediante la regresión de múltiples parámetros sin el uso de modelo hidráulico. Este método presenta un claro beneficio respecto a las técnicas basadas en modelos hidráulicos ya que prescinde de su uso, aunque la información topológica de la red es aún necesaria. Además, la información del comportamiento de la red para cada fuga no es necesario, ya que el conocimiento del efecto hidráulico de una fuga en un determinado punto de la red es utilizado para la localización. Este método ha dado muy buenos resultados en la práctica, aunque es muy sensible al número de sensores y a su colocación en la red. Finalmente, se trata el problema de la colocación de sensores. El desempeño de la localización de fugas está ligado a la colocación de los sensores y es particular para cada método. Con el objetivo de maximizar el desempeño de los métodos de localización de fugas presentados, técnicas de colocación de sensores específicamente diseñados para ellos se han presentado y evaluado. Dado que el problema de combinatoria que presenta no puede ser tratado analizando todas las posibles combinaciones de sensores excepto en las redes más pequeñas con unos pocos sensores para instalar. Estas técnicas de colocación de sensores explotan el potencial de las técnicas de selección de variables para realizar la tarea deseada. Las técnicas de colocación de sensores propuestas reducen la carga computacional, requerida para tener en cuenta todos los datos necesarios para modelar bien la incertidumbre, comparado con otras propuestas de optimización al mismo tiempo que están diseñadas para trabajar en la tarea de la localización de fugas. Más concretamente, la propuesta basada en la técnica híbrida de selección de variables para la colocación de sensores es capaz de trabajar con cualquier técnica de localización de fugas que se pueda evaluar con la matriz de confusión y ser a la vez óptimo. Este método es muy bueno para la colocación de sensores, pero el rendimiento disminuye a medida que el número de sensores a colocar crece. Para evitar este problema, se propone método de colocación de sensores de forma incremental que presenta un mejor rendimiento para un número alto de sensores a colocar, aunque no es tan eficaz con pocos sensores a colocar

    Robust leak localization in water distribution networks using machine learning techniques

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    Aplicat embargament des de la data de lectura fins el 20 de desembre de 2019This PhD thesis presents a methodology to detect, estimate and localize water leaks (with the main focus in the localization problem) in water distribution networks using hydraulic models and machine learning techniques. The actual state of the art is introduced, the theoretical basis of the machine learning techniques applied are explained and the hydraulic model is also detailed. The whole methodology is presented and tested into different water distribution networks and district metered areas based on simulated and real case studies and compared with published methods. The focus of the contributions is to bring more robust methods against the uncertainties that effects the problem of leak detection, by dealing with them using the self-similarity to create features monitored by the change detection technique intersection-of-confidence-interval, and the leak localization where the problem is tackled using machine learning techniques. By using those techniques, it is expected to learn the leak behavior considering their uncertainty to be used in the diagnosis stage after the training phase. One method for the leak detection problem is presented that is able to estimate the leak size and the time that the leak has been produced. This method captures the normal, leak-free, behavior and contrast it with the new measurements in order to evaluate the state of the network. If the behavior is not normal check if it is due to a leak. To have a more robust leak detection method, a specific validation is designed to operate specifically with leaks and in the temporal region where the leak is most apparent. A methodology to extent the current model-based approach to localize water leaks by means of classifiers is proposed where the non-parametric k-nearest neighbors classifier and the parametric multi-class Bayesian classifier are proposed. A new data-driven approach to localize leaks using a multivariate regression technique without the use of hydraulic models is also introduced. This method presents a clear benefit over the model-based technique by removing the need of the hydraulic model despite of the topological information is still required. Also, the information of the expected leaks is not required since information of the expected hydraulic behavior with leak is exploited to find the place where the leak is more suitable. This method has a good performance in practice, but is very sensitive to the number of sensor in the network and their sensor placement. The proposed sensor placement techniques reduce the computational load required to take into account the amount of data needed to model the uncertainty compared with other optimization approaches while are designed to work with the leak localization problem. More precisely, the proposed hybrid feature selection technique for sensor placement is able to work with any method that can be evaluated with confusion matrix and still being specialized for the leak localization task. This last method is good for a few sensors, but lacks of precision when the number of sensors to place is large. To overcome this problem an incremental sensor placement is proposed which is better for a larger number of sensors to place but worse when the number is small.Aquesta tesi presenta una nova metodologia per a localització de fuites en xarxes de distribució d'aigua potable. Primer s'ha revisat l'estat del art actual i les bases teòriques tant de les tècniques de machine learning utilitzades al llarg de la tesi com els mètodes existents de localització de fuites. La metodologia presentada s'ha provat en diferents xarxes d'aigua simulades i reals, comparant el resultats amb altres mètodes publicats. L'objectiu principal de la contribució aportada és el de desenvolupar mètodes més robustos enfront les incerteses que afecten a la localització de fuites. En el cas de la detecció i estimació de la magnitud de la fuita, s'utilitza la tècnica self-similarity per crear els indicadors es monitoritzen amb la tècnica de detecció de canvis ("intersection-of-confidence-intervals"). En el cas de la localització de les fuites, s'han fet servir les tècniques de classificadors i interpoladors provinents del machine learning. A l'utilitzar aquestes tècniques s'espera captar el comportament de la fuita i de la incertesa per aprendre i tenir-ho en compte en la fase de la localització de la fuita. El mètode de la detecció de fallades proposat és capaç d'estimar la magnitud de la fuita i l'instant en que s'ha produït. Aquest mètode captura el comportament normal, sense fuita, i el contrasta amb les noves mesures per avaluar l'estat de la xarxa. En el cas que el comportament no sigui el normal, es procedeix a comprovar si això és degut a una fuita. Per tenir una mètode de detecció més robust, es fa servir una capa de validació especialment dissenyada per treballar específicament amb fuites i en la regió temporal en que la fuita és més evident. Per tal de millorar l'actual metodologia de localització de fuites mitjançant models hidràulics s'ha proposat l'ús de classificadors. Per una banda es proposa el classificador no paramètric k-nearest neighbors i per l'altre banda el classificador Bayesià paramètric per múltiples classes. Finalment, s'ha desenvolupat un nou mètode de localització de fuites basat en models de dades mitjançant la regressió de múltiples paràmetres sense l'ús del model hidràulic de la xarxa. Finalment, s'ha tractat el problema de la col·locació de sensors. El rendiment de la localització de fuites està relacionada amb la col·locació de sensors i és particular per a cada mètode de localització. Amb l'objectiu de maximitzar el rendiment dels mètodes de localització de fuites presentats anteriorment, es presenten i avaluen tècniques de col·locació de sensors específicament dissenyats ja que el problema de combinatòria no es pot manejar intentant cada possible combinació de sensors a part de les xarxes més petites amb pocs sensors per instal·lar. Aquestes tècniques de col·locació de sensors exploten el potencial de les tècniques de selecció de variables per tal de realitzar la tasca desitjada.Esta tesis doctoral presenta una nueva metodología para detectar, estimar el tamaño y localizar fugas de agua (donde el foco principal está puesto en el problema de la localización de fugas) en redes de distribución de agua potable. La tesis presenta una revisión del estado actual y las bases de las técnicas de machine learning que se aplican, así como una explicación del modelo hidráulico de las redes de agua. El conjunto de la metodología se presenta y prueba en diferentes redes de distribución de agua y sectores de consumo con casos de estudio simulados y reales, y se compara con otros métodos ya publicados. La contribución principal es la de desarrollar métodos más robustos frente a la incertidumbre de los datos. En la detección de fugas, la incertidumbre se trata con la técnica del self-similarity para la generación de indicadores que luego son monitoreados per la técnica de detección de cambios conocida como intersection-of-confidece-interval. En la localización de fugas el problema de la incertidumbre se trata con técnicas de machine learning. Al utilizar estas técnicas se espera aprender el comportamiento de la fuga y su incertidumbre asociada para tenerlo en cuenta en la fase de diagnóstico. El método presentado para la detección de fugas tiene la habilidad de estimar la magnitud y el instante en que la fuga se ha producido. Este método captura el comportamiento normal, sin fugas, del sistema y lo contrasta con las nuevas medidas para evaluar el estado actual de la red. En el caso de que el comportamiento no sea el normal, se comprueba si es debido a la presencia de una fuga en el sistema. Para obtener un método de detección más robusto, se considera una capa de validación especialmente diseñada para trabajar específicamente con fugas y durante el periodo temporal donde la fuga es más evidente. Esta técnica se compara con otras ya publicadas proporcionando una detección más fiable, especialmente en el caso de fugas pequeñas, al mismo tiempo que proporciona más información que puede ser usada en la fase de la localización de la fuga permitiendo mejorarla. El principal problema es que el método es más lento que los otros métodos analizados. Con el fin de mejorar la actual metodología de localización de fugas mediante modelos hidráulicos, se propone la utilización de clasificadores. Concretamente, se propone el clasificador no paramétrico k-nearest neighbors y el clasificador Bayesiano paramétrico para múltiples clases. La propuesta de localización de fugas mediante modelos hidráulicos y clasificadores permite gestionar la incertidumbre de los datos mejor para obtener un diagnóstico de la localización de la fuga más preciso. El principal inconveniente recae en el coste computacional, aunque no se realiza en tiempo real, de los datos necesarios por el clasificador para aprender correctamente la dispersión de los datos. Además, el método es muy dependiente de la calidad del modelo hidráulico de la red. En el campo de la localización de fugas, se a propuesto un nuevo método de localización de fugas basado en modelos de datos mediante la regresión de múltiples parámetros sin el uso de modelo hidráulico. Este método presenta un claro beneficio respecto a las técnicas basadas en modelos hidráulicos ya que prescinde de su uso, aunque la información topológica de la red es aún necesaria. Además, la información del comportamiento de la red para cada fuga no es necesario, ya que el conocimiento del efecto hidráulico de una fuga en un determinado punto de la red es utilizado para la localización. Este método ha dado muy buenos resultados en la práctica, aunque es muy sensible al número de sensores y a su colocación en la red. Finalmente, se trata el problema de la colocación de sensores. El desempeño de la localización de fugas está ligado a la colocación de los sensores y es particular para cada método. Con el objetivo de maximizar el desempeño de los métodos de localización de fugas presentados, técnicas de colocación de sensores específicamente diseñados para ellos se han presentado y evaluado. Dado que el problema de combinatoria que presenta no puede ser tratado analizando todas las posibles combinaciones de sensores excepto en las redes más pequeñas con unos pocos sensores para instalar. Estas técnicas de colocación de sensores explotan el potencial de las técnicas de selección de variables para realizar la tarea deseada. Las técnicas de colocación de sensores propuestas reducen la carga computacional, requerida para tener en cuenta todos los datos necesarios para modelar bien la incertidumbre, comparado con otras propuestas de optimización al mismo tiempo que están diseñadas para trabajar en la tarea de la localización de fugas. Más concretamente, la propuesta basada en la técnica híbrida de selección de variables para la colocación de sensores es capaz de trabajar con cualquier técnica de localización de fugas que se pueda evaluar con la matriz de confusión y ser a la vez óptimo. Este método es muy bueno para la colocación de sensores, pero el rendimiento disminuye a medida que el número de sensores a colocar crece. Para evitar este problema, se propone método de colocación de sensores de forma incremental que presenta un mejor rendimiento para un número alto de sensores a colocar, aunque no es tan eficaz con pocos sensores a colocar.Postprint (published version

    Intelligent urban water infrastructure management

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    Copyright © 2013 Indian Institute of ScienceUrban population growth together with other pressures, such as climate change, create enormous challenges to provision of urban infrastructure services, including gas, electricity, transport, water, etc. Smartgrid technology is viewed as the way forward to ensure that infrastructure networks are fl exible, accessible, reliable and economical. “Intelligent water networks” take advantage of the latest information and communication technologies to gather and act on information to minimise waste and deliver more sustainable water services. The effective management of water distribution, urban drainage and sewerage infrastructure is likely to require increasingly sophisticated computational techniques to keep pace with the level of data that is collected from measurement instruments in the field. This paper describes two examples of intelligent systems developed to utilise this increasingly available real-time sensed information in the urban water environment. The first deals with the failure-management decision-support system for water distribution networks, NEPTUNE, that takes advantage of intelligent computational methods and tools applied to near real-time logger data providing pressures, flows and tank levels at selected points throughout the system. The second, called RAPIDS, deals with urban drainage systems and the utilisation of rainfall data to predict flooding of urban areas in near real-time. The two systems have the potential to provide early warning and scenario testing for decision makers within reasonable time, this being a key requirement of such systems. Computational methods that require hours or days to run will not be able to keep pace with fast-changing situations such as pipe bursts or manhole flooding and thus the systems developed are able to react in close to real time.Engineering and Physical Sciences Research CouncilUK Water Industry ResearchYorkshire Wate

    Application of software and hardware-based technologies in leaks and burst detection in water pipe networks: a literature review

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    With the rise of smart water cities, water resource management has become increasingly important. The increase in the use of intelligent leak detection technologies in the water, gas, oil, and chemical industries has led to a significant improvement in safety, customer, and environmental results, and management costs. The aim of this review article is to provide a comprehensive overview of the application of software and hardware-based technologies in leak detection and bursts in water pipeline networks. This review aims to investigate the existing literature on the subject and to analyse the key leak detection systems in the water industry. The novelty of this review is the comprehensive analysis of the literature on software and hardware-based technologies for leak and burst detection in water pipe networks. Overall, this review article contributes to understanding the latest developments and challenges in the application of software- and hardware-based technologies for leak and burst detection in water pipe networks, and serves as a valuable resource for researchers, engineers, and practitioners working in the field of water distribution systems

    Literature review of data analytics for leak detection in water distribution networks: A focus on pressure and flow smart sensors

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    This is the author accepted manuscript. The final version is available from ASCE via the DOI in this recordDATA AVAILABILITY STATEMENT: No data, models, or code were generated or used during the study (e.g. opinion or dateless paper)Leakage detection is one of the important aspects of water distribution management. Water companies are exploring alternative approaches to detect leaks in a timely manner with high accuracy to reduce water losses and minimise environmental and economic consequences. In this article, a literature review is presented to develop a step-by-step analytic framework for the leakage detection process based on flow and pressure data collected from water distribution networks. The main steps of the data analytic for leakage detection are: setting up the goals, data collection, preparing the gathered data, analysing the prepared data, and method evaluation. The issues of concern for each step of the proposed leakage detection framework are analysed and discussed. The smart sensor-based leakage detection methods can be categorised as data-driven methods and model-based methods. Data-driven methods can be further categorised as statistical process control-based methods, prediction-classification methods, and clustering methods. Hydraulic model-based methods can be further categorised as calibration-based methods, sensitivity analysis, and classifier-based methods. The advantages and disadvantages of each method are discussed, and suggestions for future research are provided. This review represents a new perspective on the subject from five aspects: 1) most of the leakage detection methods are focused on burst detection, and different types of leakages should be considered in future research; 2) it is important to consider data uncertainties, and more robust real-time leakage detection methods should be developed; 3) it is important to consider hydraulic model uncertainties; 4) unrealistic assumptions should be addressed in future research; 5) spatial relations between sensors could provide more information and should be considered.China Scholarship CouncilRoyal Academy of Engineerin

    Smart Urban Water Networks

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    This book presents the paper form of the Special Issue (SI) on Smart Urban Water Networks. The number and topics of the papers in the SI confirm the growing interest of operators and researchers for the new paradigm of smart networks, as part of the more general smart city. The SI showed that digital information and communication technology (ICT), with the implementation of smart meters and other digital devices, can significantly improve the modelling and the management of urban water networks, contributing to a radical transformation of the traditional paradigm of water utilities. The paper collection in this SI includes different crucial topics such as the reliability, resilience, and performance of water networks, innovative demand management, and the novel challenge of real-time control and operation, along with their implications for cyber-security. The SI collected fourteen papers that provide a wide perspective of solutions, trends, and challenges in the contest of smart urban water networks. Some solutions have already been implemented in pilot sites (i.e., for water network partitioning, cyber-security, and water demand disaggregation and forecasting), while further investigations are required for other methods, e.g., the data-driven approaches for real time control. In all cases, a new deal between academia, industry, and governments must be embraced to start the new era of smart urban water systems

    Failure monitoring in water distribution networks

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    An algorithm for the burst detection and location in water distribution networks based on the continuous monitoring of the flow rate at the entry point of the network and the pressure at a number of points within the network is presented. The approach is designed for medium to large bursts with opening times in the order of a few minutes and is suitable for networks of relatively small size, such as district metered areas (DMAs). The burst-induced increase in the inlet flow rate is detected using the modified cumulative sum (CUSUM) change detection test. Based on parameters obtained from the CUSUM test, the burst is simulated at a number of burst candidate locations. The calculated changes in pressure at the pressure monitoring points are then compared to the measured values and the location resulting in the best fit is selected as the burst location. The EPANET steady-state hydraulic solver is utilised to simulate the flows and pressures in the network. A sensitivity-based sampling design procedure is introduced to find the optimal positions for pressure monitoring points. The proposed algorithm is tested on a case study example network and shows potential for burst detection and location in real water distribution systems.D. Misiunas, J. Vítkovský, G. Olsson, M. Lambert, and A. Simpso
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