A spatial and temporal analysis for long term renewal of water pipes

9 p.International audienceDrinking Water distribution systems as well as other technical networks represent an important accounting. Managing these networks aims to sustain people's access to drinking water quality and quantity according to a satisfactory level of service. Water networks are an assembly of technical devices, most of them are buried. This makes their diagnosis more difficult and requires the implementation of a policy, known by "asset management". This requires planned actions in the short, medium and long term. It aims to describe the state of the asset by developing specific tools in a first time and plan the actions needed to maintain its state in a second phase. This current research deals with the problematic of establishing priorities for pipes that should be selected for rehabilitation. The developed approach is based on the discrimination of vulnerable pipes by a spatial and temporal analysis starting from a simple idea: the diagnosis is often unaware dimensions: topology and evolution of failures pattern. Thus, detailed approach provides a holistic vision of the network by identifying areas with high failures, called "hotspots" and their evolution over time. Therefore, this research allows a visual representation using the network topology; such representation provides a resolution of the network and can be used to evaluate, a priori, the effectiveness of the rehabilitation policies according to their incidence on hotspots' reducing

Gestion patrimoniale : pilotage par la performance dans une optique de durabilité du service

Dans le domaine de la gestion patrimoniale des infrastructures, la performance est un concept commun qui guide le gestionnaire dans sa volonté de pérenniser l’accès au service dans des conditions optimisées à tous les niveaux : sécurité, technique, environnement, social, économique. Cet article s’interroge ici sur la possibilité de définir une méthode d’évaluation multidimensionnelle de la performance qui serait indépendante du type du patrimoine analysé au regard de ses fonctionnalités et du fait qu’il soit enterré ou visible. À cet effet, deux cas d’études ont été choisis, l’un considérant une infrastructure enterrée, à savoir les réseaux de distribution d’eau potable, et l’autre visible, concernant les digues de protection contre les inondations

La programmation pluriannuelle du renouvellement des réseaux d'eau potable

Le travail de thèse porte sur la problématique de programmation du renouvellement d’infrastructures publiques faisant apparaître la notion de réseau physique : les réseaux d’autoroutes, réseaux de ponts, réseaux électriques, réseaux de transport et plus particulièrement les réseaux d’Alimentation en Eau Potable. En effet l’exploitation de ces infrastructures qui subissent l’usure physique et l’obsolescence technique nécessite la remise à niveau de leur performance dans une démarche d’amélioration continue, ce qui rend la réalisation de travaux de renouvellement indispensables pour pérenniser l’accès à un service donné. Ils représentent des investissements de modernisation dont le but est de réduire les coûts d’exploitation et de maintenance des infrastructures existantes en améliorant leur fonctionnement. Ces investissements ne génèrent pas nécessairement de nouveaux flux financiers « Cash-Flow », d’où la difficulté pour les services publics à les supporter. Ils représentent des immobilisations et un patrimoine dont la durée de vie est importante. La gestion du patrimoine ou « Asset Management » est une approche qui permet de suivre l’évolution d’un patrimoine et d’anticiper les travaux à réaliser pour son maintien en service tout au long de sa durée de vie. La mise en place d’une telle approche nécessite la prise en compte dans le processus de décision de critères à la fois économiques, techniques et sociaux. Ce travail propose un modèle d’aide à la décision qui s’inspire de cette approche permettant d’évaluer les besoins en renouvellement, de déterminer les priorités et de programmer dans le temps la réalisation des travaux sur un horizon donné de manière pluriannuelle. Nous considérons des sources d’incertitude liées à l’état du patrimoine et la disponibilité des ressources financières requises. Dans le cadre de la thèse, ce patrimoine est constitué par les conduites formant les réseaux d’Alimentation en Eau Potable (AEP). Le modèle élaboré propose une séquence acceptable d’interventions sur le réseau en identifiant les conduites devant faire l’objet de travaux, ainsi que la nature des interventions à effectuer. Ceci, en tenant compte de contraintes liées à la disponibilité des ressources financières et aux prescriptions techniques de fonctionnement du réseau sur un horizon de planification donné, ce qui nécessite un lissage des ressources financières dans le temps. Le modèle utilise une optimisation multi-objectif basée sur l’optimum de Pareto, faisant appel à un algorithme génétique spécifique couplé avec un logiciel de simulation hydraulique pour la recherche de politiques de renouvellement acceptables. Il propose une démarche adaptée à la réalité du terrain pour la détermination d’un ensemble de solutions viables, parmi lesquelles le gestionnaire du réseau d’eau peut choisir une politique de renouvellement traduisant une programmation pluriannuelle des travaux de renouvellement.The thesis deals with the problematic of the renewal programming of public infrastructures built in the within a network structure: Highway networks, bridges networks, electrical supply networks, transport networks and in particular the water networks. A sustainable management of infrastructure assets is required in order to improve continuously their performance. Renewal works are needed to ensure the continuity of the service access, to reduce operations costs, maintenance costs and enhance the performance of the infrastructures. This investment do not generate necessarily a cash flow that cause a difficulty for the public utilities to support them. It represent also an asset and a patrimony with important service life. The asset management allows monitoring of infrastructures and programming the required works to be implemented to ensure a right operation of infrastructure over their service life. This approach need to take into the decision making process economic, technical and social criteria. This work propose a decision making tool inspired from asset management approach that allows to assess the required renewals , to select and program over a given time step the required annual works. We consider uncertainty sources linked with the state of the asset and the availability of financial resources. The asset considered in the thesis is consisted of the pipes forming the water networks. The developed tool propose an acceptable sequence of interventions on the water network by the identification of pipes which need renewal work and allows to identify the nature of the required intervention according to constrained related to available financial resources and technical conditions of water network operation over a given time step. The model uses a multiobjective optimisation using the Pareto optimality with the help of a specific genetic algorithm and hydraulic simulation software for the search of feasible renewal policies, the selection of the right policy among proposed one remains to water utility manager

The multi-annual programing of water network renewal

Le travail de thèse porte sur la problématique de programmation du renouvellement d'infrastructures publiques faisant apparaître la notion de réseau physique : les réseaux d'autoroutes, réseaux de ponts, réseaux électriques, réseaux de transport et plus particulièrement les réseaux d'Alimentation en Eau Potable. En effet l'exploitation de ces infrastructures qui subissent l'usure physique et l'obsolescence technique nécessite la remise à niveau de leur performance dans une démarche d'amélioration continue, ce qui rend la réalisation de travaux de renouvellement indispensables pour pérenniser l'accès à un service donné. Ils représentent des investissements de modernisation dont le but est de réduire les coûts d'exploitation et de maintenance des infrastructures existantes en améliorant leur fonctionnement. Ces investissements ne génèrent pas nécessairement de nouveaux flux financiers  Cash-Flow  , d'où la difficulté pour les services publics à les supporter. Ils représentent des immobilisations et un patrimoine dont la durée de vie est importante. La gestion du patrimoine ou  Asset Management  est une approche qui permet de suivre l'évolution d'un patrimoine et d'anticiper les travaux à réaliser pour son maintien en service tout au long de sa durée de vie. La mise en place d'une telle approche nécessite la prise en compte dans le processus de décision de critères à la fois économiques, techniques et sociaux. Ce travail propose un modèle d'aide à la décision qui s'inspire de cette approche permettant d'évaluer les besoins en renouvellement, de déterminer les priorités et de programmer dans le temps la réalisation des travaux sur un horizon donné de manière pluriannuelle. Nous considérons des sources d'incertitude liées à l'état du patrimoine et la disponibilité des ressources financières requises. Dans le cadre de la thèse, ce patrimoine est constitué par les conduites formant les réseaux d'Alimentation en Eau Potable (AEP). Le modèle élaboré propose une séquence acceptable d'interventions sur le réseau en identifiant les conduites devant faire l'objet de travaux, ainsi que la nature des interventions à effectuer. Ceci, en tenant compte de contraintes liées à la disponibilité des ressources financières et aux prescriptions techniques de fonctionnement du réseau sur un horizon de planification donné, ce qui nécessite un lissage des ressources financières dans le temps. Le modèle utilise une optimisation multi-objectif basée sur l'optimum de Pareto, faisant appel à un algorithme génétique spécifique couplé avec un logiciel de simulation hydraulique pour la recherche de politiques de renouvellement acceptables. Il propose une démarche adaptée à la réalité du terrain pour la détermination d'un ensemble de solutions viables, parmi lesquelles le gestionnaire du réseau d'eau peut choisir une politique de renouvellement traduisant une programmation pluriannuelle des travaux de renouvellement.The thesis deals with the problematic of the renewal programming of public infrastructures built in the within a network structure: Highway networks, bridges networks, electrical supply networks, transport networks and in particular the water networks. A sustainable management of infrastructure assets is required in order to improve continuously their performance. Renewal works are needed to ensure the continuity of the service access, to reduce operations costs, maintenance costs and enhance the performance of the infrastructures. This investment do not generate necessarily a cash flow that cause a difficulty for the public utilities to support them. It represent also an asset and a patrimony with important service life. The asset management allows monitoring of infrastructures and programming the required works to be implemented to ensure a right operation of infrastructure over their service life. This approach need to take into the decision making process economic, technical and social criteria. This work propose a decision making tool inspired from asset management approach that allows to assess the required renewals , to select and program over a given time step the required annual works. We consider uncertainty sources linked with the state of the asset and the availability of financial resources. The asset considered in the thesis is consisted of the pipes forming the water networks. The developed tool propose an acceptable sequence of interventions on the water network by the identification of pipes which need renewal work and allows to identify the nature of the required intervention according to constrained related to available financial resources and technical conditions of water network operation over a given time step. The model uses a multiobjective optimisation using the Pareto optimality with the help of a specific genetic algorithm and hydraulic simulation software for the search of feasible renewal policies, the selection of the right policy among proposed one remains to water utility manager

The multi-annual programing of water network renewal

Le travail de thèse porte sur la problématique de programmation du renouvellement d'infrastructures publiques faisant apparaître la notion de réseau physique : les réseaux d'autoroutes, réseaux de ponts, réseaux électriques, réseaux de transport et plus pThe thesis deals with the problematic of the renewal programming of public infrastructures built in the within a network structure: Highway networks, bridges networks, electrical supply networks, transport networks and in particular the water networks

Cost–Benefit Prediction of Asset Management Actions on Water Distribution Networks

International audienceThe potential costs and benefits of a combination of asset management actions on the water distribution network are predicted. Two types of actions are considered: maintenance actions and renewal actions. Leak detection and reparation of failures on connections and pipes define the set of potential maintenance actions to be carried out. Renewal actions concern connections, pipes, and meters. All these actions represent the model's decision variables in order to determine a trade-off between two objectives: (i) the maximization of the water efficiency rate and (ii) the minimization of the total cost of actions to be carried out on the water system. The assessment of objective functions is ensured by an artificial neural network (ANN) trained on a French mandatory database >. A non-dominated sorting genetic algorithm (NSGA-II) is coupled to the ANN to reach the set of compromised solutions representing potential actions to achieve. Applied to a real water distribution system in the southeast of France, the proposed decision model indicates that the improvement of water efficiency rate (WER) in the short term requires increasing operation expenditures (OPEX), which represent 99% of the total cost. Results show the existence of a threshold effect that implies to use the budget in a certain way to improve performance. A potential solution can be chosen by the decision maker among the generated Pareto front with regard to the constraint on the budget and the targeted WER

Prediction of Water Utility Performance: The Case of the Water Efficiency Rate

This paper deals with the development of a decision-aiding model for predicting, in an ex-ante way, the effects of a mix of actions on an asset and on its operation. The objective is then to define a compromised policy between costs and performance improvements. We investigate the use of multiple regression analysis (MRA) and an artificial neural network (ANN) to establish causal relationships between the network efficiency rate, and a set of explanatory variables on one hand, and potential water loss management actions such as leak detection, maintenance and asset renewal, on the other hand. The originality of our approach is in developing a two-step ex-ante model for predicting the efficiency rate involving low and high level explanatory variables in a context of unavailability of data at the scale of the water utility. The first step exploits a national French database «SISPEA» (Système d’Information d’information sur les Services Publics d’Eau et d’Assainissement) to calibrate a general prediction model that establishes a correlation between efficiency (output) and other performance indicators (inputs). The second step involves the utility manager to build a causal model between endogenous and exogenous variables of a specific water network (low level) and performance indicators considered as inputs for the previous step (high level). Uncertainty is taken into account by Monte Carlo simulations. An application of our decision model on a water utility in the southeast of France is provided as a case study

A comprehensive approach to long and short term planning of water main renewal

Efficient renewal planning of water mains requires the consideration of the long term deterioration of their structural resiliency, their deteriorating hydraulic capacity and their life-cycle costs. Cost of pipe replacement can be significantly affected by economies of scale and by coordinating pipe replacement with adjacent infrastructure work such as roads, sewers, etc. The simultaneous consideration of all these factors at a single pipe planning resolution is computationally prohibitive due to vast dimensionality. In this paper we present a comprehensive approach that considers these factors in two stages. In the first stage, the long-term deterioration of both the structural resiliency and hydraulic capacity of water mains are explored, along with the consequences of failure and renewal cost, to produce a list of candidate pipes to be considered for renewal in the short-term. In the second stage, these candidate pipes are examined in more detail, including economies of scale and adjacent infrastructure consideration, to produce the best candidates for immediate and near-term action.Peer reviewed: YesNRC publication: Ye