Published March 1, 2022 | Version v1
Publication Metadata-only

A systematic framework for dynamic nodal vulnerability assessment of water distribution networks based on multilayer networks

Creators

  • 1. Norwegian University of Science and Technology
  • 2. Kwame Nkrumah University of Science and Technology

Description

Nodal demands vary throughout the day, as such any vulnerability analysis based on static networks, which considers daily average demands cannot realistically represent the criticality of nodes in the network. This study presents a systematic framework, which couples multilayer networks, structural reducibility and a Demand Adjusted Vulnerability Measure for dynamic nodal vulnerability assessment of water distribution networks (WDNs) under extended period simulation. Within this framework, we present the novel idea of characterizing the dynamics of WDNs with multi-slice networks, which captures the state of the network within a predefined temporal window taking into consideration the directional flow in pipes and the operational status of pumps, valves etc. Using a benchmark WDN, Net 3, as a case study we have demonstrated the importance of demand variations and operational status of various components, no matter how minuscule their operational time, on nodal vulnerability assessment in WDNs. The results indicated that the framework evaluates the criticality of all types of nodes, even intermediary nodes with zero base demand, within any temporal window much more realistically than conventional vulnerability analysis methods based on single (static) networks. Structural reducibility unearthed correlations between the operational status of source nodes and pumps on the general dynamics of the distribution system. The multilayer framework opens a new frontier in vulnerability analysis of WDNs and could serve as a tool for stakeholders in accessing node criticality, impact of various failure scenarios and optimal scheduling of maintenance routines.

⚠️ This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%

Translated Description (Arabic)

تختلف المطالب العقدية على مدار اليوم، حيث أن أي تحليل للضعف يعتمد على الشبكات الثابتة، والتي تعتبر أن متوسط المطالب اليومية لا يمكن أن يمثل بشكل واقعي أهمية العقد في الشبكة. تقدم هذه الدراسة إطارًا منهجيًا، يجمع بين الشبكات متعددة الطبقات وقابلية الاختزال الهيكلي ومقياس الضعف المعدل حسب الطلب لتقييم الضعف العقدي الديناميكي لشبكات توزيع المياه (WDNs) في إطار محاكاة طويلة الأمد. في هذا الإطار، نقدم الفكرة الجديدة المتمثلة في توصيف ديناميكيات شبكات WDN بشبكات متعددة الشرائح، والتي تلتقط حالة الشبكة ضمن نافذة زمنية محددة مسبقًا مع مراعاة التدفق الاتجاهي في الأنابيب والحالة التشغيلية للمضخات والصمامات وما إلى ذلك. باستخدام معيار WDN، Net 3، كدراسة حالة، أظهرنا أهمية اختلافات الطلب والحالة التشغيلية للمكونات المختلفة، بغض النظر عن مدى ضآلة وقتها التشغيلي، بشأن تقييم الضعف العقدي في شبكات WDN. أشارت النتائج إلى أن الإطار يقيم أهمية جميع أنواع العقد، حتى العقد الوسيطة ذات الطلب الأساسي الصفري، ضمن أي نافذة زمنية أكثر واقعية بكثير من طرق تحليل الضعف التقليدية القائمة على شبكات واحدة (ثابتة). كشفت قابلية الاختزال الهيكلية عن ارتباطات بين الحالة التشغيلية لعقد المصدر والمضخات على الديناميكيات العامة لنظام التوزيع. يفتح إطار العمل متعدد الطبقات حدودًا جديدة في تحليل نقاط الضعف لشبكات WDN ويمكن أن يكون بمثابة أداة لأصحاب المصلحة في الوصول إلى أهمية العقدة وتأثير سيناريوهات الفشل المختلفة والجدولة المثلى لإجراءات الصيانة.

Translated Description (French)

Les demandes nodales varient tout au long de la journée, de sorte que toute analyse de vulnérabilité basée sur des réseaux statiques, qui considère que les demandes moyennes quotidiennes ne peuvent pas représenter de manière réaliste la criticité des nœuds du réseau. Cette étude présente un cadre systématique, qui couple les réseaux multicouches, la réductibilité structurelle et une mesure de vulnérabilité ajustée à la demande pour l'évaluation dynamique de la vulnérabilité nodale des réseaux de distribution d'eau (WDN) dans le cadre d'une simulation sur une période prolongée. Dans ce cadre, nous présentons l'idée novatrice de caractériser la dynamique des WDN avec des réseaux à plusieurs tranches, qui capture l'état du réseau dans une fenêtre temporelle prédéfinie en tenant compte du flux directionnel dans les tuyaux et de l'état opérationnel des pompes, des vannes, etc. En utilisant un WDN de référence, Net 3, comme étude de cas, nous avons démontré l'importance des variations de la demande et de l'état opérationnel de divers composants, aussi minuscule soit leur temps opérationnel, sur l'évaluation de la vulnérabilité nodale dans les WDN. Les résultats ont indiqué que le cadre évalue la criticité de tous les types de nœuds, même des nœuds intermédiaires avec une demande de base nulle, dans n'importe quelle fenêtre temporelle de manière beaucoup plus réaliste que les méthodes d'analyse de vulnérabilité conventionnelles basées sur des réseaux uniques (statiques). La réductibilité structurelle a mis au jour des corrélations entre l'état opérationnel des nœuds sources et des pompes sur la dynamique générale du système de distribution. Le cadre multicouche ouvre une nouvelle frontière dans l'analyse de vulnérabilité des WDN et pourrait servir d'outil aux parties prenantes pour accéder à la criticité des nœuds, à l'impact de divers scénarios de défaillance et à la planification optimale des routines de maintenance.

Translated Description (Spanish)

Las demandas nodales varían a lo largo del día, por lo que cualquier análisis de vulnerabilidad basado en redes estáticas, que considere las demandas medias diarias, no puede representar de manera realista la criticidad de los nodos en la red. Este estudio presenta un marco sistemático, que combina redes multicapa, reductibilidad estructural y una Medida de Vulnerabilidad Ajustada a la Demanda para la evaluación dinámica de la vulnerabilidad nodal de las redes de distribución de agua (WDN) bajo simulación de período extendido. En este marco, presentamos la novedosa idea de caracterizar la dinámica de las WDN con redes multislice, que captura el estado de la red dentro de una ventana temporal predefinida teniendo en cuenta el flujo direccional en tuberías y el estado operativo de bombas, válvulas, etc. Utilizando una WDN de referencia, Net 3, como estudio de caso, hemos demostrado la importancia de las variaciones de la demanda y el estado operativo de varios componentes, sin importar cuán minúsculo sea su tiempo operativo, en la evaluación de la vulnerabilidad nodal en las WDN. Los resultados indicaron que el marco evalúa la criticidad de todo tipo de nodos, incluso los nodos intermedios con demanda base cero, dentro de cualquier ventana temporal de manera mucho más realista que los métodos convencionales de análisis de vulnerabilidad basados en redes únicas (estáticas). La reductibilidad estructural desenterró correlaciones entre el estado operativo de los nodos fuente y las bombas en la dinámica general del sistema de distribución. El marco multicapa abre una nueva frontera en el análisis de vulnerabilidad de las WDN y podría servir como una herramienta para que las partes interesadas accedan a la criticidad de los nodos, el impacto de varios escenarios de falla y la programación óptima de las rutinas de mantenimiento.

Additional details

Additional titles

Translated title (Arabic)
إطار منهجي لتقييم الضعف العقدي الديناميكي لشبكات توزيع المياه على أساس شبكات متعددة الطبقات
Translated title (French)
Un cadre systématique pour l'évaluation dynamique de la vulnérabilité nodale des réseaux de distribution d'eau basé sur des réseaux multicouches
Translated title (Spanish)
Un marco sistemático para la evaluación dinámica de la vulnerabilidad nodal de las redes de distribución de agua basadas en redes multicapa

Identifiers

Other
https://openalex.org/W3215871915
DOI
10.1016/j.ress.2021.108217

Is supplement to
https://openalex.org/W4379468923 (Other)
https://openalex.org/W4313401241 (Other)
https://openalex.org/W2887613625 (Other)
https://openalex.org/W2377583124 (Other)
https://openalex.org/W2364013796 (Other)
https://openalex.org/W2349108173 (Other)
https://openalex.org/W2062616916 (Other)
https://openalex.org/W1914681266 (Other)
https://openalex.org/W1575175883 (Other)
https://openalex.org/W1485627940 (Other)

GreSIS Basics Section

Is Global South Knowledge
Yes
Country
Ghana

References

  • https://openalex.org/W1606375300
  • https://openalex.org/W1807089695
  • https://openalex.org/W1822432638
  • https://openalex.org/W1940227326
  • https://openalex.org/W1975184330
  • https://openalex.org/W1984688056
  • https://openalex.org/W1992166786
  • https://openalex.org/W1998448012
  • https://openalex.org/W2004210302
  • https://openalex.org/W2016381774
  • https://openalex.org/W2039331748
  • https://openalex.org/W2050100023
  • https://openalex.org/W2070722739
  • https://openalex.org/W2073348267
  • https://openalex.org/W2086243891
  • https://openalex.org/W2123583562
  • https://openalex.org/W2130932207
  • https://openalex.org/W2165956193
  • https://openalex.org/W2197583351
  • https://openalex.org/W2474315442
  • https://openalex.org/W2492277691
  • https://openalex.org/W2596019669
  • https://openalex.org/W2609618454
  • https://openalex.org/W2614098488
  • https://openalex.org/W2618385120
  • https://openalex.org/W2619257542
  • https://openalex.org/W2751401576
  • https://openalex.org/W2796660457
  • https://openalex.org/W2810476748
  • https://openalex.org/W2885630443
  • https://openalex.org/W2887988827
  • https://openalex.org/W2909651940
  • https://openalex.org/W2910099931
  • https://openalex.org/W2914124298
  • https://openalex.org/W2945776522
  • https://openalex.org/W2946055047
  • https://openalex.org/W2946975288
  • https://openalex.org/W2963842906
  • https://openalex.org/W2965490984
  • https://openalex.org/W2965889227
  • https://openalex.org/W3003515827
  • https://openalex.org/W3010944485
  • https://openalex.org/W3037826211
  • https://openalex.org/W3043553918
  • https://openalex.org/W3103289597
  • https://openalex.org/W3131501191