Published May 1, 2024
| Version v1
Publication
Node search space reduction for optimal placement of pressure sensors in water distribution networks for leakage detection
- 1. Norwegian University of Science and Technology
- 2. Kwame Nkrumah University of Science and Technology
Description
This study presents a methodological framework for optimal placement of pressure sensors in Water Distribution Networks (WDNs) for leakage monitoring under uncertainty. Monte Carlo simulation is utilized to simulate leakages of different magnitudes at various nodes in the WDN taking into consideration background noise and minimum resolution of pressure sensors. A novel sensor preselection algorithm based on community detection and maximum entropy computation to reduce the search space of the pressure Sensor Placement Problem (SPP) is presented. The pressure SPP is formulated as a multi-objective optimization problem that seeks to maximize Joint Entropy, Coverage, and minimize Total Correlation. NSGA-II is used to solve the SPP and the solutions in the optimal Pareto front are ranked using a hybrid Entropy TOPSIS to eliminate potential bias and subjective human judgement in optimal sensor configuration implementation. The sensor preselection algorithm achieved a 67% reduction in the search space (possible sensor positions) of the case study, C-TOWN WDN, with only 2.78% reduction in coverage. The result of the pressure SPP indicates only 21 pressure sensors are needed to cover 95.45% of the WDN under study. Finally, the overall performance of the proposed methodological framework is presented and compared with other related works.
Translated Descriptions
⚠️
This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%
Translated Description (Arabic)
تقدم هذه الدراسة إطارًا منهجيًا للتنسيب الأمثل لأجهزة استشعار الضغط في شبكات توزيع المياه (WDNs) لمراقبة التسرب في ظل عدم اليقين. تُستخدم محاكاة مونت كارلو لمحاكاة التسربات ذات الأحجام المختلفة في العقد المختلفة في WDN مع مراعاة ضوضاء الخلفية والحد الأدنى من دقة مستشعرات الضغط. يتم تقديم خوارزمية جديدة للاختيار المسبق للمستشعر بناءً على اكتشاف المجتمع وحساب الإنتروبيا الأقصى لتقليل مساحة البحث لمشكلة وضع مستشعر الضغط (SPP). تتم صياغة ضغط المشتريات العامة المستدامة كمشكلة تحسين متعددة الأهداف تسعى إلى تعظيم الانتروبيا المشتركة والتغطية وتقليل الارتباط الكلي. يتم استخدام NSGA - II لحل المشتريات العامة المستدامة ويتم تصنيف الحلول في جبهة باريتو المثلى باستخدام هجين الإنتروبيا TOPSIS للقضاء على التحيز المحتمل والحكم البشري الذاتي في التنفيذ الأمثل لتكوين المستشعر. حققت خوارزمية الاختيار المسبق للمستشعر انخفاضًا بنسبة 67 ٪ في مساحة البحث (مواضع المستشعر المحتملة) لدراسة الحالة، C - TOWN WDN، مع انخفاض بنسبة 2.78 ٪ فقط في التغطية. تشير نتيجة الضغط SPP إلى أن هناك حاجة إلى 21 مستشعر ضغط فقط لتغطية 95.45 ٪ من WDN قيد الدراسة. أخيرًا، يتم عرض الأداء العام للإطار المنهجي المقترح ومقارنته بالأعمال الأخرى ذات الصلة.Translated Description (French)
Cette étude présente un cadre méthodologique pour le placement optimal des capteurs de pression dans les réseaux de distribution d'eau (WDN) pour la surveillance des fuites dans l'incertitude. La simulation Monte Carlo est utilisée pour simuler des fuites de différentes amplitudes à divers nœuds du WDN en tenant compte du bruit de fond et de la résolution minimale des capteurs de pression. Un nouvel algorithme de présélection de capteur basé sur la détection de la communauté et le calcul de l'entropie maximale pour réduire l'espace de recherche du problème de placement du capteur de pression (SPP) est présenté. Le SPP de pression est formulé comme un problème d'optimisation multi-objectif qui cherche à maximiser l'entropie articulaire, la couverture et à minimiser la corrélation totale. NSGA-II est utilisé pour résoudre le SPP et les solutions dans le front de Pareto optimal sont classées à l'aide d'un TOPSIS Entropie hybride pour éliminer les biais potentiels et le jugement humain subjectif dans la mise en œuvre de la configuration optimale du capteur. L'algorithme de présélection des capteurs a permis de réduire de 67 % l'espace de recherche (positions possibles des capteurs) de l'étude de cas, C-TOWN WDN, avec seulement 2,78 % de réduction de la couverture. Le résultat du SPP de pression indique que seuls 21 capteurs de pression sont nécessaires pour couvrir 95,45 % du WDN à l'étude. Enfin, la performance globale du cadre méthodologique proposé est présentée et comparée à d'autres travaux connexes.Translated Description (Spanish)
Este estudio presenta un marco metodológico para la colocación óptima de sensores de presión en redes de distribución de agua (WDN) para el monitoreo de fugas bajo incertidumbre. La simulación de Monte Carlo se utiliza para simular fugas de diferentes magnitudes en varios nodos de la WDN teniendo en cuenta el ruido de fondo y la resolución mínima de los sensores de presión. Se presenta un nuevo algoritmo de preselección de sensores basado en la detección de la comunidad y el cálculo de la entropía máxima para reducir el espacio de búsqueda del problema de colocación del sensor de presión (SPP). La presión SPP se formula como un problema de optimización multiobjetivo que busca maximizar la Entropía Conjunta, la Cobertura y minimizar la Correlación Total. NSGA-II se utiliza para resolver el SPP y las soluciones en el frente óptimo de Pareto se clasifican utilizando una TOPSIS de entropía híbrida para eliminar el sesgo potencial y el juicio humano subjetivo en la implementación óptima de la configuración del sensor. El algoritmo de preselección del sensor logró una reducción del 67% en el espacio de búsqueda (posibles posiciones del sensor) del estudio de caso, C-TOWN WDN, con solo una reducción del 2.78% en la cobertura. El resultado del SPP de presión indica que solo se necesitan 21 sensores de presión para cubrir el 95.45% del WDN en estudio. Finalmente, se presenta el desempeño general del marco metodológico propuesto y se compara con otros trabajos relacionados.Additional details
Additional titles
- Translated title (Arabic)
- تقليل مساحة البحث عن العقدة من أجل الوضع الأمثل لأجهزة استشعار الضغط في شبكات توزيع المياه للكشف عن التسرب
- Translated title (French)
- Réduction de l'espace de recherche de nœuds pour un placement optimal des capteurs de pression dans les réseaux de distribution d'eau pour la détection des fuites
- Translated title (Spanish)
- Reducción del espacio de búsqueda de nodos para una colocación óptima de los sensores de presión en las redes de distribución de agua para la detección de fugas
Identifiers
- Other
- https://openalex.org/W4393295119
- DOI
- 10.1016/j.aej.2024.03.037
References
- https://openalex.org/W1537153355
- https://openalex.org/W1893165478
- https://openalex.org/W1984743595
- https://openalex.org/W1990584714
- https://openalex.org/W1992317004
- https://openalex.org/W1995875735
- https://openalex.org/W2004648572
- https://openalex.org/W2009319005
- https://openalex.org/W2020646587
- https://openalex.org/W2025217110
- https://openalex.org/W2027295145
- https://openalex.org/W2038651258
- https://openalex.org/W2048523204
- https://openalex.org/W2053980033
- https://openalex.org/W2076556084
- https://openalex.org/W2079059250
- https://openalex.org/W2089458547
- https://openalex.org/W2095293504
- https://openalex.org/W2110959933
- https://openalex.org/W2119437062
- https://openalex.org/W2139708568
- https://openalex.org/W2163133870
- https://openalex.org/W2170803373
- https://openalex.org/W2242375320
- https://openalex.org/W2249566516
- https://openalex.org/W2307670309
- https://openalex.org/W2325275649
- https://openalex.org/W2506768821
- https://openalex.org/W2590538391
- https://openalex.org/W2598496465
- https://openalex.org/W2600095285
- https://openalex.org/W2612266903
- https://openalex.org/W2781802529
- https://openalex.org/W2810513834
- https://openalex.org/W2859982247
- https://openalex.org/W2887010037
- https://openalex.org/W2906501587
- https://openalex.org/W2941383877
- https://openalex.org/W2954908561
- https://openalex.org/W2979723632
- https://openalex.org/W2997175702
- https://openalex.org/W3005977786
- https://openalex.org/W3023546678
- https://openalex.org/W3045457574
- https://openalex.org/W3084869766