21731

21731

پايش بهينه شبكه توزيع آب مبتني بر مدل پوياي شبيه سازي كيفي

كارشناسي ارشد

مهندسي و مديريت منابع آب

1395

1398/08/22

دكتر مطهره سعادت پور

عمران

تشخيص آلودگي¬هاي عمدي يا تصادفي در سيستم¬هاي توزيع آب براي حفاظت از سلامت مصرف كنندگان ضروري است. پيشرفت¬هايي كه اخيراً در فن¬آوري حسگرهاي بي¬سيم و سيمي رخ¬داده¬اند، امكان استفاده از شبكه¬هاي حسگر را ميسر و اندازه گيري پارامترهاي كيفي آب، جمع آوري و انتقال مداوم داده¬ها در لحظه (آنلاين) را تسهيل نموده است. بر اساس مطالعات انجام شده، پارامترهاي معمول كيفيت آب (به عنوان مثال كلر، pH، رسانايي الكتريكي، كل كربن آلي و موارد ديگر) در واكنش به آلاينده¬هاي ورودي، دچار تغييراتي مي¬گردند كه اين تغييرات پويـاي كيفي آب، مي¬تواند تشخيص رخداد آلودگي در شبكه توزيع آب را تسهيل نمايد. در اينكار تحقيقاتي، با هدف شبيه سازي واقع گرايانه¬تر پاسخ پارامترهاي معمول كيفي آب به يك رويـداد آلودگي در شبكه توزيع از مدل EPANET-MSX استفاده مي¬شود. هدف از مطالعه حاضر، جانمائي بهينه حسگرهاي ثابت يا متحرك و نيز تركيب آنها با هدف 1- كاهش زمان تشخيص آلودگي، 2- افزايش درست نمائي تشخيص و 3- كاهش مصرف آب آلوده مي باشد كه در قالب مسائل تك هدفه و دو هدفه (اهداف دو به دو) دنبال مي¬گردد. معيار آلودگي در گره¬ها تغييرات قابل توجه و افت پارامتر كيفي كلر در پاسخ به ورود آلاينده پتاسيم سيانيد به شبكه توزيع آب است. الگوريتم بهينه ساز ازدحام ذرات (PSO) در ارتباط با نتايج مدل EPANET-MSX به منظور تعيين جانمائي بهينه حسگرهاي ثابت و متحرك و زمان رهاسازي حسگر متحرك در شبكه استفاده مي گردد. با توجه به عدم قطعيتهاي موجود در سناريوهاي رخداد آلودگي در شبكه، 1000 سناريوي تصادفي مبتني بر تابع توزيع يكنواخت و متاثر از زمان شروع تزريق، شدت جرمي تزريق، مكان تزريق و تداوم تزريق آلودگي تعريف و در ارزيابي عملكرد حسگرها و جانمايي بهينه آنان مورد توجه قرار مي گيرد. بررسي تأثير تعداد حسگرهاي ثابت و متحرك بر درست نمائي تشخيص آلودگي، زمان مورد انتظار تشخيص آلودگي و مصرف آب آلوده بيانگر تاثير مثبت افزايش تعداد حسگرها بر اهداف مديريت شبكه بوده است. بر اساس نتايج حاصل، حسگرهاي متحرك قابليت حفاظت و تشخيص پائين تري از كيفيت منابع آب شبكه نسبت به حسگرهاي ثابت دارند و اين مهم به اين دليل تغييرپذيري مكاني و حضور محدود آنان در شبكه توزيع آب مي باشد. بررسي مسائل حل شده در تحقيق حاضر، بيانگر رابطه مستقيم درست نمائي و زمان تشخيص آلودگي، رابطه مستقيم درست نمائي تشخيص آلودگي و مصرف آب آلوده و رابطه عكس زمان تشخيص آلودگي و مصرف آب آلوده است. در بررسي نقش تركيبي حسگرهاي ثابت و متحرك، بكارگيري تعداد متعدد حسگرهاي متحرك به ازاي يك حسگر ثابت، بيانگر كاهش مصرف آب آلوده و نيز كاهش زمان تشخيص آلودگي بوده است. بر اساس نتايج حاصل در بررسي اثر پوشش شبكه، افزايش درصد پوشش گره¬هاي سينك، زمان مورد انتظار تشخيص آلودگي را مي¬كاهد. همچنين با افزايش پوشش شبكه از 80% به 100%، زمان تشخيص آلودگي ثابت باقي خواهد ماند. بررسي اثر عمر باتري بر زمان تشخيص آلودگي در شبكه يك حسگر ثابت-چند حسگر متحرك، بيان مي¬دارد كاهش عمر باتري به 8 ساعت و كمتر در موارد افزايش يك تا سه حسگر متحرك، اثرگذاري منفي در اهداف حفاظتي كيفيت منابع آب شبكه خواهد داشت. بر اساس نتايج مطالعات حاضر، تغييرات عمر باتري نسبت به پوشش شبكه عامل به مراتب اثرگذارتري در اهداف حفاظتي كيفيت شبكه توزيع آب است.

1398/11/28

Optimal Monitoring of Water Distribution Network based on Dynamic Water Quality Simulation Model

11/13/2019 12:00:00 AM

Detection of intentional or accidental pollutant injections in any water distribution networks (WDN) is essential to maintain public health. Recent technological advancements in wireless and wired sensor networks make it possible to use fix and/or mobile sensors, which are capable to continuously collect and transmit water quality measures at the fine temporal resolutions. The studies indicate, common water quality parameters (e.g. chlorine, pH, electrical conductivity, total organic carbon, etc.) respond to network contaminations. This dynamic water quality changes in WDN facilitate contaminant detections. In this regard, EPANET-MSX is used to simulate pollutant injections to water distribution network, realistically. In this research, the optimal layout of stationary or mobile sensors is aimed to 1- reducing contaminant detection time, 2- increasing contaminant detection likelihood, and 3- reducing contaminated water consumption considering as single-purpose and/or multi-purpose problems. Significant changes and reductions of Chlorine concentration in responses to Potassium Cyanide (KCN) injection have been defined as criteria in network contamination. Particle Swarm Optimization (PSO) algorithm has been coupled to EPANET-MSX to determine optimal sensor placement in WDN. Due to uncertainties in network contamination event scenarios, 1000 random scenarios have been generated based on uniform distribution function. The uncertainties in injection time, mass injection rate, injection location, and injection continuity have been considered in random scenario generations. Evaluation the number of stationary or mobile sensors on the accuracy of contaminant detection likelihood, expected time of contaminant detection, and contaminated water consumption indicate the direct relationship with WDN security objectives. The results show mobile sensors have lower capabilities in contaminant detection than the fixed ones, due to their spatial variability and limited presence in the WDN. The profound studies indicate direct relationship between contaminant detection likrlihood and contaminant detection time, direct relationship between contaminant detection likelihood and contaminated water consumptions, and inverse relationship between contaminant detection time and contaminated water consumptions. Furthermore, in the combined layout of stationary and mobile sensors, increasing the number of mobile sensors lead to decrease of contaminated water consumption and contaminant detection time. Increasing the coverage ratio of sink nodes in the WDN results in contaminant detection time reduction. However, coverage rate changing from 80 to 100 indicate constant contaminant detection time. Battery lifetime reduction in WDN with one to three mobile sensors have resulted in adverse effects on water quality security. Based on the results, the battery lifetime is far more effective than coverage ratio of sink nodes in protecting water quality security in WDN.