Event management and event response planning for smart water networks

Abstract

The water industry in the UK and worldwide has a pressing need to better manage interruptions to water supply caused by various failure events, such as pipe bursts, equipment failures or water treatment work shutdowns. One way of doing this is by making use of the increasingly available real-time sensor data collected in water distribution systems, as well as by using hydraulic models in real-time. Currently, real-time sensor data and real-time hydraulic modelling are not used much in a water utility’s control room, especially when it comes to identifying a suitable strategy to respond to failure events in near real-time.This PhD project aims to develop, test/validate and demonstrate a new response methodology to support decisions made by control room operators when dealing with various failure events in a water distribution system. An integral part of this work is to develop an interactive decision-support tool, which will guide/support operators in identifying an effective response solution in near real-time (i.e. usually required up to 1 hour after the event detection/localisation if unforeseen events in the field are not considered). The tool will be used in this thesis to test and validate the response methodology. The proposed response methodology considers: (i) structured yet flexible approach supporting and guiding the operator throughout the entire response process to water network failure events, whilst allowing the operator to have a final say; (ii) novel interaction with the operator in near real-time via the proposed tool (e.g. allowing operators to propose different ‘what-if’ scenarios without being hydraulic experts); (iii) provision of automatically generated advices (e.g. near optimal response solutions via a novel heuristic algorithm and assessed end-impacts); and (iv) improved impact assessment. An integral part of the response methodology is the development of a novel method to identify near optimal response to failures in water distribution networks. The response problem is formulated as a two-objective optimisation problem with objectives being the minimisation of failure impacts and related operational costs. The heuristic-based method is developed and used to solve this problem. For the first objective (i.e. impact assessment), a new impact assessment method is developed, using realistic impact indicators that cover different aspects of the event - which are consistently calculated for every proposed response solution (to facilitate easy comparison between different response solutions). The response methodology was tested, validated and demonstrated on a semi-real case study. The implementation of the response methodology via the tool enabled operators to identify a response solution better (i.e. with lower end-impact and cost) than the solution based on the current response practice of utilities. The results obtained from this case study, demonstrate that the response methodology works well and that it has a potential to improve water utilities’ current practice. The heuristic optimisation method that is integral part of the response methodology was validated and demonstrated on two semi-real case studies. Based on the results obtained it can be concluded that the heuristic-based method works well (i.e. it is reliable and robust) and is able to identify near optimal response solutions in a computationally fast manner. This, in turn, enables this method to be used in near real-time in real-life situations.

Η βιομηχανία νερού στο Ηνωμένο Βασίλειο και παγκοσμίως έχει επιτακτική ανάγκη να διαχειριστεί καλύτερα τις διακοπές παροχής νερού που προκαλούνται από διάφορα συμβάντα αστοχίας, όπως διαρροές σωλήνων, βλάβες εξοπλισμού ή διακοπή εργασιών επεξεργασίας νερού. Ένας τρόπος για να γίνει αυτό είναι χρησιμοποιώντας τα όλο και πιο διαθέσιμα δεδομένα αισθητήρων σε πραγματικό χρόνο που συλλέγονται στα συστήματα διανομής νερού, καθώς και χρησιμοποιώντας υδραυλικά μοντέλα σεπραγματικό χρόνο. Επί του παρόντος, τα δεδομένα αισθητήρων σε πραγματικό χρόνο και η υδραυλική μοντελοποίηση σε πραγματικό χρόνο δεν χρησιμοποιούνται πολύ στο δωμάτιο ελέγχου μιας επιχείρησης ύδρευσης, ειδικά όταν πρόκειται για τον προσδιορισμό μιας κατάλληλης στρατηγικής για την απόκριση σε συμβάντα αστοχίας σε σχεδόν πραγματικό χρόνο.Αυτό το διδακτορικό έργο στοχεύει στην ανάπτυξη, δοκιμή/επικύρωση και επίδειξη μιας νέας μεθοδολογίας απόκρισης για την υποστήριξη αποφάσεων που λαμβάνονται από τους χειριστές των αιθουσών ελέγχου όταν αντιμετωπίζουν διάφορα συμβάντα αστοχίας σε ένα σύστημα διανομής νερού. Ένα αναπόσπαστο μέρος αυτής της εργασίας είναι η ανάπτυξη ενός διαδραστικού εργαλείου υποστήριξης αποφάσεων, το οποίο θα καθοδηγεί/υποστηρίζει τους χειριστές στον εντοπισμό μιας αποτελεσματικής λύσης απόκρισης σε σχεδόν πραγματικό χρόνο (δηλ. έως και 1 ώρα μετά τον εντοπισμό συμβάντος εάν απρόβλεπτα συμβάντα στο πεδίο δεν ληφθούν υπόψη). Το εργαλείο θα χρησιμοποιηθεί σε αυτή τη διατριβή για να ελέγξει και να επικυρώσει τη μεθοδολογία απόκρισης.Η προτεινόμενη μεθοδολογία απόκρισης περιλαμβάνει: (i) δομημένη αλλά ευέλικτη προσέγγιση που υποστηρίζει και καθοδηγεί τον χειριστή σε όλη τη διαδικασία απόκρισης σε συμβάντα αστοχίας του δικτύου ύδρευσης, ενώ επιτρέπει στον χειριστή να έχει τον τελευταίο λόγο, (ii) αλληλεπίδραση με τον χειριστή σε σχεδόν πραγματικό χρόνο μέσω του προτεινόμενου εργαλείου (π.χ. επιτρέποντας στους χειριστές να προτείνουν διαφορετικά σενάρια «τι θα γινόταν εάν» χωρίς να είναι ειδικοί σε υδραυλικά θέματα), (iii) παροχή συμβουλών που δημιουργούνται αυτόματα (π.χ. σχεδόν βέλτιστες λύσεις απόκρισης μέσω ενός νέου ευρετικού αλγορίθμου απόκρισης και εκτίμηση επίδρασης στους καταναλωτές), και (iv) βελτιωμένη εκτίμηση επίδρασης στους καταναλωτές. Ένα αναπόσπαστο κομμάτι της εργασίας αυτής είναι η ανάπτυξη μιας νέας μεθόδου για τον εντοπισμό σχεδόν βέλτιστης απόκρισης σε βλάβες στα δίκτυα διανομής νερού. Το πρόβλημα απόκρισης διατυπώνεται ως ένα πρόβλημα βελτιστοποίησης δύο αντικειμένων βελτιστοποίησης, δηλ. την ελαχιστοποίηση των επιπτώσεων αστοχίας και του σχετικού λειτουργικού κόστους.Μια νέα ευρετική μέθοδος αναπτύχθηκε και χρησιμοποιείται για την επίλυση αυτού του προβλήματος. Για τον πρώτο αντικείμενο βελτιστοποίησης (δηλαδή εκτίμηση επιπτώσεων), αναπτύσσεται μια νέα μέθοδος εκτίμησης επιπτώσεων, χρησιμοποιώντας ρεαλιστικούς δείκτες επιπτώσεων που καλύπτουν διαφορετικές πτυχές του συμβάντος.Η μεθοδολογία απόκρισης δοκιμάστηκε, επικυρώθηκε και αποδείχθηκε σε μια ημι-πραγματική μελέτη περίπτωσης. Η εφαρμογή της μεθοδολογίας απόκρισης μέσω του εργαλείου επέτρεψε στους χειριστές να εντοπίσουν μια λύση απόκρισης καλύτερα (δηλαδή με χαμηλότερο τελικό αντίκτυπο και κόστος) από τη λύση που βασίζεται στην τρέχουσα πρακτική απόκρισης των υπηρεσιών ύδρευσης. Τα αποτελέσματα που προέκυψαν από αυτή τη μελέτη, καταδεικνύουν ότι η ανταπόκριση λειτουργεί καλά και ότι έχει τη δυνατότητα να βελτιώσει την τρέχουσα πρακτική των επιχειρήσεων ύδρευσης. Η ευρετική μέθοδος βελτιστοποίησης που αποτελεί αναπόσπαστο μέρος της μεθοδολογίας απόκρισης επικυρώθηκε και αποδείχθηκε σε δύο ημι-πραγματικές μελέτες περίπτωσης. Με βάση τα αποτελέσματα που προέκυψαν μπορεί να συναχθεί το συμπέρασμα ότι η μέθοδος που βασίζεται στην ευρετική λειτουργεί καλά (δηλαδή είναι αξιόπιστη και ισχυρή) και είναι σε θέση να προσδιορίζει σχεδόν βέλτιστες λύσεις απόκρισης με υπολογιστικά γρήγορο τρόπο. Αυτό, με τη σειρά του, επιτρέπει σε αυτή τη μέθοδο να χρησιμοποιηθεί σχεδόν σε πραγματικό χρόνο σε πραγματικές καταστάσεις.