Détection et localisation de fuites dans les réseaux de distribution d'eau basées sur des approches par modèles et guidées par les données

Leak Supervision in Water Distribution Networks based on model-based and data-driven approaches

• Auteur / Autrice : Débora Cristina Costa da Silva Alves
• Direction : Eric Duviella, Joaquim Blesa Izquierdo
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Informatique, automatique
• Date : Soutenance le 18/11/2022
• Etablissement(s) : Ecole nationale supérieure Mines-Télécom Lille Douai en cotutelle avec Universitat politècnica de Catalunya - BarcelonaTech
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Mathématiques, sciences du numérique et de leurs interactions (Lille)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre for Digital Systems / CERI SN - IMT Nord Europe
• Jury : Président / Présidente : Isam Shahrour
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Pascale Chiron, Flor Lizeth Torres Ortiz, Lala Herimanjaka Rajaoarisoa
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Zoran Kapelan, Olivier Piller

Mots clés

Mots clés libres

Réseau de distribution d'eau

Détection de fuites

Validation du positionnement des capteurs

Localisation des fuites

Positionnement des capteurs

Cas d'étude réels

Water distribution networks

Leak localization

Sensor placement

Leak detection

Real applications

Sensor validation

Résumé

Les réseaux de distribution d’eau sont des systèmes complexes dont la gestion et la surveillance revêtent une extrême importance. La détection et la localisation des fuites sont devenues cruciales pour ce type de réseau, car la présence de fissures ou de fuites peut entraîner des pertes économiques, des problèmes environnementaux, et un risque potentiel de contamination de l’eau qui pourrait nuire à la santé publique. Malgré tous les risques encourus, les infrastructures de distribution d’eau potable sont encore aujourd’hui grandement impactées par les fuites.Dans une ville de taille moyenne les infrastructures […] d’économiser des ressources financières.Dans ce contexte, cette thèse vise à développer une méthodologie pour la détection, l’estimation et la localisation de fuites dans les réseau de distribution d’eau potable. Elle présente également une approche permettant de bien positionner les capteurs, en validant leur position, afin de rendre la méthodologie plus robuste. Enfin, l’ensemble des techniques sont présentées et testées dans différents réseaux de distribution d’eau sur la base d’études de cas simulées et réelles.Les méthodes développées dans cette thèse peuvent être divisées en deux catégories : les méthodes basées sur des modèles et les méthodes basées sur des données. Les méthodes basées sur des modèles utilisent des modèles hydrauliques des réseaux de distribution qui doivent être bien calibrés pour obtenir des résultats fiables. Ce type de méthodes permet d’obtenir des résultats plus précis que les méthodes basées sur des données. Cependant, tous les réseaux de distribution d’eau ne disposent pas de modèles hydrauliques, ou ceux-ci ne sont pas réactualisés assez souvent pour tenir compte de l’expansion des villes et des modifications que peuvent subir les réseaux. Par conséquent, lorsque les modèles hydrauliques ne sont pas disponibles, les approches basés sur les données offrent une très bonne alternative puisqu’elles n’utilisent uniquement que les mesures issues des capteurs et les informations topologiques des réseaux.Deux méthodes de détection de fuites entièrement guidées par les données sont présentées dans cette thèse. La première méthode utilise uniquement les informations des capteurs de débit installés, détectant et estimant l’ampleur d’une fuite unique. La seconde est une technique complémentaire qui se concentre sur la détection de fuites multiples, c’est-à-dire lorsque plusieurs fuites se produisent simultanément dans le réseau de distribution d’eau. Cette dernière méthode utilise les capteurs de pression déjà installés et consiste à les regrouper par zone (i.e par classe), puis à étudier l’impact des fuites dans toutes ces zones.Les stratégies de localisation des fuites sont basées sur l’étude de la pression résiduelle générée par la comparaison entre les estimations de pression et les mesures de pression des fuites. Les méthodologies développées peuvent être divisées en deux parties […]. Dans cette thèse, trois approches basées sur les données sont proposées […].Par ailleurs, le positionnement des capteurs dans les réseaux de distribution d’eau est fondamental car il peut grandement affecter les performances de localisation des fuites. Dans cette thèse, une méthode de positionnement des capteurs de pression, idéale pour les techniques de localisation de fuites qui analysent les résidus de pression, est proposée. Afin de robustifier cette méthode, une approche de validation du positionnement des capteurs est développée, en analysant le processus de détection des fuites en fonction de la position des capteurs. Si le positionnement d’un capteur n’entraîne pas d’amélioration lors de la détection des fuites, les données issues de ce capteur peuvent être retirées afin que les autres techniques de détection de fuites n’en soient pas affectées.

Water distribtion networks are complex systems that are difficult to manage and monitor with extreme importance nowadays. The detection and locatio of leaks have become crucial for water distribution because when there are bursts or leaks, this can generate economic losses and an environmental issue and represents a potential risk to public health with contaminated water. However, with all these risks, currently, this infrastructure does not perform satisfactorily in pratice.The infrastructure in a medium-sized city can have pipes that span hundreds of kilometers connected to hundreds of nodes (pipe junctions or customers that relate to the network). Therefore, several factors can generate water loss during transport between the treatment plants and the reservoir for consumers, usually attribued to several causes, including leaks, measurement errors, and left. Adequate leak supervision is vital for all of the factors mentioned above to save financial resources and water.In this context, this dissertation intends to provide a methodology for leak supervision in the water distribution network (WDN), focusing on detecting, estimating, and locating leaks in the systems. Additionally, sensor placement and validation approaches are presented to bring more robustness to the methods presented earlier. Finally, the entire methodology is introduced and test in different water distribution networks based on simulated and real case study.The methods developed in this manuscript can be divided into model-based and data-driven. Model-based methods use hydraulic models that must be weel-calibrated to obtain reliable results. This type of method can get more accurate results in comparison with the data-driven ; however, not all WDNs have hydraulic models, or they are not updated to the current network since, over the years, the city tends to expand. Because of that, the hydraulic model muste be constantly updated to be more faithful. Therefore, data-driven methods that use only sensor measurements and system topological information can be applied when hydraulic models are inaccurate or unavailable.The leak detection methods presented in this thesis are fully data-driven that only require historical data from the sensors installed in the WDN. The first method uses only information from the flow sensors installed in the inlet of the network, detecting and estimating the leak’s magnitude. The second is a complementary technique to focus on the multi-leaks problem, i.e., when more than one leak co-occurs in the WDN. This method uses inlet flow and pressure sensors installed around the WDN to group them by clustreing and studying the leak’s impact in all of the zone. On the other hand, the leak localization strategies developed in this thesis are divided into model-based and data-driven. All the leak localization techniques are based on the residual pressure study generated using the comparison between leak-free pressure estimations and leak pressure measurements. The first method is a model-based methodology that focuses on the problem of multi-leaks in the WDN ideal when it is available a well-calibrated hydraulic model on the WDN. Following, three data-driven approaches are presented[…].To complement the leak supervison, this thesis developed a method for sensor placement ideal for the leak localization techniques based on the residual pressure analysis. In addition, a sensor validation method was designed to make the leak detection and localization more robust since the technique allows the analysis to know if pressure sensors are working correctly. If not, the measurement data from this sensor can be removed for the other leak supervision techniques not be affected by wrong measurements.