بهینه سازی موقعیت حسگرهای کیفی در شبکه های توزیع آب به منظور شناسایی ورود همزمان آلودگی از چند گره

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 گروه عمران، دانشکده مهندسی، دانشگاه بیرجند

2 گروه عمران، دانشکده مهندسی، دانشگاه بیرجند، بیرجند، استان خراسان جنوبی

3 گروه عمران، دانشگاه بیرجند

10.22125/iwe.2020.114971

چکیده

شبکه­های آبرسانی از زیرساخت­های حیاتی هستند که باید از حملات عمدی و تصادفی محافظت شوند. کیفیت آب در تصفیه­خانه­ها مورد بررسی قرار میگیرد، با این حال، میتواند به طور قابل توجهی در هنگام انتقال از تصفیه­خانه تا وقتی که به دست مصرف کنندگان می­رسد، دست­خوش تغییرات شود. مکان ورود آلاینده به شبکه غیرقابل پیش­بینی است. همچنین آلودگی می­تواند همزمان از چند مکان به شبکه وارد شود. وجود آلودگی در شبکه را می­توان توسط حسگرهای نظارت بر کیفیت آب و سیستم هشداردهنده آلودگی نصب شده در شبکه، تشخیص داد. عملکرد یک سیستم هشداردهنده آلودگی به تعداد حسگرهای نصب شده در شبکه و موقعیت آنها بستگی دارد. در این تحقیق با فرض ورود آلودگی بصورت عمدی در یک یا دو گره، تعداد حسگرهای نصب شده در شبکه بین یک تا چهار حسگر متغیر در نظر گرفته شد. همچنین چهار تابع هدف برای انتخاب موقعیت و تعداد بهینه حسگر مورد بررسی قرار گرفت. شبکه در بازه زمانی طولانی مدت تحلیل شد و از طریق برقراری ارتباط پویا بین EPANET و Matlab در هر حالت نصب حسگر، حجم آب آلوده مصرف شده و وسعت منطقه آلوده شده بررسی شد و مقادیر توابع هدف محاسبه و مقایسه شد و بهترین حالت­ها برگزیده شد. روش مورد استفاده توانست برای توابع هدف مختلف، بهترین موقعیت برای نصب حسگر ها را شناسایی کند.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Optimization of water quality sensors placement in water distribution networks to detect contamination entrance from several nodes, simultaneously

نویسندگان [English]

  • shokoofe shafiei 1
  • ali nasirian 2
  • hossein nasirpour 3
1 civil engineering, engineer facility, university of Birjand
2 civil engineering department, engineering facility, university of Birjand, Birjand
3 civil engineer, university of birjand
چکیده [English]

Water distribution networks are critical infrastructure that should be protected against deliberate and accidental attacks. The quality of water is investigated in the treatment plant; however, it can be significantly changed during transmission from the treatment plant to consumers. The contamination entry place is unpredictable and contamination can be entered from several locations simultaneously. Water quality sensors and the pollution warning system can detect the contamination. The alarm system function is depends on the number of sensors installed on the network and their location. In this research, contamination is entered in one or two nodes and the number of sensors installed in the network is one to four. In addition, four objective functions were considered to optimize the locations and the number of sensors. The network was analyzed dynamically. For each sensor placement, the consumed contamination water and the contaminated area are evaluated.  The method was able to identify the best location for the different objective function.

کلیدواژه‌ها [English]

  • water distribution networks
  • deliberate entry of contamination
  • number of entry points of contamination
  • pollution detection sensor
Afshar, A and M.A. Mariño. 2012. Multi-objective coverage-based ACO model for quality monitoring in large water networks. Water resources management, 26(8):2159-2176.
Banik, B. K., L. Alfonso., C. Di Cristo and A. Leopardi. 2017. Greedy algorithms for sensor location in sewer systems. Water, 9(11): 856.
Berry, J.W., L. Fleischer., W. E. Hart., C. A. Phillips and J. P. Watson. 2005. Sensor placement in municipal water networks. Water Resources Planning and Management, 131(3): 237-243.
Chang, N. B., N. P. Pongsanone., and A. Ernest. 2012. A rule-based decision support system for sensor deployment in small drinking water networks. Cleaner Production, 29: 28-37.‏
Di Nardo, A., M. Di Natale, M. Guida and D. Musmarra. 2013. Water network protection from intentional contamination by sectorization. Water resources management, 27(6): 1837-1850.
He, G., T. Zhang., F. Zheng and Q. Zhang 2018. An Efficient Multi-Objective Optimization Method for Water Quality Sensor Placement within water distribution systems considering contamination probability variations. Water Research.
Housh, M and  Z. Ohar 2017. Integrating physically based simulators with event detection systems: Multi-site detection approach. Water research, 110: 180-191.‏
Khorshidi, M. S., M. R. Nikoo and M. Sadegh. 2018. Optimal and objective placement of sensors in water distribution systems using information theory. Water research, 143: 218-228.‏
Klise, K. A., , C. A. Phillips and R. J. Janke. 2013. Two-tiered sensor placement for large water distribution network models. Infrastructure Systems, 19(4): 465-473.‏
Lee, B. H., and R. A. Deininger. 1992. Optimal locations of monitoring stations in water distribution system. Environmental Engineering, 118(1): 4-16.
Mac Kenzie, W. R., N. J. Hoxie., M. E, Proctor., M. S. Gradus., K. A. Blair., D. E. Peterson., N. B. Chang.,  N. P. Pongsanone  and A. Ernest. 2012. A rule-based decision support system for sensor deployment in small drinking water networks. Cleaner Production, 29: 28-37.
Mukherjee, R., U. M. Diwekar., and A. Vaseashta 2017. Optimal sensor placement with mitigation strategy for water network systems under uncertainty. Computers & Chemical Engineering, 103: 91-102.‏
Ostfeld, A., A. Kessler and I. Goldberg. 2004. A contaminant detection system for early warning in water distribution networks. Engineering Optimization. 36(5): 525-538.
Palleti, V. R., S. Narasimhan., R. Rengaswamy., R Teja and S. M. Bhallamudi. 2016. Sensor network design for contaminant detection and identification in water distribution networks. Computers & Chemical Engineering, 87: 246-256.‏
Rathi, S and R.Gupta. 2014. Monitoring stations in water distribution systems to detect contamination events. ISH Journal of Hydraulic Engineering, 20(2): 142-150.‏
Rathi, S and R. Gupta. 2016. A simple sensor placement approach for regular monitoring and contamination detection in water distribution networks. KSCE Civil Engineering, 20(2): 597-608.‏
Rossman, L. A. (2000). EPANET 2: users manual.‏
Sankary, N and A. Ostfeld. 2017. Scaled multiobjective optimization of an intensive early warning system for water distribution system security. Hydraulic Engineering, 143(9): 04017025.‏
Yan, X., W. Gong., and Q. Wu 2017. Contaminant source identification of water distribution networks using cultural algorithm. Concurrency and Computation: Practice and Experience, 29(24): e4230.‏