Benchmarking for the improvement of water distribution network security by means of an online monitoring system

Water is an essential element for human beings and life and the need to guarantee safety in drinking Water Distribution Systems (WDS) led to the growing of problems concerning security. WDS are vulnerable to both unintentional and intentional events, as a matter of fact they could become significant targets of possible terroristic attacks. An online sensor monitoring system is widely considered as the primary means of detecting a potential contamination event in a distribution system. However, since sensors are costly, their number must be limited and optimization of sensors placement became a high-interest problem. In last years, many optimization algorithms have been suggested with the aim of finding the optimal position of sensors in designing an online monitoring system. The state of art of this problem is represented by a benchmark study case, the Battle of Water Sensors Network (BWSN), which compares the efficiency of different algorithms and methodologies applied to a benchmark network. This thesis aims to suggest a new algorithm for the sensors placement problems which consists in the computation of the Index of Contamination Control Potential (ICCP). ICCP evaluates the efficiency of the position of a sensor in the distribution network considering both the network area controlled by the sensor and the number of users that are safe as a result of a rapid contamination detection. The final purpose is to apply the suggested algorithm to the case study provided by the BWSN and verify its goodness by means of a comparison between obtained results and state of art results.

L’acqua è un elemento essenziale per la vita e la necessità di garantirne il sicuro utilizzo da parte dell’utenza ha contributo alla crescita, negli ultimi anni, di problemi ingegneristici legati alla vulnerabilità dei sistemi di distribuzione dell’acqua, che possono essere soggetti a eventi di contaminazione involontaria o diventare target di attacchi terroristici. Il monitoraggio online per mezzo di sensori è sicuramente il sistema più utilizzato per garantire la sicurezza delle reti di distribuzione. Tuttavia, il costo dei sensori è un parametro non indifferente e la necessità di coniugare l’efficienza del sistema di monitoraggio con il contenimento dei costi ha portato allo sviluppo di un problema di notevole interesse: l’ottimizzazione del posizionamento dei sensori nella rete di distribuzione. Negli anni, diversi algoritmi sono stati proposti allo scopo di individuare la posizione ottimale dei sensori nella progettazione di una rete di monitoraggio. Lo stato dell’arte del problema di ottimizzazione è rappresentato da un caso studio di riferimento, la Battle of Water Sensors Network (BWSN), che riassume le soluzioni ottenute dall’applicazione di diversi algoritmi su una benchmark network. Questa tesi vuole suggerire un nuovo algoritmo per il posizionamento dei sensori che consiste nel calcolo dell’ Index of Contamination Control Potential (ICCP). L’ICCP valuta l’efficienza della posizione del sensore all’interno della rete tenendo in considerazione sia l’ampiezza dell’area della rete su cui il sensore esercita il suo controllo, che e il numero di utenze protette nel caso in cui la contaminazione venga tempestivamente individuata. Lo scopo finale è quello di applicare l’algoritmo al caso di studio proposto dalla BWSN e valutarne la bontà per mezzo di un’analisi comparativa tra i risultati ottenuti e quelli presenti nello stato dell’arte.