A new method for water distribution network monitoring and pressure sensor placement

The effective monitoring of Water Distribution Networks (WDNs) is a critical step for operational efficiency, environmental sustainability, and leak detection. The behaviour of the WDN is governed by a complex interaction of several hydraulic and topological parameters. For the purpose of anomaly monitoring, the "control variables" are primarily the measurable hydraulic parameters (specifically, nodal pressures and demands), from which deviations from normal operating conditions can be detected. The nodal pressure (or hydraulic head) is normally obtained through a direct measurement, done by a pressure sensor, and it is a critical output of the hydraulic model. Pressures are highly sensitive to changes in demands, leaks and pipe bursts; therefore, anomalous pressure variations across the network can help to highlight the location of possible anomalies. Moreover, despite not directly measured, the demands can be reconstructed at each node and can serve as a crucial control variable; in fact, a significant deviation of the reconstructed demands from historical or predicted patterns often indicates anomalies, such as leaks, which appear as an anomalous increment in demand. This thesis investigates the challenge of using pressure as the primary control variable to reconstruct the nodal demands, for the goal of anomaly detection. To address this, a novel solution to the inverse problem in WDNs is introduced, effectively combining both a local and a global optimization method. A further objective of this work is to determine a lower limit for the number of deployable pressure sensors and their optimal positioning within the WDN, ensuring an effective WDN monitoring.

Un efficace monitoraggio delle reti di distribuzione idrica è un passo fondamentale per garantire l’efficienza operativa e la sostenibilità ambientale e permettere la rilevazione di eventuali perdite. Il comportamento di una rete idrica è governato da una complessa interazione tra diversi parametri idraulici e topologici. Ai fini del monitoraggio delle anomalie, le variabili di controllo sono principalmente i parametri idraulici misurabili (in particolare, le pressioni e le domande ai nodi), dai quali è possibile rilevare deviazioni dalle normali condizioni operative. La pressione nodale è solitamente ottenuta tramite una misurazione diretta, effettuata da un sensore di pressione, ed è un output critico del modello idraulico. Le pressioni sono altamente sensibili a variazioni delle domande, perdite e rotture delle tubazioni; pertanto, variazioni anomale di pressione all'interno della rete possono aiutare a individuare la posizione di possibili anomalie. Inoltre, sebbene non siano misurate direttamente, le domande possono essere ricostruite in ogni nodo e fungere da variabile di controllo cruciale; infatti, una deviazione significativa delle domande ricostruite rispetto ai modelli storici o previsti indica spesso anomalie, come le perdite, che si manifestano come un incremento anomalo della domanda. Questa tesi indaga la sfida di utilizzare la pressione come variabile di controllo primaria per ricostruire le domande nodali, con l'obiettivo della rilevazione delle anomalie. Per affrontare ciò, viene introdotta una soluzione innovativa al problema inverso nelle reti di distribuzione idrica, che combina efficacemente un metodo di ottimizzazione locale e uno globale. Un ulteriore obiettivo di questo lavoro è determinare un limite inferiore per il numero di sensori di pressione dispiegabili e il loro posizionamento ottimale all'interno della rete, garantendo un monitoraggio efficace di quest’ultima.