The partition of Water Supply Networks (WSNs) into sectors can be considered as a management strategy that entails its subdivision into homogeneous subgroups. This subdivision aims to enhance the management in each sub-area (sector) carried out by permanently monitoring the inlet flows of each sector This thesis presents a series of innovative sectorization methodologies where the sectors are previously defined by means of social networks community detection algorithms. In a second step, the arrangement boundary valves/sector entrance is optimized based upon optimization heuristic techniques. Such techniques include the benefits of sectorization in terms of both, leakage reduction, as a result of reducing pressure, and increasing the capacity to detect new leakage events. To tackle the later, the Monte Carlo technique is used to simulate the occurrence of new leakage events. WSNs subdivision strategies, must take into account their network topology. In networks dependent on a main conduction network, also called trunk network, any sectorization strategy should avoid closure of its pipes in order to preserve the reliability of the system. The herein proposed trunk network identification method, is based on the concept of Shortest Path from the graph theory, in combination with an analysis of the flows (and their directions) circulating through the network in the pick-demand scenario. As a result, the pipes are graded, and the range of pipes belonging to the trunk network can be selected. Once the trunk network is identified, it is isolated from the distribution network and sectors are defined on the later, based on three social network based community detection algorithms, namely: Hierarchical Clustering, Multilevel Detection Algorithm or Louvaine Method and Random Walk community detection. After defining the area corresponding to each sector, the arrangement entrance / boundary valves must be established. To this end, heuristic-based optimization algorithms (Genetic Algorithms, Particle Swarm Optimization and Agent Swarm Optimization) are implemented. The first procedure not only takes into account the benefit of sectorization in terms of reduction of flows associated with background leakage as a result of reducing pressure, but also considers other effects of great relevance. This leads to a more realistic cost-benefit analysis than the one that could be carried out if only the reduction of background leakage flows was considered. In the second method, multilevel optimization is implemented to optimize the arrangement of boundary valves / sector entrance, in the first level, and to determine the set point of pressure reducing valves located at the entrance of each sector, in the second level. In the third optimization method, only the boundary valves/sector entrance arrangement is optimized based on an economic analysis that does not take into account the effect on the occurrence of new leakages. For the application of the proposed methodologies, it is mandatory to count on an appropriately calibrated hydraulic model. Thus, a WSN calibration method which considers emitter coefficients at the nodes was developed. For exemplification purposes, the proposed methodologies are implemented on a section of the WSN of Managua city, capital of Nicaragua. As a result of the implementation, a net profit of 104,764 $ (American dollars)/year is reported. / La sectorización de las Redes de Abastecimiento de Agua Potable (RDAPs) se puede considerar como una estrategia de gestión que implica su subdivisión en subgrupos homogéneos a fin poder gestionar de mejor manera cada sub-área (sector) mediante el monitoreo permanente de los caudales que ingresan a cada sector. En esta tesis se plantea una serie de metodologías de sectorización innovadoras en que primero se definen los sectores basados en algoritmos de detección de comunidades en grafos de redes sociales. En un segundo paso, se optimiza el conjunto de entradas y válvulas de cierre (CEVC) de cada sector utilizando técnicas heurísticas de optimización. En dicha optimización se incluyen los beneficios de la sectorización en términos de reducción de fugas producto de la reducción de presión y de la capacidad aumentada para detectar nuevos eventos de fugas. Para el abordaje del segundo aspecto se hace uso de la técnica de Monte Carlo para representar eventos de fugas en cada sector basados en una distribución de probabilidades dada. Las estrategias empleadas para subdividir RDAPs deben tener en cuenta la topología de las mismas. En redes dependientes de una red de conducción principal, cualquier estrategia de sectorización que se plantee deberá evitar cierres en la misma, a fin de preservar la fiabilidad del sistema. Es por esta razón que dentro de las metodologías que se plantean en este trabajo, se lleva a cabo un proceso de identificación y segregación de la red de conducción principal. El método de identificación de la red troncal propuesto en este trabajo se basa en el concepto de Caminos más Cortos, propio de la teoría de grafos, en combinación con un análisis de los caudales (y direcciones de los mismos) que circulan por la red en el escenario de mayor demanda. Como resultado, se obtiene un ranking de tuberías, a partir del cual se puede seleccionar el alcance de la red de conducción principal. Una vez identificada la red troncal, la misma se aísla de la red distribución y, sobre esta última, se definen los sectores utilizando tres algoritmos de detección de comunidades en redes sociales: Clústering Jerárquico, Algoritmo de Detección Multinivel y Detección de Comunidades a través de Caminos Aleatorios. Tras definir el área que corresponde a cada sector, se debe establecer el conjunto de válvulas cerradas y el punto de abastecimiento del sector. Para tal fin, se implementan procedimientos de optimización basados en los algoritmos de optimización heurística: Algoritmos Genéticos (Genetic Algorithms), Optimización de Enjambres de Partículas (Particle Swarm Optimization) y Optimización de Enjambres de Agentes (Agent Swarm Optimization). En el primer procedimiento, no sólo se toma en cuenta el beneficio de la sectorización en términos de reducción de caudales asociados a fugas de fondo, como consecuencia de reducir la presión, sino que también se tienen en cuenta otros efectos de gran relevancia. Esto permite que el análisis coste/beneficio de la sectorización sea más realista que el que se podría realizar si sólo se tuviera en cuenta la reducción de caudales de fugas de fondo. En el segundo método se emplea optimización multinivel para, además de optimizar el conjunto de válvulas cerradas/entrada de sectores, determinar el punto de ajuste de válvulas reductoras de presión en la entrada de los sectores. En el tercer método de optimización sólo se optimiza el CEVC mediante un análisis económico que no tiene en cuenta el efecto sobre la aparición de nuevas fugas. Para la aplicación de las metodologías propuestas es importante contar con un modelo hidráulico correctamente calibrado. Para ello, se desarrolló un método de calibración de RDAPs que tiene en cuenta los coeficientes de emisor en los nodos. Las metodologías propuestas se implementan sobre una sección de la RDAP de la ciudad de Managua, Nicaragua. Como resultado de la impleme / La sectorització de les Xarxes d'Abastament d'Aigua Potable (XAAPs) es pot considerar com una estratègia de gestió que implica la seva subdivisió en subgrups homogenis. Aquesta subdivisió té com a finalitat poder gestionar de millor manera en cada subàrea (sector) aspectes com ara: fuites, reparacions, aspectes de qualitat, entre d'altres, mitjançant el monitoratge permanent dels cabals que ingressen a cada sector. En aquesta tesi es planteja una sèrie de metodologies de sectorització innovadores en que primer es defineixen els sectors basats en algoritmes de detecció de comunitats en grafs de xarxes socials. En un segon pas, s'optimitza el conjunt d'entrades i vàlvules de tancament (CEVT) de cada sector utilitzant tècniques heurístiques d'optimització. En aquesta optimització s'inclouen els beneficis de la sectorització en termes de reducció de fuites producte de la reducció de pressió i de la capacitat augmentada per detectar nous esdeveniments de fuites. Per l'abordatge del segon aspecte es fa ús de la tècnica de Monte Carlo per representar esdeveniments de fuites en cada sector basats en una distribució de probabilitats donada. Les estratègies emprades per subdividir XAAPs han de tenir en compte la topologia de les mateixes. En xarxa depenent d'una xarxa de conducció principal o xarxa troncal (d'aquest punt en endavant els termes són intercanviables), qualsevol estratègia de sectorització que es plantegi d'evitar tancaments en la mateixa, a fi de preservar la fiabilitat del sistema. El mètode d'identificació de la xarxa troncal proposat en aquest treball es basa en el concepte de camins més curts, propi de la teoria de grafs, en combinació amb una anàlisi dels cabals (i direccions dels mateixos) que circulen per la xarxa en l'escenari de major demanda. Com a resultat, s'obté un rànquing de canonades, a partir del qual es pot seleccionar l'abast de la xarxa de conducció principal. Una vegada identificada la xarxa troncal, la mateixa s'aïlla de la xarxa de distribució i, a aquesta última, es defineixen els sectors utilitzant tres algoritmes de detecció de comunitats en xarxes socials: Clustering jeràrquic, Algorisme de Detecció Multinivell o Mètode Louvain i Detecció de Comunitats a través de Camins Aleatoris. Després de definir l'àrea que correspon a cada sector, s'ha d'establir el conjunt de vàlvules tancades i el punt d'abastament del sector. Per a tal fi, s'implementen procediments d'optimització basats en els algoritmes d'optimització heurística: Algorismes Genètics (Genetic Algorithms), Optimització de Eixams de Partícules (Particle Swarm Optimization) i Optimització de Eixams d'Agents (Agent Swarm Optimization). En el primer procediment, no només es té en compte el benefici de la sectorització en termes de reducció de cabals associats a fuites de fons, com a conseqüència de reduir la pressió, sinó que també es tenen en compte altres efectes de gran rellevància. Això permet que l'anàlisi cost / benefici de la sectorització sigui més realista que el que es podria fer si només es tingués en compte la reducció de cabals de fuites de fons. En el segon mètode s'empra optimització multinivell per, a més d'optimitzar el conjunt de vàlvules tancades / entrada de sectors, determinar el punt d'ajust de vàlvules reductores de pressió a l'entrada dels sectors. En el tercer mètode d'optimització només s'optimitza el CEVT mitjançant una anàlisi econòmica que no té en compte l'efecte sobre l'aparició de noves fuites. Per a l'aplicació de les metodologies proposades és important comptar amb un model hidràulic correctament calibrat. Per a això, es va desenvolupar un mètode de calibratge de XAAPs que té en compte els coeficients d'emissor en els nodes. Per a fins d'exemplificació, les metodologies proposades s'implementen sobre una secció de la XAAP de la ciutat de Managua, Nicaragua. Com a resultat de la implementació es reporta / Campbell Gonzalez, E. (2017). Sectorización de redes de abastecimiento de agua potable basada en detección de comunidades en redes sociales y optimización heurística [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/86206 / Premios Extraordinarios de tesis doctorales

[ES] La sectorización en sectores hidrométricos de las redes de abastecimiento de agua potable ha sido, a lo largo de los últimos años, una de las técnicas más empleadas para ubicar y controlar las fugas. Esto es de vital importancia ante un recurso, el agua potable, cada vez más escaso y valioso. Sin embargo, el empleo de esta técnica, algunas veces, es llevada a cabo por ensayo y error, o sin una estrategia previamente establecida. La capacidad hidráulica de la red, o caudal máximo que puede aportar cumpliendo los requisitos mínimos de servicio, puede afectarse cuando se lleva a cabo un proceso de sectorización. Esto es debido a que el cierre de tramos de la red cambia las condiciones de servicio, pudiendo generar afectaciones graves desde el punto de vista de presiones y de calidad de agua. Algunas veces, también, es aplicado el proceso de sectorización sin una evaluación previa de las características de la red y de las condiciones operativas. Partiendo de estas situaciones, se planteó indagar acerca de cómo las condiciones iniciales de operación de la red pudiesen afectar la formación de los sectores hidrométricos desde el punto de vista de su configuración. En los procesos de sectorización pueden emplearse algoritmos de clústering debido a la analogía existente entre los agrupamientos de los diferentes elementos de los sistemas de abastecimiento de agua y los principios aplicados en las técnicas de agrupamiento de datos. Así, se decidió aplicar diversas técnicas basadas en la detección de comunidades en redes, ya que poseen la ventaja de agrupar en función de la información en las conexiones, y no solo en la información almacenada en los nodos, lo cual resulta favorable para el tema en estudio en este trabajo, debido a que pudiera tomarse en cuenta cómo la variación de los niveles de exigencia en las tuberías, ocasionados por la variación en la demanda, afectaría la formación de sectores. Para ello se planteó trabajar con dos redes de prueba conocidas en la literatura, a las cuales se les simuló bajo distintas capacidades de carga de trabajo y a través del empleo de varios algoritmos de agrupamiento, tales como Infomap, Walktrap, Fast gready, Edge betweeness, Luovain y Leiden. La metodología desarrollada fue, finalmente, aplicada a una red real de gran tamaño, lo que valida dicha metodología para un problema del mundo real. Como parámetros para ponderar las conexiones se probaron cuatro opciones: caudal circulante con la red trabajando a la capacidad deseada; energía disipada en cada tramo con la red trabajando a la capacidad deseada; relación entre el caudal circulante en el tramo y el caudal circulante a capacidad máxima teórica de la red; y relación entre la energía disipada trabajando a la capacidad deseada y la disipación de la energía en los tramos con la red trabajando a capacidad máxima. Obtenida la partición por cualquiera de los métodos anteriormente expuestos, se optimizaron las entradas y salidas de los sectores por medio de la implementación de un algoritmo de enjambre de partículas; adicionalmente, se hace una comparación del resultado con otro obtenido a partir de un algoritmo de colonia de hormigas, lo que permite dar robustez a la metodología desarrollada. / [CA] La partició o sectorització de les xarxes d'abastiment d'aigua potable a les anomenades districtes hidromètrics ha estat, durant els darrers anys, una de les tècniques més utilitzades per localitzar i controlar les pèrdues d'aigua. La sectorització és crucial quan es tracta d'un recurs cada vegada més escàs i valuós com es l'aigua. Tanmateix, l'ús d'aquesta tècnica de vegades es duu a terme mitjançant proves i errors, o sense una estratègia prèviament establerta. La capacitat hidràulica d'una xarxa o el cabal màxim que pot proporcionar mentre compleix els requisits mínims de servei es pot veure afectat quan es realitza un procés de sectorització. Això es deu al fet que el tancament de seccions de la xarxa modifica les condicions del servei, la qual cosa pot generar greus efectes des del punt de vista de la pressió i la qualitat de l'aigua. A més, de vegades s'apliquen processos de sectorització sense una avaluació prèvia de les característiques de la xarxa i de les condicions de funcionament. Partint d'aquestes situacions, ens vam preguntar sobre com les condicions inicials de funcionament de la xarxa podrien afectar la construcció dels sectors hidromètrics des del punt de vista de la seva configuració. Els algoritmes de clusterització es poden utilitzar en processos de sectorització a causa de l'analogia entre l'agrupació dels diferents elements dels sistemes d'abastiment d'aigua i els principis aplicats en les tècniques d'agrupament de dades. Així, vam decidir aplicar diverses tècniques basades en la detecció de comunitats a les xarxes, ja que tenen l'avantatge de realitzar agrupacions basades en la informació de les unions i no només en la informació emmagatzemada als nodes. Això és favorable per al tema en estudi en aquest treball, perquè es pot considerar com la variació dels nivells de demanda a les canonades, causada per la variació de la demanda, pot afectar la construcció de sectors. Amb aquesta finalitat, es va proposar treballar amb dues xarxes de proves conegudes a la literatura, que es van simular sota diferents capacitats de càrrega i mitjançant l'ús de diversos algorismes de clusterització, com Infomap, Walktrap, Fast gready, Edge betweeness, Luovain i Leiden. La metodologia desenvolupada es va aplicar, finalment, a una gran xarxa real, que valida la metodologia per a una xarxa de subministrament d'aigua del món real. Com a paràmetres per ponderar les unions, es van provar quatre opcions: cabal circulant amb la xarxa treballant a la capacitat desitjada; energia dissipada a cada secció amb la xarxa treballant a la capacitat desitjada; relació entre el cabal circulant a la secció i el cabal circulant a la capacitat màxima teòrica de la xarxa; i la relació entre l'energia dissipada que treballa a la capacitat desitjada i la dissipació d'energia a les seccions amb la xarxa que treballa a la màxima capacitat. Un cop obtinguda la partició per qualsevol dels mètodes esmentats anteriorment, les entrades i sortides dels sectors s'optimitzen mitjançant un algorisme d'optimització d'eixam de partícules; a més, es fa una comparació del resultat amb un altre algoritme d'optimització, és a dir, un algoritme d'optimització de colònies de formigues, que permet proporcionar robustesa a la metodologia desenvolupada. / [EN] Partitioning or sectorization of drinking water supply networks into so-called district metered areas has been, over the last years, one of the most used techniques to locate and control leaks. Sectorization is crucial when dealing with an increasingly scarce and valuable resource as water. However, the use of this technique is sometimes carried out by trial and error, or without a previously established strategy. The hydraulic capacity of a network, or the maximum flow it can provide while meeting the minimum service requirements, can be affected when a sectorization process is carried out. This is due to the fact that the closure of sections of the network changes the service conditions, which could generate serious effects from the point of view of pressure and water quality. Also, sometimes sectorization processes are applied without a prior evaluation of the characteristics of the network and of the operating conditions. Starting from these situations, we inquired about how the initial operating conditions of the network could affect the construction of the hydrometric sectors or district metered areas from the point of view of their configuration. Clustering algorithms can be used in sectorization processes due to the analogy between the grouping of the different elements of water supply systems and the principles applied in data grouping techniques. Thus, we decided to apply various techniques based on the detection of communities in networks, since they have the advantage of performing grouping based on the information at the junctions, and not only on the information stored at the nodes. This is favourable for the subject under study in this work, because one may consider how the variation of the demand levels in the pipes, caused by the demand variation, can affect the construction of sectors. To this end, it was proposed to work with two test networks known in the literature, which were simulated under different load capacities and through the use of various clustering algorithms, namely Infomap, Walktrap, Fast gready, Edge betweeness, Luovain and Leiden. The methodology developed was, finally, applied to a large real network, which validates the methodology for a real-world water supply network. As parameters to weight the junctions, four options were tested: circulating flow with the network working at the desired capacity; energy dissipated in each section with the network working at the desired capacity; relationship between the circulating flow in the section and the circulating flow at the theoretical maximum capacity of the network; and the relationship between the energy dissipated working at the desired capacity and the dissipation of energy in the sections with the network working at maximum capacity. Once the partition is obtained by any of the previously said methods, the inputs and outputs of the sectors are optimized by using a particle swarm optimization algorithm; additionally, a comparison of the result is made with another optimization algorithm, namely, an ant colony optimization algorithm, which allows to provide robustness to the developed methodology. / Martins Alves, C. (2020). La capacidad hidráulica en las redes de agua potable y su influencia en el proceso de sectorización [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/159938

[EN] Due to the rise of energy prices, the energy cost of pumping represents most of the total operation cost in water distribution systems. In addition, energy price varies according to the tariff structure. For these reasons, optimal real-time control of the pumping stations and the valve operation settings is required in order to minimize energy costs while controlling pressure in the network. To achieve this objective it is necessary to define an optimization model that results in a reliable operation scenario. Moreover, simulation of hydraulic models allows tracking the daily operation schedule of the water supply network. Its integration into a SCADA system is a valuable tool to aid the making of decisions. For this aim, the mathematical model must be calibrated, and regularly updated. Finally, to perform optimal control in real-time, it is necessary to define a demand forecast model to know in advance the state of the network for the following 24 hours. This thesis exposes a methodology for optimal real-time operation of a hydraulic network based on the development of a platform that allows the integration of hydraulic simulation models, forecast models and optimization algorithms in SCADA systems. With the aim of performing the most adjusted model to actual scenarios, a demand forecast model has been developed based on historical patterns obtained from the SCADA system. Finally, an optimization module has been developed to minimize the energy costs of pumping systems, which basically consists of two blocks. In the first block, the goal is to optimize the operating regime of pumps using a linear programming model to minimize the operating costs while maintaining the water levels in tanks within a threshold range. In the second block, once optimal pump operation is set, setting of pressure reducing valves is optimized in order to satisfy the total expected demand within the system's restrictions of maximum and minimum pressure, according to the pump operation. An important contribution of this thesis has been the replacement of the hydraulic model by an equivalent model based on parallelized architecture neural network (ANN), which significantly reduces the computation time, a very important aspect when a system for real-time optimization is implemented. The proposed methodology has been applied to the water supply network of Valencia and its metropolitan area, taking into account current energy tariff structure. Results prove the effectiveness of the proposed model in the search for feasible operation strategies, to be applied to a real distribution system with two water pumping stations, several tanks, and various regulation valves remotely operated. Many of the physical components of the system have been replaced by using ANN architecture, without affecting the pressure constraints at critical points. The achieved energy saving highlights the importance of applying optimization models as a mean of improving system energy efficiency. / [ES] Con el aumento de precios de la energía, el coste de la energía eléctrica utilizada por los sistemas de bombeo representa la mayor parte del coste total de la operación en los sistemas de distribución de agua. Por esta razón, y porque los precios de la energía son variables hora a hora, es necesario un control óptimo en tiempo real del régimen de operación de las estaciones de bombeo y el régimen de regulación de las válvulas, con el fin de minimizar los costes energéticos y al mismo tiempo controlar las presiones en la red. Para alcanzar este objetivo es necesario definir un modelo de optimización que dé como resultado un escenario de operación viable. Por otra parte, los modelos de simulación hidráulica permiten realizar el seguimiento del régimen de operación diaria de una red de abastecimiento de agua, y su integración en un sistema SCADA constituyen una herramienta de valiosa ayuda para la toma de decisiones. Para ello el modelo matemático deberá estar calibrado y permanentemente actualizado. Finalmente para llevar a cabo un control óptimo en tiempo real es necesario definir un modelo de previsión de demanda que permita anticipar el estado de la red para las próximas 24 horas. La presente tesis presenta una metodología de operación óptima en tiempo real de una red hidráulica basada en el desarrollo de una plataforma que permite la integración de modelos de simulación, los modelos de predicción y los algoritmos de optimización con los sistemas SCADA. Con vistas a realizar una optimización en tiempo real lo más ajustada a la realidad se ha adoptado un modelo de previsión de demanda basado en patrones históricos procedentes de los datos de consumos obtenidos a través del propio sistema SCADA. Finalmente se ha desarrollado un módulo de optimización para minimizar los costes energéticos del sistema de bombeo, el cual, consta básicamente de dos bloques. En el primer bloque el objetivo ha sido optimizar el régimen de operación de las bombas mediante un modelo por programación lineal con el objetivo de minimizar los costes de operación manteniendo los niveles en los depósitos dentro del rango prefijado. En el segundo bloque, una vez definido el estado de operación de las bombas, se han optimizado las consignas de las válvulas de regulación, consideradas como válvulas reductoras de presión, con tal de satisfacer la demanda total prevista cumpliendo las restricciones de presión máxima y mínima del sistema, de acuerdo con la operación de las bombas. Como una aportación importante de la tesis, a la hora de realizar las simulaciones hidráulicas de las diferentes soluciones propuestas por el optimizador, se ha sustituido el simulador hidráulico por un modelo equivalente basado en una arquitectura de red neuronal paralelizada (ANN), el cual permite reducir significativamente el tiempo de cálculo, aspecto de gran importancia cuando se trata de implantar un sistema de optimización en tiempo real. La metodología propuesta ha sido aplicada sobre la red a abastecimiento de agua a Valencia y su área metropolitana, considerando los bloques de tarifas eléctricas vigentes para el caso de estudio. La tesis doctoral presenta unos resultados que prueban la efectividad del modelo propuesto en la búsqueda de estrategias de operación viables para ser aplicado sobre un sistema de distribución de agua real compuesta por dos estaciones de bombeo, varios depósitos, y diversas válvulas de regulación motorizadas, en la que se han podido omitir muchos de los componentes físicos del sistema mediante el uso de una arquitectura ANN, pero sin perder de vista los puntos críticos donde se han establecido las restricciones del presión. La reducción del consumo eléctrico alcanzado, pone de manifiesto la importancia del modelo de optimización como instrumento de mejora de la eficiencia energética del sistema. / [CA] Amb l'augment de preus de l'energia, el cost de l'energia elèctrica utilitzada pels sistemes de bombament representa la major part del cost total de l'operació en els sistemes de distribució d'aigua. Per esta raó, i perquè els preus de l'energia són variables hora a hora, és necessari un control òptim en temps real del règim d'operació de les estacions de bombament i el règim de regulació de les vàlvules, a fi de minimitzar els costos energètics i al mateix temps controlar les pressions en la xarxa. Per a aconseguir este objectiu és necessari definir un model d'optimització que done com resultat un escenari d'operació viable. D'altra banda, els models de simulació hidràulica permeten realitzar el seguiment del règim d'operació diària d'una xarxa d'abastiment d'aigua, i la seua integració en un sistema SCADA contituyen una ferramenta de valuosa ajuda per a la presa de decisions. Per això el model matemàtic haurà d'estar calibrat i permanentment actualitzat. Finalment per a dur a terme un control òptim en temps real és necessari definir un model de previsió de la demanda que permeta anticipar l'estat de la xarxa per a les pròximes 24 hores. La present tesi presenta una metodologia d'operació òptima en temps real d'una xarxa hidràulica basada en el desenrotllament d'una plataforma que permet la integració de models de simulació, els models de predicció i els algoritmes d'optimització amb els sistemes SCADA. Amb vista a realitzar una optimització en temps real el més ajustada a la realitat s'ha adoptat un model de previsió de demanda basat en patrons històrics procedents de les dades de consums obtinguts a través del propi sistema SCADA. Finalment s'ha desenvolupat un mòdul d'optimització per minimitzar els costos energètics del sistema de bombament, el qual, consta bàsicament de dos blocs. En el primer bloc l'objectiu ha estat optimitzar el règim d'operació de les bombes mitjançant un model per programació lineal amb l'objectiu de minimitzar els costos d'operació mantenint els nivells en els dipòsits dins del rang prefixat. En el segon bloc, un cop definit l'estat d'operació de les bombes, s'han optimitzat les consignes de les vàlvules de regulació, considerades com vàlvules reductores de pressió, per tal de satisfer la demanda total prevista complint les restriccions de pressió màxima i mínima del sistema, d'acord amb l'operació de les bombes. Com una aportació important de la tesi, a l'hora de realitzar les simulacions hidràuliques de les diferents solucions proposades per l'optimitzador, s'ha substituït el simulador hidràulic per un model equivalent basat en una arquitectura de xarxa neuronal paralelizada (ANN), el qual permet reduir significativament el temps de càlcul, aspecte de gran importància quan es tracta d'implantar un sistema d'optimització en temps real. La metodologia proposada ha sigut aplicada sobre la xarxa a abastiment d'aigua a València i la seua àrea metropolitana, considerant els blocs de tarifes elèctriques vigents per al cas d'estudi. La tesi doctoral presenta uns resultats que proven l'efectivitat del model proposat en la busca d'estratègies d'operació viables per a ser aplicat sobre un sistema de distribució d'aigua real composta per dos estacions de bombament, uns quants depòsits, i diverses vàlvules de regulació motoritzades, en la que s'han pogut ometre molts dels components físics del sistema per mitjà de l'ús d'una arquitectura ANN, però sense perdre de vista els punts crítics on s'han establit les restriccions del pressió. La reducció del consum elèctric aconseguit, posa de manifest la importància del model d'optimització com a instrument de millora de l'eficiència energètica del sistema. / Bou Soler, V. (2016). Optimización en tiempo real del modo de operación de un abastecimiento de agua mediante técnicas metaheurísticas. Aplicación a la RED de suministro a Valencia y su área metropolitana [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/62692

[ES] Debido a la escasez del recurso hídrico que azota a muchos países del mundo, los gobiernos están implementando políticas públicas para que las entidades gestoras del servicio de agua potable, juntamente con las instituciones públicas y la empresa privada, implementen tecnologías digitales para monitorizar y tener un mejor control de la gestión de las redes hidráulicas. Sin embargo, es posible que las entidades gestoras no posean un modelo matemático que les permita analizar el comportamiento hidráulico de la red ante distintos escenarios como el aumento de la demanda en ciertas zonas, la avería en una tubería principal, la ampliación de la red hidráulica; o tomar decisiones como la ubicación de nuevas fuentes de agua, la ubicación de sensores o elementos que permitan delimitar sectores hidráulicos (caudalímetros y válvulas de corte), entre otras. El objetivo principal de este trabajo de investigación es desarrollar nuevos métodos basados en el modelo matemático y la topología de la red que ayuden a resolver los retos anteriores. Estos métodos, implementados en aplicaciones informáticas, pretenden ser de gran utilidad a las empresas de agua potable para comprobar la conectividad de la red e identificar las subredes con problemas de suministro o sin demandas de caudal asignadas; analizar la fiabilidad de la red bajo diversas circunstancias; ayudar a ubicar válvulas reductoras de presión, sensores y otros elementos de control, validar el proceso de asignación de las demandas, identificar derivaciones que causen un suministro deficiente en determinadas zonas; delimitar sectores de demanda sin afectar la red arterial de transporte y sectorizar una red hidráulica según el aporte de cada fuente al consumo de cada nodo; simplificar modelos de detalle que permitan minimizar los tiempos de cálculo para optimizar los procesos de toma de decisiones como el diseño de ampliaciones, la mejora energética o para dar una respuesta rápida en la operación en tiempo real; y por último, proporcionar métodos basados en la simulación hidráulica y en unas ecuaciones de tipo potencial-logarítmicas para convertir rugosidades absolutas de Darcy-Weisbach y coeficientes de rugosidad de Chezy-Manning en coeficientes de rugosidad de Hazen-Williams para calibrar el modelo, en otras aplicaciones. Todos los métodos han sido implementados en aplicaciones informáticas para automatizar el proceso de cálculo. Para ello, se ha utilizado el entorno de programación de Visual Studio 2019 Community (.NET), la librería de EPANET (v2.2) para ejecutar los cálculos hidráulicos, y la librería shapelib para visualizar los resultados de manera gráfica desde cualquier software de Sistema de Información Geográfica. Los resultados obtenidos han sido verificados con profusión, primero porque cada método se ha desarrollado considerando el modelo de una red real y después se ha validado con otros cinco modelos de redes reales de configuraciones diferentes, tamaños, elementos de regulación y leyes de control. Asimismo, dado que todas las herramientas están publicadas en el portal de investigadores de ResearchGate para su libre acceso, han podido ser testeadas por otros muchos usuarios interesados en su uso para analizar y dar solución a los problemas diversos en la gestión de las redes de abastecimiento de agua. Por último, todos estos algoritmos pueden ser implementados en otras plataformas digitales o entornos SIG desde los cuales se puede mejorar la interacción del usuario con la red, permitiendo al modelador u operador de la red tomar las mejores decisiones. / [CAT] A causa de l'escassetat del recurs hídric que assota a molts països del món, els governs estan implementant polítiques públiques perquè les entitats gestores del servei d'aigua potable, juntament amb les institucions públiques i l'empresa privada, implementen tecnologies digitals per a monitorar i tindre un millor control de la gestió de les xarxes hidràuliques. No obstant això, és possible que les entitats gestores no posseïsquen un model matemàtic que els permeta analitzar el comportament hidràulic de la xarxa davant diferents escenaris com l'augment de la demanda en unes certes zones, l'avaria en una canonada principal, l'ampliació de la xarxa hidràulica; o prendre decisions com la ubicació de noves fonts d'aigua, la ubicació de sensors o elements que permeten delimitar sectors hidràulics (cabalímetres i vàlvules de tall), entre altres. L'objectiu principal d'aquest treball de recerca és desenvolupar nous mètodes basats en el model matemàtic i la topologia de la xarxa que ajuden a resoldre els reptes anteriors. Aquests mètodes, implementats en aplicacions informàtiques, pretenen ser de gran utilitat a les empreses d'aigua potable per a comprovar la connectivitat de la xarxa i identificar les subxarxes amb problemes de subministrament o sense demandes de cabal assignades; analitzar la fiabilitat de la xarxa sota diverses circumstàncies; ajudar a situar vàlvules reductores de pressió, sensors i altres elements de control, validar el procés d'assignació de les demandes, identificar derivacions que causen un subministrament deficient en determinades zones; delimitar sectors de demanda sense afectar la xarxa arterial de transport i sectoritzar una xarxa hidràulica segons l'aportació de cada font al consum de cada node; simplificar models de detall que permeten minimitzar els temps de càlcul per a optimitzar els processos de presa de decisions com el disseny d'ampliacions, la millora energètica o per a donar una resposta ràpida en l'operació en temps real; i finalment, proporcionar mètodes basats en la simulació hidràulica i en unes equacions de tipus potencial-logarítmiques per a convertir rugositats absolutes de Darcy-Weisbach i coeficients de rugositat de Chezy-Manning en coeficients de rugositat de Hazen-Williams per a calibrar el model, en altres aplicacions. Tots els mètodes han sigut implementats en aplicacions informàtiques per a automatitzar el procés de càlcul. Per a això, s'ha utilitzat l'entorn de programació de Visual Studio 2019 Community (.NET), la llibreria de EPANET (v2.2) per a executar els càlculs hidràulics, i la llibreria shapelib per a visualitzar els resultats de manera gràfica des de qualsevol programari de Sistema d'Informació Geogràfica. Els resultats obtinguts han sigut verificats amb profusió, primer perquè cada mètode s'ha desenvolupat considerant el model d'una xarxa real i després s'ha validat amb altres cinc models de xarxes reals de configuracions diferents, grandàries, elements de regulació i lleis de control. Així mateix, atés que totes les eines estan publicades en el portal d'investigadors de ResearchGate per al seu lliure accés, han pogut ser testades per molts altres usuaris interessats en el seu ús per a analitzar i donar solució als problemes diversos en la gestió de les xarxes de proveïment d'aigua. Finalment, tots aquests algorismes poden ser implementats en altres plataformes digitals o entorns SIG des dels quals es pot millorar la interacció de l'usuari amb la xarxa, permetent al modelador o operador de la xarxa prendre les millors decisions. / [EN] Due to the scarcity of water resources that plagues many countries in the world, governments are implementing public policies so that water management entities, together with public institutions and private companies, implement digital technologies to monitor and have a better control of the management of water networks. However, it is possible that the managing entities do not have a mathematical model that allows them to analyze the hydraulic behavior of the network in different scenarios such as increased demand in certain areas, the failure of a main pipe, the expansion of the hydraulic network; or to make decisions such as the location of new water sources, the location of sensors or elements that allow delimiting hydraulic sectors (flow meters and shut-off valves), among others. The main objective of this research work is to develop new methods based on the mathematical model and network topology that help to solve the above challenges. These methods, implemented in computer applications, are intended to be of great use to drinking water utilities to check network connectivity and identify subnetworks with supply problems or without assigned flow demands; analyze network reliability under various circumstances; help locate pressure reducing valves, sensors and other control elements; validate the demand allocation process; identify bypasses that cause poor supply in certain areas; delimit demand sectors without affecting the arterial transport network; and sectorize a water network according to the contribution of each source to the consumption of each node; simplify detailed models to minimize calculation times to optimize decision-making processes such as the design of extensions, energy improvement or to provide a quick response in real time operation; and finally, provide methods based on hydraulic simulation and potential-logarithmic equations to convert absolute Darcy-Weisbach roughness and Chezy-Manning roughness coefficients into Hazen-Williams roughness coefficients to calibrate the model in other applications. All methods have been implemented in software applications to automate the calculation process. For this purpose, the Visual Studio 2019 Community (.NET) programming environment has been used, the EPANET library (v2.2) to execute the hydraulic calculations, and the shapelib library to visualize the results graphically from any Geographic Information System software. The results obtained have been extensively verified, first because each method has been developed considering the model of a real network and then validated with five other real network models of different configurations, sizes, regulation elements and control laws. Also, since all the tools are published in the ResearchGate researcher portal for free access, they have been tested by many other users interested in their use to analyze and provide solutions to various problems in the management of water supply networks. Finally, all these algorithms can be implemented in other digital platforms or GIS environments from which the user's interaction with the network can be improved, allowing the modeler or network operator to make the best decisions. / Vegas Niño, ÓT. (2023). Nuevas herramientas para la gestión técnica de redes de distribución de agua basadas en el modelo matemático y la topología de la red [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/192474