Este trabalho apresenta a pesquisa sobre a extração de parâmetros característicos de sinais acústicos para fins de detecção automática de vazamento de água em tubulações enterradas. Os sinais acústicos foram adquiridos com o auxílio de um geofone eletrônico e também catalogados por técnicos especialistas em detecção acústica. De todos os sinais foram extraídos os modelos de predição linear perceptual de várias ordens, determinando-se como melhor a ordem 2. A partir de um conjunto de modelos de referência de sinais de vazamento, a distância média de Itakura dos outros modelos em relação a estas referências foram calculadas. Em conjunto com estas distâncias, quatro características espectrais são também extraídas do sinal a fim de compor o vetor de parâmetros característicos do sinal. Parte destes vetores de parâmetros característicos são utilizados para treinar o classificador de máquina de vetores de suporte. O restante dos dados são, então, submetidos a este classificador que obteve a taxa de acerto de classificação em torno de 93%. Experimentos anteriores, utilizando modelos de predição linear, de ordem 10, obtiveram uma taxa de acerto em torno de 82%. Isso demonstra que estes novos parâmetros característicos propostos alcançam os objetivos deste trabalho, que são algoritmos com melhor taxa de acerto na detecção de vazamentos. / This work presents a research about feature extraction of acoustic signals for detection of water leak in buried pipes. Acoustic signals were acquired by means of an electronic geophone and also labeled by technicians specialized in acoustic water leak detection. For every signals, its linear predictive model was estimated for a range of prediction orders, concluding for the best order 2. Out of this group of models, some leaky ones are used as reference for calculating the Itakura mean distance with respect to the other models. Completing this measure, four spectral features are extracted to compose the signal feature vector. Some of these vectors were used to train a support vector machine to be used as a classifier. The remaining ones were used to evaluate the classification. The resulting accuracy rate achieved is around 93%. Earlier experiments, which use linear prediction of order 10 had an accuracy rate around 82%. This shows that this novel proposal of feature vector achieves the main goal of this research, which is the increase in the leak detection accuracy rate.

Este trabalho apresenta a pesquisa sobre a extração de parâmetros característicos de sinais acústicos para fins de detecção automática de vazamento de água em tubulações enterradas. Os sinais acústicos foram adquiridos com o auxílio de um geofone eletrônico e também catalogados por técnicos especialistas em detecção acústica. De todos os sinais foram extraídos os modelos de predição linear perceptual de várias ordens, determinando-se como melhor a ordem 2. A partir de um conjunto de modelos de referência de sinais de vazamento, a distância média de Itakura dos outros modelos em relação a estas referências foram calculadas. Em conjunto com estas distâncias, quatro características espectrais são também extraídas do sinal a fim de compor o vetor de parâmetros característicos do sinal. Parte destes vetores de parâmetros característicos são utilizados para treinar o classificador de máquina de vetores de suporte. O restante dos dados são, então, submetidos a este classificador que obteve a taxa de acerto de classificação em torno de 93%. Experimentos anteriores, utilizando modelos de predição linear, de ordem 10, obtiveram uma taxa de acerto em torno de 82%. Isso demonstra que estes novos parâmetros característicos propostos alcançam os objetivos deste trabalho, que são algoritmos com melhor taxa de acerto na detecção de vazamentos. / This work presents a research about feature extraction of acoustic signals for detection of water leak in buried pipes. Acoustic signals were acquired by means of an electronic geophone and also labeled by technicians specialized in acoustic water leak detection. For every signals, its linear predictive model was estimated for a range of prediction orders, concluding for the best order 2. Out of this group of models, some leaky ones are used as reference for calculating the Itakura mean distance with respect to the other models. Completing this measure, four spectral features are extracted to compose the signal feature vector. Some of these vectors were used to train a support vector machine to be used as a classifier. The remaining ones were used to evaluate the classification. The resulting accuracy rate achieved is around 93%. Earlier experiments, which use linear prediction of order 10 had an accuracy rate around 82%. This shows that this novel proposal of feature vector achieves the main goal of this research, which is the increase in the leak detection accuracy rate.

För att minska framtida problem med läckor på våra ledningsnät är det viktigt att man förnyar dessa. Planeringen av denna förnyelse kallas för förnyelseplanering. En metod i förnyelseplaneringen är så kallad ”riskbaserad förnyelseplanering”. Denna metod syftar till att hitta de ledningar som innebär störst risk. Med hög risk menas: en ledning som har hög sannolikhet för brott, samtidigt som konsekvensen av att ett brott uppstår är stor. Tekniska Verken i Linköping ansvarar för vattenledningsnätet i Linköpings kommun. I sin förnyelseplanering arbetar man på att få fram ett nytt verktyg, kallat ”Knappen”. Ambitionen med ”Knappen” är kunna hitta sina riskledningar med ”endast ett knapptryck”. ”Knappen” är en beräkning som baseras på en mängd indata om sannolikhet och konsekvens. En av faktorerna som ska användas i beräkningen är en uppskattning av reparationskostnaden läckan medför. Denna undersökning har resulterat i en formel för beräkning av denna kostnad. Formeln är baserad på data om tidigare läckor från 2011. De faktorer som formeln visade sig bero på är: vilken marktyp läckan har skett i, hur långt avståndet är, vilken reparationsmetod man måste använda samt ledningens material och diameter. För en läcka i en segjärnsledning med dimensionen 150 mm som måste lagas med en infällning blir reparationskostnaden enligt formeln 118 740 kr om den inträffade i en villagata. Om samma förutsättningar gäller för en läcka i en gjutjärnsledning med dimensionen 100 mm som tätas med en repmuff blir reparationskostnaden enligt formeln 62 060 kr. / Water is an essential resource that we today take for granted. The distribution of drinking water is done with pipes in our water distribution network. These pipes have a limited lifetime and at some point they will rupture, with a leak as a result. The leak can lead to major consequences. Some examples are: disturbance in traffics, damage to property, as well as private individuals and businesses that are without water. Another consequence is the cost itself of repairing the leak, which sometimes is the most severe consequence. To avoid future problems with water leaks, it is important to renew the pipe network. The planning of this renewal is called renewal planning. A method in renewal planning is so-called “risk-based renewal planning”. This method aims to find the pipes that carry the highest risk. A pipe with high risk is a pipe that has high probability of rupturing, at the same time as the consequence of a rupture is great. Tekniska Verken in Linköping is in charge of the water distribution network in Linköping municipality. In their renewal planning they are working on a new tool, called “Knappen”. The ambition with “Knappen” is to be able to find pipes with high risk with “just one touch of a button”. “Knappen” is a calculation based on a variety of input data on probability and consequence. One of the factors to be used in the calculation is an estimate of the repair cost that the leak causes. This study has resulted in a formula for calculating this cost. The formula is based on data about past leaks from 2011. The factors that the formula turned out to depend on is: in which land type the leak has occurred, how far the distance is, which repair method has to be used and also the material and dimension of the pipe.

[EN] Over time, due to multiple operational and maintenance activities, the networks of water supply systems (WSSs) undergo interventions, modifications or even are closed. In many cases, these activities are not properly registered. Knowledge of the paths and characteristics (status and age, etc.) of the WSS pipes is obviously necessary for efficient and dynamic management of such systems. This problem is greatly augmented by considering the detection and control of leaks. Access to reliable leakage information is a complex task. In many cases, leaks are detected when the damage is already considerable, which brings high social and economic costs. In this sense, non-destructive methods (e.g., ground penetrating radar - GPR) may be a constructive response to these problems, since they allow, as evidenced in this thesis, to ascertain paths of pipes, identify component characteristics, and detect primordial water leaks. Selection of GPR in this work is justified by its characteristics as non-destructive technique that allows studying both metallic and non-metallic objects. Although the capture of information with GPR is usually successful, such aspects as the capture settings, the large volume of generated information, and the use and interpretation of such information require high level of skill and experience. This dissertation may be seen as a step forward towards the development of tools able to tackle the problem of lack of knowledge on the WSS buried assets. The main objective of this doctoral work is thus to generate tools and assess their feasibility of application to the characterization of components of WSSs from GPR images. In this work we have carried out laboratory tests specifically designed to propose, develop and evaluate methods for the characterization of the WSS buried components. Additionally, we have conducted field tests, which have enabled us to determine the feasibility of implementing such methodologies under uncontrolled conditions. The methodologies developed are based on techniques of intelligent data analysis. The basic principle of this work has involved the processing of data obtained through the GPR to look for useful information about WSS components, with special emphasis on the pipes. After performing numerous activities, one can conclude that, using GPR images, it is feasible to obtain more information than the typical identification of hyperbolae currently performed. In addition, this information can be observed directly, e.g. more simply, using the methodologies proposed in this doctoral work. These methodologies also prove that it is feasible to identify patterns (especially with the preprocessing algorithm termed Agent race) that provide fairly good approximation of the location of leaks in WSSs. Also, in the case of pipes, one can obtain such other characteristics as diameter and material. The main outcomes of this thesis consist in a series of tools we have developed to locate, identify and visualize WSS components from GPR images. Most interestingly, the data are synthesized and reduced so that the characteristics of the different components of the images recorded in GPR are preserved. The ultimate goal is that the developed tools facilitate decision-making in the technical management of WSSs, and that such tools can even be operated by personnel with limited experience in handling non-destructive methodologies, specifically GPR. / [ES] Con el paso del tiempo, y debido a múltiples actividades operacionales y de mantenimiento, las redes de los sistemas de abastecimiento de agua (SAAs) sufren intervenciones, modificaciones o incluso, son clausuradas, sin que, en muchos casos, estas actividades sean correctamente registradas. El conocimiento de los trazados y características (estado y edad, entre otros) de las tuberías en los SAAs es obviamente necesario para una gestión eficiente y dinámica de tales sistemas. A esta problemática se suma la detección y el control de las fugas de agua. El acceso a información fiable sobre las fugas es una tarea compleja. En muchos casos, las fugas son detectadas cuando los daños en la red son ya considerables, lo que trae consigo altos costes sociales y económicos. En este sentido, los métodos no destructivos (por ejemplo, ground penetrating radar - GPR), pueden ser una respuesta a estas problemáticas, ya que permiten, como se pone de manifiesto en esta tesis, localizar los trazados de las tuberías, identificar características de los componentes y detectar las fugas de agua cuando aún no son significativas. La selección del GPR, en este trabajo se justifica por sus características como técnica no destructiva, que permite estudiar tanto objetos metálicos como no metálicos. Aunque la captura de información con GPR suele ser exitosa, la configuración de la captura, el gran volumen de información, y el uso y la interpretación de la información requieren de alto nivel de habilidad y experiencia por parte del personal. Esta tesis doctoral se plantea como un avance hacia el desarrollo de herramientas que permitan responder a la problemática del desconocimiento de los activos enterrados de los SAAs. El objetivo principal de este trabajo doctoral es, pues, generar herramientas y evaluar la viabilidad de su aplicación en la caracterización de componentes de un SAA, a partir de imágenes GPR. En este trabajo hemos realizado ensayos de laboratorio específicamente diseñados para plantear, elaborar y evaluar metodologías para la caracterización de los componentes enterrados de los SAAs. Adicionalmente, hemos realizado ensayos de campo, que han permitido determinar la viabilidad de aplicación de tales metodologías bajo condiciones no controladas. Las metodologías elaboradas están basadas en técnicas de análisis inteligentes de datos. El principio básico de este trabajo ha consistido en el tratamiento adecuado de los datos obtenidos mediante el GPR, a fin de buscar información de utilidad para los SAAs respecto a sus componentes, con especial énfasis en las tuberías. Tras la realización de múltiples actividades, se puede concluir que es viable obtener más información de las imágenes de GPR que la que actualmente se obtiene con la típica identificación de hipérbolas. Esta información, además, puede ser observada directamente, de manera más sencilla, mediante las metodologías planteadas en este trabajo doctoral. Con estas metodologías se ha probado que también es viable la identificación de patrones (especialmente el pre-procesado con el algoritmo Agent race) que proporcionan aproximación bastante acertada de la localización de las fugas de agua en los SAAs. También, en el caso de las tuberías, se puede obtener otro tipo de características tales como el diámetro y el material. Como resultado de esta tesis se han desarrollado una serie de herramientas que permiten visualizar, identificar y localizar componentes de los SAAs a partir de imágenes de GPR. El resultado más interesante es que los resultados obtenidos son sintetizados y reducidos de manera que preservan las características de los diferentes componentes registrados en las imágenes de GPR. El objetivo último es que las herramientas desarrolladas faciliten la toma de decisiones en la gestión técnica de los SAAs y que tales herramientas puedan ser operadas incluso por personal con una experiencia limitada en el manejo / [CA] Amb el temps, a causa de les múltiples activitats d'operació i manteniment, les xarxes de sistemes d'abastament d'aigua (SAAs) se sotmeten a intervencions, modificacions o fins i tot estan tancades. En molts casos, aquestes activitats no estan degudament registrats. El coneixement dels camins i característiques (estat i edat, etc.) de les canonades d'aigua i sanejament fa evident la necessitat d'una gestió eficient i dinàmica d'aquests sistemes. Aquest problema es veu augmentat en gran mesura tenint en compte la detecció i control de fuites. L'accés a informació fiable sobre les fuites és una tasca complexa. En molts casos, les fugues es detecten quan el dany ja és considerable, el que porta costos socials i econòmics. En aquest sentit, els mètodes no destructius (per exemple, ground penetrating radar - GPR) poden ser una resposta constructiva a aquests problemes, ja que permeten, com s'evidencia en aquesta tesi, per determinar rutes de canonades, identificar les característiques dels components, i detectar les fuites d'aigua quan encara no són significatives. La selecció del GPR en aquest treball es justifica per les seves característiques com a tècnica no destructiva que permet estudiar tant objectes metàl·lics i no metàl·lics. Tot i que la captura d'informació amb GPR sol ser reeixida, aspectes com ara la configuració de captura, el gran volum d'informació que es genera, i l'ús i la interpretació d'aquesta informació requereix alt nivell d'habilitat i experiència. Aquesta tesi pot ser vista com un pas endavant cap al desenvolupament d'eines capaces d'abordar el problema de la manca de coneixement sobre els actius d'aigua i sanejament enterrat. L'objectiu principal d'aquest treball doctoral és, doncs, generar eines i avaluar la seva factibilitat d'aplicació a la caracterització dels components de los SAAs, a partir d'imatges GPR. En aquest treball s'han dut a terme proves de laboratori específicament dissenyats per proposar, desenvolupar i avaluar mètodes per a la caracterització dels components d'aigua i sanejament soterrat. A més, hem dut a terme proves de camp, que ens han permès determinar la viabilitat de la implementació d'aquestes metodologies en condicions no controlades. Les metodologies desenvolupades es basen en tècniques d'anàlisi intel·ligent de dades. El principi bàsic d'aquest treball ha consistit en el tractament de dades obtingudes a través del GPR per buscar informació útil sobre els components d'SAA, amb especial èmfasi en la canonades. Després de realitzar nombroses activitats, es pot concloure que, amb l'ús d'imatges de GPR, és factible obtenir més informació que la identificació típica d'hipèrboles realitzat actualment. A més, aquesta informació pot ser observada directament, per exemple, més simplement, utilitzant les metodologies proposades en aquest treball doctoral. Aquestes metodologies també demostren que és factible per identificar patrons (especialment el pre-processat amb l'algoritme Agent race) que proporcionen bastant bona aproximació de la localització de fuites en SAAs. També, en el cas de tubs, es pot obtenir altres característiques com ara el diàmetre i el material. Els principals resultats d'aquesta tesi consisteixen en una sèrie d'eines que hem desenvolupat per localitzar, identificar i visualitzar els components dels SAAS a partir d'imatges GPR. El resultat més interessant és que els resultats obtinguts són sintetitzats i reduïts de manera que preserven les característiques dels diferents components registrats en les imatges de GPR. L'objectiu final és que les eines desenvolupades faciliten la presa de decisions en la gestió tècnica de SAA, i que tals eines poden fins i tot ser operades per personal amb poca experiència en el maneig de metodologies no destructives, específicament GPR. / Ayala Cabrera, D. (2015). Characterization of components of water supply systems from GPR images and tools of intelligent data analysis [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/59235 / TESIS / Premios Extraordinarios de tesis doctorales