Cette étude concerne l’optimisation multiobjectif de réseaux d’eau industriels via des techniques de programmation mathématique. Dans ce travail, un large éventail de cas est traité afin de proposer des solutions aux problèmes de réseaux les plus variés. Ainsi, les réseaux d’eau monopolluants sont abordés grâce à une programmation mathématique linéaire (MILP). Cette méthode est ensuite utilisée dans le cadre d’une prise en compte simultanée des réseaux d’eau et de chaleur. Lorsque le réseau fait intervenir plusieurs polluants, le problème doit être programmé de façon non linéaire (MINLP). L’optimisation multicritère de chaque réseau est basée sur la stratégie epsilon-contrainte développée à partir d’une méthode lexicographique. L’optimisation multiobjectif suivie d’une réflexion d’aide à la décision a permis d’améliorer les résultats antérieurs proposés dans la littérature de 2 à 10% en termes de consommation de coût et de 7 à 15% en ce qui concerne la dépense énergétique. Cette méthodologie est étendue à l’optimisation de parcs éco-industriels et permet ainsi d’opter pour une solution écologique et économique parmi un ensemble de configurations proposées. / This study presents a multiobjective optimization of industrial water networks through mathematical programming procedures. A large range of various examples are processed to propose several feasible solutions. An industrial network is composed of fixed numbers of process units and regenerations and contaminants. These units are characterized by a priori defined values: maximal inlet and outlet contaminant concentrations. The aim is both to determine which water flows circulate between units and to allocate them while several objectives are optimized. Fresh water flow-rate (F1), regenerated water flow-rate (F2),interconnexions number (F3), energy consumption (F4) and the number of heat exchangers (F5) are all minimized. This multiobjective optimization is based upon the epsilon-constraint strategy, which is developed from a lexicographic method that leads to Pareto fronts. Monocontaminant networks are addressed with a mixed linear mathematical programming (Mixed Integer Linear Programming, MILP) model, using an original formulation based on partial water flow-rates. The obtained results we obtained are in good agreement with the literature data and lead to the validation of the method. The set of potential network solutions is provided in the form of a Pareto front. An innovative strategy based on the GEC (global equivalent cost) leads to the choice of one network among these solutions and turns out to be more efficient for choosing a good network according to a practical point of view. If the industrial network deals with several contaminants, the formulation changes from MILP into MINLP (Mixed Integer Non Linear Programming). Thanks to the same strategy used for the monocontaminant problem, the networks obtained are topologically simpler than literature data and have the advantage of not involving very low flow-rates. A MILP model is performed in order to optimize heat and water networks. Among several examples, a real case of a paper mill plant is studied. This work leads to a significant improvement of previous solutions between 2 to 10% and 7 to 15% for cost and energy consumptions respectively. The methodology is then extended to the optimization of eco-industrial parks. Several configurations are studied regarding the place of regeneration units in the symbiosis. The best network is obtained when the regeneration is owned by each industry of the park and allows again of about 13% for each company. Finally, when heat is combined to water in the network of the ecopark, a gain of 11% is obtained compared to the case where the companies are considered individually.

[ES] La vulnerabilidad de los sistemas denominados de infraestructura crítica (IC), entre ellos los sistemas de distribución de agua potable (SDAP), ha sido uno de los temas de investigación de gran relevancia durante las últimas décadas, particularmente enmarcado en un contexto de peligro y/o amenaza. En general, los sistemas de IC proveen servicios esenciales para la sociedad actual. La seguridad, el crecimiento económico y el bienestar social de un país pueden verse comprometidos cuando alguno de esos sistemas es dañado, deshabilitado o interrumpido en su funcionamiento. Además de los accidentes y fallos característicos de los SDAPs, ciertos peligros y amenazas extraordinarios, tales como desastres naturales o actos relacionados con violencia a diferentes niveles, han generado un interés creciente entre gestores, tomadores de decisiones, ingenieros y la sociedad en general. El abastecimiento de agua potable es uno de los servicios fundamentales para el desarrollo de una ciudad y la calidad de vida de los ciudadanos. Sin embargo, un SDAP tiene propiedades que lo hacen especialmente vulnerable en comparación con otros sistemas. La interrupción total o parcial del suministro de agua por un período de tiempo, causa graves efectos en los usuarios y en el resto de sistemas que dependen de él. Debido a su importancia como infraestructuras, los SDAPs han sido un objetivo especialmente atrayente para ataques maliciosos, específicamente, posibles eventos de contaminación intencional. Este tipo de sucesos ha puesto de manifiesto las debilidades de estos sistemas y la necesidad de establecer medidas de prevención y mitigación que mejoren su seguridad, evitando que la salud de los usuarios sea afectada. En la literatura se pueden encontrar diversos métodos para evaluar, prevenir y mitigar aspectos asociados a la vulnerabilidad de las ICs. Entre ellos se encuentra el enfoque de la teoría de redes complejas, basada en las técnicas de la teoría de grafos, que ha sido ampliamente utilizado, entre otros fines, para obtener parámetros relacionados con la estructura y conectividad de los elementos de una IC, para identificar los elementos más importantes, y para analizar el impacto en el funcionamiento del sistema debido a la eliminación de uno o más elementos. Investigaciones recientes han demostrado la validez de estas técnicas para la evaluación de la vulnerabilidad de redes de diversa clase y, particularmente, de las redes de distribución de agua (RDAs). Mediante la abstracción de la RDA a un grafo con características especiales (donde los arcos son las líneas hidráulicas y los vértices son los puntos de consumo) es posible cuantificar sus atributos estructurales, facilitando su análisis a un nivel de detalle más preciso, incluida la división en sectores. Esta tesis doctoral surge de la motivación de abordar este tema y de enfocarlo en la identificación y prevención de eventos de fallo en la calidad del agua. El estudio se centra en el análisis de la RDA que, por la ordenación y exposición de los diferentes elementos que la componen, es la parte más vulnerable de todo el sistema. Bajo el marco conceptual de la teoría de redes, se cuantifican atributos como la robustez y redundancia de la estructura de la RDA. Además, se utiliza el algoritmo evolutivo multiagente Agent Swarm Optimization (ASO) para identificar los lugares óptimos para ubicar sensores de monitorización de la calidad del agua, como una medida de vigilancia preventiva de cara a un evento de contaminación intencional o accidental. Al medir continuamente parámetros de la calidad del agua, entre ellos la conductividad, el pH, la concentración de diferentes sustancias y otros parámetros relacionados, directamente desde la red, una red adecuada de estos sensores ayudará a las empresas de distribución de agua a detectar la intrusión de contaminantes y a evaluar los problemas de calidad en sus redes. Decidir dónde colocar los sensores en la red y cuántos de ellos deben colocarse es un problema difícil de enfrentar, debido a la naturaleza de los objetivos que implica. Los objetivos contemplados en este trabajo son: el tiempo de detección, el volumen de agua contaminada consumida, el fallo de detección y los costes de implementación. Esta tesis presenta una forma de resolver el problema mencionado mediante la hibridación de la teoría de redes y el enfoque multiobjetivo del algoritmo ASO. Finalmente, la contribución principal de esta tesis es una metodología que ayude a las empresas de agua a establecer redes de monitoreo para detectar y estimar con rapidez posibles fallos en la calidad del agua, y que dé soporte a la toma de decisiones y a la mejora de la seguridad. Para demostrar el funcionamiento de la metodología propuesta, se presenta un caso de estudio referido a una red real, con el que se demuestran las posibilidades del acoplamiento de las técnicas propuestas. El resultado es un conjunto de posibles redes de sensores de calidad del agua, obtenido mediante un estudio a priori basado en el preproceso desarrollado a partir de la teoría de redes. Este conjunto es, posteriormente, ampliado y optimizado bajo el enfoque multiobjetivo de ASO, de modo que presente una cantidad suficiente de soluciones no dominadas de la frontera de Pareto del problema multiobjetivo estudiado. El fin último es dotar a los gestores del abastecimiento de una herramienta para seleccionar, mediante una toma de decisiones adecuada, aquella solución que mejor satisfaga, no solo lo requerimientos técnicos y económicos, sino otros menos objetivables que puedan existir. / [CA] La vulnerabilitat dels anomenats sistemes d'infraestructura crítica (IC), inclosos els sistemes de distribució d'aigua potable (SDAP), ha estat un dels temes de recerca altament rellevants de les darreres dècades, especialment emmarcat en un context de perill i/o amenaça. En general, els sistemes IC ofereixen serveis essencials per a la societat actual. La seguretat, el creixement econòmic i el benestar social d'un país es poden comprometre quan algun d'aquests sistemes es danya, es desactiva o s'interromp en el seu funcionament. A més dels accidents i falles característics dels SDAPs, certs perills i amenaces extraordinaris, com ara desastres naturals o actes relacionats amb la violència a diferents nivells, han generat un interès creixent entre els administradors, els responsables de la presa de decisions, els enginyers i la societat en general. El abastiment d'aigua potable és un dels serveis fonamentals per al desenvolupament d'una ciutat i la qualitat de vida dels ciutadans. No obstant això, un SDAP té propietats que el fan especialment vulnerable en comparació amb altres sistemes. La interrupció total o parcial de l'abastiment d'aigua durant un període de temps provoca greus efectes en els usuaris i en la resta de sistemes que en depenen. A causa de la seva importància com a infraestructures, els SDAPs han estat un objectiu especialment atractiu per a atacs maliciosos, específicament possibles esdeveniments de contaminació intencionals. Aquest tipus d'esdeveniments han posat de manifest les debilitats d'aquests sistemes i la necessitat d'establir mesures de prevenció i mitigació que millorin la seva seguretat, evitant que es vegi afectada la salut dels usuaris. Es poden trobar diversos mètodes a la literatura per avaluar, prevenir i mitigar aspectes associats a la vulnerabilitat de les ICs. Entre ells es troba l'enfocament complex de la teoria de xarxes, basat en les tècniques de la teoria de grafs, que s'ha utilitzat àmpliament, entre altres finalitats, per obtenir paràmetres relacionats amb l'estructura i la connectivitat dels elements d'una IC, per identificar-ne els elements més crítics, i analitzar l'impacte en el funcionament del sistema a causa de l'eliminació d'un o més elements. Investigacions recents han demostrat la validesa d'aquestes tècniques per avaluar la vulnerabilitat de xarxes de diversos tipus i, en particular, de xarxes de distribució d'aigua (XDAs). Abstraient la XDA a un gràfic amb característiques especials (on els arcs són les línies hidràuliques i els vèrtexs són els punts de consum) és possible quantificar-ne els atributs estructurals, facilitant les anàlisis a un nivell de detall més precís, inclosa la divisió en sectors. Aquesta tesi doctoral sorgeix de la motivació per abordar aquesta qüestió i centrar-se en la identificació i prevenció d'esdeveniments de fallida en la qualitat de l'aigua. L'estudi se centra en l'anàlisi de la XDA que, a causa de la disposició i exposició dels diferents elements que el componen, és la part més vulnerable de tot el sistema. Sota el marc conceptual de la teoria de xarxes, es quantifiquen atributs com la robustesa i la redundància de l'estructura de la XDA. A més, s'utilitza l'algorisme evolutiu multi-agent Agent Swarm Optimization (ASO) per identificar els llocs òptims per localitzar els sensors de control de la qualitat de l'aigua, com a mesura de vigilància preventiva davant d'un esdeveniment de contaminació intencional o accidental. Mesurant contínuament els paràmetres de qualitat de l'aigua, inclosa la conductivitat, el pH, la concentració de diferents substàncies i altres paràmetres relacionats, directament des de la xarxa, una xarxa adequada d'aquests sensors ajudarà les empreses de distribució d'aigua a detectar la intrusió de contaminants i avaluar els problemes de qualitat a les seves xarxes. Decidir on col·locar els sensors a la xarxa i quants d'ells s'hauria de col·locar és un problema difícil d’afrontar, a causa de la naturalesa dels objectius implicats. Els objectius considerats en aquest treball són: temps de detecció, volum d’aigua contaminada consumida, fallada de detecció i costos d’implementació. Aquesta tesi presenta una manera de resoldre el problema esmentat mitjançant la hibridació de la teoria de xarxes i l'enfocament multiobjectiu de l'algorisme ASO. Finalment, la principal contribució d’aquesta tesi és una metodologia destinada a ajudar les empreses d’aigua a establir xarxes de control per detectar i estimar ràpidament possibles fallades en la qualitat de l’aigua, i donar suport a la presa de decisions i la millora de la seguretat de l’aigua. Per demostrar el funcionament de la metodologia proposada, es presenta un cas d’estudi relacionat amb una xarxa real, amb la qual es demostren les possibilitats d'acoblament de les tècniques proposades. / [EN] The vulnerability of so-called critical infrastructure (CI) systems, including water distribution systems (WDSs), has been one of the highly relevant research topics in recent decades, particularly framed in a context of danger and/or threat. In general, CI systems provide essential services for today's society. The security, economic growth and social welfare of a country can be compromised when any of these systems is damaged, disabled or interrupted in its operation. In addition to the accidents and failures characteristic of WDSs, certain extraordinary dangers and threats, such as natural disasters or acts related to violence at different levels, have generated a growing interest among managers, decision makers, engineers and the society in general. The supply of drinking water is one of the fundamental services for the development of a city and the quality of life of citizens. However, a WDS has properties that make it especially vulnerable compared to other systems. The total or partial interruption of the water supply for a period of time, causes serious effects on the users and on the rest of the systems that depend on it. Due to their importance as infrastructures, WDSs have been an especially attractive target for malicious attacks, specifically potential intentional contamination events. This type of event has revealed the weaknesses of these systems and the need to establish prevention and mitigation measures that improve their safety, preventing the health of users from being affected. Various methods can be found in the literature to assess, prevent and mitigate aspects associated with the vulnerability of CIs. The complex network theory approach, based on the techniques of graph theory, is one of them. This approach has been widely used, among other purposes, to obtain parameters related to the structure and connectivity of the elements of an IC, to identify its most critical elements, and to analyze the impact on the operation of the system due to the elimination of one or more elements. Recent research has demonstrated the validity of these techniques for assessing the vulnerability of networks of various kinds and, particularly, of water distribution networks (WDNs). By abstracting the WDN to a graph with special characteristics (where the arcs are the hydraulic lines and the vertices are the consumption points) it is possible to quantify its structural attributes, facilitating analyses at a more precise level of detail, including the division into district metered areas. This doctoral thesis arises from the motivation to address this issue and to focus on the identification and prevention of failure events in water quality. The study focuses on the analysis of the WDN, which, due to the arrangement and exposure of the different elements integrating it, is the most vulnerable part of the entire system. Under the conceptual framework of the network theory, attributes such as robustness and redundancy of the WDN structure are quantified. In addition, the evolutionary multi-agent Agent Swarm Optimization (ASO) algorithm is used to identify optimal places to locate water quality monitoring sensors, as a preventive surveillance measure to face any accidental or intentional contamination event. By continuously measuring water quality parameters, including conductivity, pH, concentration of different substances and other related parameters, directly from the network, a suitable network of these quality sensors will help water distribution companies detect the intrusion of pollutants and assess quality problems in their networks. Deciding where to place the sensors on the network and how many of them should be placed is a difficult problem to face, due to the nature of the objectives involved. The objectives considered in this work are: detection time, volume of consumed contaminated water, detection failure and implementation costs. This thesis presents a way to solve the aforementioned problem through the hybridization of the network theory and the multi-objective approach of the ASO algorithm. With the graph theory, an approach to the search for possible solutions is sought, thus reducing the search space. With the ASO multi-objective evolutionary algorithm, instead of a unique specific solution, the idea is to find a wide range of solutions that represent the best tradeoff among all the objectives considered in the problem. Finally, the main contribution of this thesis is a methodology intended to help water companies to set monitoring networks to quickly detect and estimate possible failures in water quality, and to support decision-making and improvement of water safety. To demonstrate the operation of the proposed methodology, a case study related to a real-world network is presented, with which the possibilities of coupling the proposed techniques are demonstrated. The result is a set of water quality sensor networks, obtained through an a priori study based on the pre-process developed from the network theory. This set is later expanded and optimized under the ASO multi-objective approach, so that it presents a sufficient number of non-dominated solutions of the Pareto front of the studied multi-objective problem. The ultimate goal is to provide supply managers with a tool to select, through appropriate decision-making, the solution that best satisfies, not only technical and economic requirements, but also other less objective objectives that may exist. / Gutiérrez Pérez, JA. (2021). Monitorización, detección y estimación de estados de fallo en la calidad del agua de redes de distribución urbanas [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/169363

Dans le contexte de la modélisation aléatoire des événements récurrents, un modèle statistique particulier est exploré. Ce modèle est fondé sur la théorie des processus de comptage et est construit dans le cadre d'analyse de défaillances dans les réseaux d'eau. Dans ce domaine nous disposons de données sur de nombreux systèmes observés durant une certaine période de temps. Les systèmes étant posés à des instants différents, leur âge est utilisé en tant qu'échelle temporelle dans la modélisation. Le modèle tient compte de l'historique incomplet d'événements, du vieillissement des systèmes, de l'impact négatif des défaillances précédentes sur l'état des systèmes et des covariables. Le modèle est positionné parmi d'autres approches visant à l'analyse d'événements récurrents utilisées en biostatistique et en fiabilité. Les paramètres du modèle sont estimés par la méthode du Maximum de Vraisemblance (MV). Une covariable dépendante du temps est intégrée au modèle. Il est supposé qu'elle est extérieure au processus de défaillance et constante par morceaux. Des méthodes heuristiques sont proposées afin de tenir compte de cette covariable lorsqu'elle n'est pas observée. Des méthodes de simulation de données artificielles et des estimations en présence de la covariable temporelle sont proposées. Les propriétés de l'estimateur (la normalité, le biais, la variance) sont étudiées empiriquement par la méthode de Monte Carlo. L'accent est mis sur la présence de deux directions asymptotiques : asymptotique en nombre de systèmes n et asymptotique en durée d'observation T. Le comportement asymptotique de l'estimateur MV constaté empiriquement est conforme aux résultats théoriques classiques. Il s'agit de l'asymptotique en n. Le comportement T-asymptotique constaté empiriquement n'est pas classique. L'analyse montre également que les deux directions asymptotiques n et T peuvent être combinées en une unique direction : le nombre d'événements observés. Cela concerne les paramètres classiques du modèle (les coefficients associés aux covariables fixes et le paramètre caractérisant le vieillissement des systèmes). Ce n'est en revanche pas le cas pour le coefficient associé à la covariable temporelle et pour le paramètre caractérisant l'impact négatif des défaillances précédentes sur le comportement futur du système. La méthodologie développée est appliquée à l'analyse des défaillances des réseaux d'eau. L'influence des variations climatiques sur l'intensité de défaillance est prise en compte par une covariable dépendante du temps. Les résultats montrent globalement une amélioration des prédictions du comportement futur du processus lorsque la covariable temporelle est incluse dans le modèle. / In the context of stochastic modeling of recurrent events, a particular model is explored. This model is based on the counting process theory and is built to analyze failures in water distribution networks. In this domain the data on a large number of systems observed during a certain time period are available. Since the systems are installed at different dates, their age is used as a time scale in modeling. The model accounts for incomplete event history, aging of systems, negative impact of previous failures on the state of systems and for covariates.The model is situated among other approaches to analyze the recurrent events, used in biostatistics and in reliability. The model parameters are estimated by the Maximum Likelihood method (ML). A method to integrate a time-dependent covariate into the model is developed. The time-dependent covariate is assumed to be external to the failure process and to be piecewise constant. Heuristic methods are proposed to account for influence of this covariate when it is not observed. Methods for data simulation and for estimations in presence of the time-dependent covariate are proposed. A Monte Carlo study is carried out to empirically assess the ML estimator's properties (normality, bias, variance). The study is focused on the doubly-asymptotic nature of data: asymptotic in terms of the number of systems n and in terms of the duration of observation T. The asymptotic behavior of the ML estimator, assessed empirically agrees with the classical theoretical results for n-asymptotic behavior. The T-asymptotics appears to be less typical. It is also revealed that the two asymptotic directions, n and T can be combined into one unique direction: the number of observed events. This concerns the classical model parameters (the coefficients associated to fixed covariates, the parameter characterizing aging of systems). The presence of one unique asymptotic direction is not obvious for the time-dependent covariate coefficient and for a parameter characterizing the negative impact of previous events on the future behavior of a system.The developed methodology is applied to the analysis of failures of water networks. The influence of climatic variations on failure intensity is assessed by a time-dependent covariate. The results show a global improvement in predictions of future behavior of the process when the time-dependent covariate is included into the model.

Made available in DSpace on 2016-06-02T20:00:39Z (GMT). No. of bitstreams: 1 3900.pdf: 2149219 bytes, checksum: 34e2752b06387ea35399dd61895405dd (MD5) Previous issue date: 2011-10-22 / The governing manegement bodies of sanation in Brazil are looking for development, mostly about infrastructure tecnology. Controling and manegement of water supply and sewage, witch are part of governing sanitation , usualy are tasks of the same body in the city, and the optimization of these services have been much discussed latly, since the informations number is big enought and its right use is excential for taking effective decisions, and consequently, saving time and money. The GIS Geographic Information System - tecnology has been used in several segments since some a time.And about sanitation is the same because mostly of the contries goverment bodies have showed already convincing results that the investments in that tecnology brings advantages with integration of the data in a smart way and easy handling but the GIS Geographic Information System - uses is not common in small cities. The target of this work is to find out, using defined parameters with field researching, the GIS Geographic Information System - uses at the manegement bodies from Araçatuba/Bauru-SP, about its utilization advantages and if there were difficulties and wich, the principal reasons of its not use and tendencies for the future. / Os órgãos gestores de saneamento no Brasil estão em busca de desenvolvimento, principalmente em termos de infraestrutura e tecnologia. O controle e o gerenciamento das redes de água e esgoto, que são partes do saneamento básico, geralmente são tarefas do mesmo órgão em uma cidade, e uma otimização nesses serviços vem sendo um assunto muito discutido, no qual o número de informações é grande e o uso correto destas é essencial para uma tomada de decisões eficazes e conseqüentemente economizar tempo e dinheiro. A tecnologia SIG Sistema de Informações Geográficas - já está sendo utilizada em diversos segmentos há algum tempo e em saneamento não é diferente, pois a maioria dos grandes órgãos gestores do país já apresenta resultados convincentes de que o investimento nessa tecnologia traz vantagens com a integração dos dados de uma forma inteligente e fácil manuseio, porém o uso de SIG ainda não é muito comum, principalmente em cidades menores de 30 mil habitantes. O objetivo deste trabalho é diagnosticar através de parâmetros definidos com pesquisas de campo, o uso do SIG Sistema de Informações Geográficas nos órgãos gestores das mesorregiões de Araçatuba/Bauru - SP, quanto a sua utilização, vantagens adquiridas, se houve dificuldades e quais foram estas, os principais motivos da ainda não utilização e as tendências de uso desta tecnologia no futuro do objeto de estudo.

This document aims on presentation of energy audit of water networks. Its focus is to introduce the method of solving the energy audit of water networks. It characterizes the water networks performance using context and efficiency indicators. It consists of theoretical description of mathematical approach to the problem. It describes different kinds of energies participating in water distribution process and also presents energy indicators which describe energetic efficiency of water networks. Last but not least it shows the possibilities of accomplishment the energy audit of water network on numerical example. Then we can find the assessment of each of indicators and kinds of energies. Context indicators describe topography of water network and efficiency indicators show how efficient in terms of using input energy is the behavior of the water networks. The case application of the approach of solving energy audit of water networks as well as indicators assessment can be found in the last part of the thesis. This thesis brings basic overview of the approach to the solution of energy audit of water networks. May it help the future application of the energy audit of water networks in the Czech Republic.