Access to clean drinking water is crucial worldwide. Throughout history, various methods of
distribution have been developed to ensure that people have access to good quality water. Nowadays, there are various risks associated with water contamination, including those caused intentionally and unintentionally. Responding to such incidents typically involves manual decisionmaking processes, emphasizing the need for automated strategies.
This thesis introduces a novel approach employing Mixed Integer Nonlinear Programming
(MINLP) to optimize isolation strategies and flushing methods within water distribution systems
(WDSs). By integrating mass conservation and energy conversion equations, coupled with
Hazen-Williams equation for pressure drop calculations, the proposed model aims to minimize
contamination risks arising from various sources, including natural disasters and cyber-attacks.
The methodology undergoes validation and implementation through simulated benchmark
scenarios to ensure its effectiveness and precision. Subsequently, real-world contamination
scenarios are addressed within a practical testing environment (Testbed). Automation within
the Testbed is achieved through the integration of software on a PC with Programmable Logic
Controllers (PLCs).
Moreover, the study presents a comprehensive analysis of valve manipulation to mitigate
contamination risks, alongside a comparison against scenarios without intervention. By automating response decisions and operational processes, the methodology showcases promising
results in effectively managing contamination incidents within WDSs, thus offering a significant
contribution to water system resilience and security. / El acceso al agua potable es crucial en todo el mundo. A lo largo de la historia, se han desarrollado diversos métodos de distribución para garantizar que las personas tengan acceso a agua
de buena calidad. Hoy en día, existen diversos riesgos asociados a la contaminación del agua,
incluidos los causados intencionada y no intencionadamente. La respuesta a estos incidentes
suele implicar procesos manuales de toma de decisiones, lo que pone de relieve la necesidad de
estrategias automatizadas.
Esta tesis introduce un enfoque novedoso que emplea la programación no lineal entera mixta
(MINLP) para optimizar las estrategias de aislamiento y los métodos de lavado en los sistemas
de distribución de agua (WDS). Mediante la integración de las ecuaciones de conservación
de masa y conversión de energía, junto con la ecuación de Hazen-Williams para los cálculos
de caída de presión, el modelo propuesto pretende minimizar los riesgos de contaminación
derivados de diversas fuentes, incluidos los desastres naturales y los ciberataques.
La metodología se somete a validación y aplicación mediante escenarios de referencia simulados para garantizar su eficacia y precisión. Posteriormente, los escenarios de contaminación
del mundo real se abordan en un entorno de pruebas práctico (Testbed). La automatización
dentro del banco de pruebas se consigue mediante la integración de software en un PC con
controladores lógicos programables (PLC).
Además, el estudio presenta un análisis exhaustivo de la manipulación de válvulas para
mitigar los riesgos de contaminación, junto con una comparación con escenarios sin intervención. Mediante la automatización de las decisiones de respuesta y los procesos operativos, la
metodología muestra resultados prometedores en la gestión eficaz de incidentes de contaminación dentro de los WDS, ofreciendo así una contribución significativa a la resiliencia y la
seguridad del sistema de agua. / Der Zugang zu sauberem Trinkwasser ist weltweit von entscheidender Bedeutung. Im Laufe
der Geschichte wurden verschiedene Verteilungsmethoden entwickelt, um sicherzustellen, dass
die Menschen Zugang zu Wasser guter Qualität haben. Heutzutage gibt es verschiedene Risiken
im Zusammenhang mit der Verunreinigung von Wasser, einschließlich absichtlich oder unabsichtlich verursachter Risiken. Die Reaktion auf solche Vorfälle erfordert in der Regel manuelle
Entscheidungsprozesse, was den Bedarf an automatisierten Strategien unterstreicht.
In dieser Arbeit wird ein neuartiger Ansatz unter Verwendung der gemischt-ganzzahligen
nichtlinearen Programmierung (MINLP) zur Optimierung von Isolationsstrategien und Spülmethoden in Wasserverteilungssystemen (WDS) vorgestellt. Durch die Integration von Gleichungen zur Massenerhaltung und Energieumwandlung, gekoppelt mit der Hazen-WilliamsGleichung für Druckverlustberechnungen, zielt das vorgeschlagene Modell darauf ab, Kontaminationsrisiken zu minimieren, die aus verschiedenen Quellen stammen, einschließlich Naturkatastrophen und Cyberangriffen.
Die Methode wird durch simulierte Benchmark-Szenarien validiert und implementiert, um
ihre Wirksamkeit und Präzision zu gewährleisten. Anschließend werden reale Kontaminationsszenarien in einer praktischen Testumgebung (Testbed) untersucht. Die Automatisierung innerhalb des Testbeds wird durch die Integration von Software auf einem PC mit speicherprogrammierbaren Steuerungen (PLCs) erreicht.
Darüber hinaus enthält die Studie eine umfassende Analyse von Ventilmanipulationen zur
Minderung von Kontaminationsrisiken sowie einen Vergleich mit Szenarien ohne Eingriffe.
Durch die Automatisierung von Reaktionsentscheidungen und Betriebsprozessen zeigt die Methodik
vielversprechende Ergebnisse bei der effektiven Bewältigung von Kontaminationsvorfällen in
Wasseraufbereitungsanlagen und leistet damit einen wichtigen Beitrag zur Widerstandsfähigkeit
und Sicherheit von Wassersystemen.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:PUCP/oai:tesis.pucp.edu.pe:20.500.12404/29474 |
| Date | 20 November 2024 |
| Creators | Flores Juárez, Patricio José |
| Contributors | Sotomayor Moriano, Javier, Reger, Johann |
| Publisher | Pontificia Universidad Católica del Perú, PE |
| Source Sets | Pontificia Universidad Católica del Perú |
| Language | English |
| Detected Language | Spanish |
| Type | info:eu-repo/semantics/masterThesis |
| Format | application/pdf, application/pdf |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess, Atribución-NoComercial-CompartirIgual 2.5 Perú, http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/2.5/pe/ |
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