Development of a Leak Detection and Localization System Based on Parametric Models
| dc.contributor.author | MEFTAH Sabir | |
| dc.date.accessioned | 2025-06-10T08:08:21Z | |
| dc.date.available | 2025-06-10T08:08:21Z | |
| dc.date.issued | 2025 | |
| dc.description | في صلب هذه الأطروحة، تم تطوير ثلاث منهجيات لمعالجة تسربات المياه في شبكات توزيع المياه (WDNs). الأولى تعتمد على تطوير وعرض نموذج رياضي لتحديد مواقع التسرب. يستند هذا النموذج إلى قوانين ميكانيكا الموائع. هناك معلمان أساسيان لا يمكن حسابهما مباشرة، لذا يجب تحسينهما باستخدام طريقة ميتاهيورستية تطورية، وهي طريقة تحسين تعتمد على الجغرافيا الحيوية (BBO) التي تتضمن ثلاث مراحل رئيسية )الهجرة، الطفرة، والمرحلة الاختيارية وهي النخبة(. بعد الحصول على القيم المجهولة للمعلمين عبر التحسين، وباستخدام الخصائص الفيزيائية لأنبوب النقل )الطول، القطر، إلخ( وقياسات التدفق عند طرفي الأنبوب، يمكن تحديد الموقع الدقيق للتسرب . مع تطور التكنولوجيا والانتقال من العالم التناظري إلى العالم الرقمي، واستغلال وظائف معالجة الإشارات، ظهرت أجهزة الربط (Corrélateurs). تعتمد هذه الأجهزة على مستشعرين صوتيين يوضعان على صنابير الحريق على مسافة تتراوح بين 500 م و 1 كم. تقوم الميكروفونات أو الهيدروفونات بنقل إشارات التسرب بالإضافة إلى التقاط الضوضاء المحيطة. يتم معالجة الإشارات المستلمة بواسطة وظائف معالجة الإشارة لتأكيد وجود التسرب وتحديد موقعه بالنسبة لأحد المستشعرين. العيوب تكمن في الإنذارات الكاذبة الناتجة عن الضوضاء البيئية، مما يؤدي إلى تدمير البنية التحتية. بالإضافة إلى ذلك، تتطلب هذه الأجهزة عمالة مؤهلة. يتوجه الباحثون إلى استغلال مستشعرات الاهتزاز وتحليل الظواهر العابرة. تتسبب ضوضاء حركة المرور والعمل اليومي في إحداث ضوضاء تضاف إلى الإشارة المفيدة، مما يسبب دائمًا تشوهات في البنية التحتية. التحدي هو التفكير في طريقة فعالة واقتصادية لحل مشكلة التسربات . المساهمة الثانية تتناول مشكلة الضوضاء والإنذارات الكاذبة في نظام كشف التسربات يعتمد على الضغط. باستخدام نموذج مختبري تم تصميمه خصيصًا، تم جمع إشارات الضغط وتنقيتها باستخدام مرشح Savitzky-Golay. تم تحقيق تحديد موقع التسرب عبر حساب اختلافات الزمن لوصول الإشارات إلى أجهزة إرسال عالية الدقة، وتمت مقارنة النتائج بمواقع تسرب معروفة في شبكة أنابيب HDPE على شكل متعرج . المساهمة الثالثة تحسن عملية الكشف باستخدام نموذج تجريبي أكبر. تمت معالجة إشارات الضغط الناتجة عن تسربات بأحجام مختلفة باستخدام تحويل الموجات المتقطعة (DWT) وتطبيق تقنية Donoho للحد من الضوضاء. تم تحليل الإشارات المعاد بناؤها باستخدام معايير جودة مثل SNR و NCC و MSE. مكنت اختلافات الزمن في وصول الإشارات، إلى جانب سرعة موجة الضغط، من تحديد دقيق لموقع التسرب، وتم التحقق من ذلك عبر سيناريوهات تسرب مختلفة. تسهم هذه الدراسة في تحسين دقة ومنهجيات الكشف عن التسرب، مما يوفر حلولًا عملية واقتصادية لصيانة وإدارة شبكات توزيع المياه . | |
| dc.description.abstract | In the core of this thesis, three methodologies were developed to address water leakage in the water distribution networks (WDNs). The first one was conducted on the development and the demonstration of a mathematical model for leak localization. It depends on the laws of fluid mechanics. Two crucial parameters that can’t be calculated, we should optimize. For that we use an evolutionary metaheuristic method, which is the biogeography-based optimization (BBO) method that has three main stages (migration, mutation, and an optional one, which is elitism). After obtaining the two unknown parameters by optimization and using the physical characteristics of the transportation pipe (length, diameter, etc.), the flow rate measurements at the two ends of the pipe, we can define the exact position of the leak. With the development of technology and the transition from the analog world to the digital world, as well as the exploitation of signal processing functions, correlators have emerged. The latter rely for their operations on two acoustic sensors placed on fire hydrants at a distance of 500 m to 1 km. The microphones or hydrophones not only transmit the leak signals but also pick up surrounding noises. The received radio frequency signals will be subjected to signal processing functions to confirm the presence of the leak and its location relative to one of the sensors. Their disadvantages lie in false alarms caused by environmental noise, thus causing the destruction of infrastructure. In addition, they require a qualified workforce. The researchers are oriented to exploit the vibration sensors and the analysis of the transient phenomena that occur. Road traffic and daily work share noises that are added to the useful signal, always causing anomalies in the infrastructure. The problem is to think of an effective and inexpensive way to solve the problem of leaks. The second contribution addresses noise and false alarms in a pressure leak detection system. Using a custom-built laboratory prototype, pressure signals were collected and denoised with a Savitzky-Golay filter. Leak localization was achieved through time-difference calculations of signal arrivals at high-precision transmitters, validated against known leak positions in a zigzag-shaped HDPE pipe network. The third contribution enhances the detection process using a larger experimental prototype. Pressure signals from leaks of varying sizes were processed using discrete wavelet transform (DWT) and Donoho thresholding for noise removal. Reconstructed signals were analyzed for quality metrics such as SNR, NCC, and MSE. Time differences in signal arrivals, combined with pressure wave velocity, allowed accurate leak localization, validated across diverse leak scenarios. This research advances the precision and robustness of leak detection methodologies, providing practical, cost-effective solutions for WDN maintenance and management. | |
| dc.identifier.uri | https://repository.univ-msila.dz/handle/123456789/46370 | |
| dc.language.iso | en | |
| dc.publisher | University of M'Sila | |
| dc.subject | WDNs | |
| dc.subject | Leak Detection | |
| dc.subject | Localization | |
| dc.subject | BBO | |
| dc.subject | Signal Processing | |
| dc.subject | DWT | |
| dc.subject | Pressure signals. | |
| dc.subject | WDNs ، كشف التسربات، تحديد الموقع، BBO ، معالجة الإشارة، DWT ، إشارات الضغط. | |
| dc.title | Development of a Leak Detection and Localization System Based on Parametric Models | |
| dc.title.alternative | 2025 | |
| dc.type | Thesis |