Water Distribution Networks: Leakage Management using Nonlinear Optimization of Pressure

The eective management of water distribution systems is gaining tremendousfocus within the scientic community thanks to the Internet of Things.This report is an exploration attempt into the mathematical optimization ofa water distribution network under the inuence of leakages caused by deteriorationwithin the distribution network. The optimization process is carriedout in a two phase manner involving the optimal placement of pressure valves,followed by the optimal control of the valves in the presence of known leakswithin the network. The optimization framework addresses the minimisationof the average network pressure in an extended time setting by imposingthe hydraulic equations as nonlinear constraints. The hydraulic components,namely the pressure reduction valves, are modelled as integer variables leadingto a non-convex and non-linear optimization problem that falls under theclass of optimization problems known as mixed-integer nonlinear programming(MINLP). The exercise implements two reformulation methods that solves theMINLP problem as a sequence of regular nonlinear programs (NLPs), and alsopresents the hydraulic simulation results of the implementation. While thereis sucient research on water network optimization using various mathematicalmethods, this study endeavours to combine a leakage model within theoptimization framework and presents the ndings of the analysis. In addition,the report also includes the outcomes of the simulation on a real distributionnetwork simulated under varying demand conditions.Effektiv förvaltning av vattendistributionssystem har skaffat stor inriktning inom det vetenskapliga samhället på grund av Sakernas internet (engelska IoT). En matematisk optimering av ett vattendistributionsnät som påverkades av läckage på grund av försämring undersöktes i den här rapporten. Optimeringsprocessen utfördes i tvåstegs med den optimala placeringen av tryckventiler i första steget följt av optimal styrning av ventilerna i närvaro av kända läckor inom nätverket. Optimeringsramen behandlar minimering av det genomsnittliga nätverkstrycket i en förlängd tidsinställning genom att införa hydrauliska ekvationer som icke-linjära begränsningar. De hydrauliska komponenterna, nämligen tryckreduceringsventilerna, modellerades som integervariabler somleder till ett icke-konvex och icke-linjärt optimeringsproblem som kallas mixedinteger icke-linjära programmering (engelska MINLP). Ö vningen genomförtvå reformuleringsmetoder som löser MINLP-problemet som regelbundna ickelinjära program (NLP) och presenterar också hydrauliska simuleringsresultatav det. Ä ven om det finns tillräcklig forskning om optimering av vattennätverkmed hjälp av olika matematiska metoder strävar det här arbetet efter att kombinera en hydraulisk läckagemodell inom nätverkoptimeringsramen och presenterar analysens resultat. Dessutom innehåller rapporten även simuleringsresultaten på ett riktigt distributionsnät simulerad under varierande vat-tenefterfrågan