Network simulation for the monitoring of water distribution infrastructure

The smart society, including smart infrastructures is developing quickly. The smart monitoring of the water distribution systems is a significant part of this development, trying to address possible problems in the Water Distribution Networks (WDNs) such as water leakages, pressure instability and water contamination. By sampling and sensing important parameters in the water distribution infrastructure and sending these data to control systems through a low power wide area network (LPWAN), a Cyber Physical System (CPS) of a digitalized WDN can be built. This thesis provides support for the design of such a CPS, by the design of a simulation framework, which includes coordinated WDN and communication network simulators. First, we make a selection on the communication network simulators and protocol stacks. Network simulator 3 (NS-3) is chosen as the simulation tool and Long Range (LoRa)/long range wide-area network (LoRaWAN) is chosen as the network protocol. The EPANET software is used as WDN simulator. Then, the existing implementation of the LoRaWAN protocol stack in NS-3 is modified, to allow the network simulator run parallel to the WDN simulator, and to transmit WDN sampling data to a control center. Finally, the effect of the communication network properties on the performance of the WDN monitoring system is evaluated, and it is shown that the communication delays can affect the monitoring performance even in small systems. The thesis provides the first steps of the development of a simulation environment of the cyber physical system of digitalized water distribution networks, and is expected to support further research in the area. Det smarta samhället, inklusive smarta infrastrukturer, utvecklas snabbt. Den smarta övervakningen av vattendistributionssystemen är en betydande del av denna utveckling, som försöker lösa eventuella problem i vattendistributionsnäten (WDN) såsom vattenläckage, tryckinstabilitet och vattenförorening. Genom att ta prov och känna av viktiga parametrar i vattendistributionsinfrastrukturen och genom att skicka dessa data till ett kontrollsystem via ett LPWAN, kan ett CPS av ett digitaliserat WDN byggas. Detta examensarbete ger stöd för designen av en sådan CPS, genom utformningen av ett simuleringsramverk, som inkluderar koordinerade simulatorer för WDN och kommunikationsnätverk. Först gör vi ett urval på simulatorer för protokollstackar och kommunikationsnätverk. NS-3 väljs som simuleringsverktyg och LoRa/LoRaWAN väljs som nätverksprotokoll. EPANET-mjukvaran används som WDN-simulator. Sedan modifieras den befintliga implementeringen av LoRaWAN-protokollstacken i NS-3, för att tillåta nätverkssimulatorn att köras parallellt med WDN-simulatorn och för att överföra WDN-samplingsdata till ett kontrollcenter. Slutligen utvärderas effekten av kommunikationsnätverkets egenskaper på prestandan hos WDN-övervakningssystemet, och det visas att förseningarna i kommunikationsnätet kan påverka övervakningsprestandan även i små system. Avhandlingen ger de första stegen i utvecklingen av en simuleringsmiljö av det cyberfysiska systemet för digitaliserade vattendistributionsnät, och förväntas stödja ytterligare forskning inom området