Гідравлічна модель + статистика · водоканали
Пошук витоків за нічною витратою
Знаходить витоки в тестовій мережі відкритого бенчмарку BattLeDIM і ранжує труби, на яких витік найімовірніший. Натисніть будь-яку трубу, щоб створити власний витік.
Огляд
L-Town — тестова мережа відкритого бенчмарку BattLeDIM: змодельоване місто з 43 km труб, 33 змодельованими датчиками тиску, трьома витратомірами та 82 розумними лічильниками. У даних за 2019 рік приховано 19 витоків, що виникають того ж року. Ми створили для цієї мережі засіб пошуку витоків з інструментів, якими інженер водоканалу вже користується: гідравлічної моделі, водного балансу з мінімальною нічною витратою та нев’язок тиску. Модель ми відкалібрували на даних 2018 року, а пороги виявлення встановили автоматичним пошуком лише на даних 2018 року.
Для виявлення витоку й визначення його місця використовуються різні години. Тест на повільні витоки аналізує водний баланс з 01:00 до 05:00. Споживання тоді найнижче, тож витік становить більшу частку того, що надходить у мережу. Окремий тест на пориви стежить за кожною годиною. Для визначення місця використовується тиск протягом усієї доби: у березневий день у цій моделі слід витоку в тиску о 19:00 приблизно в 1,7 раза більший, ніж о 04:00. Під час кожної тривоги зміна тиску на датчиках порівнюється з модельованим витоком у кожному вузлі (кожна труба отримує середнє значення своїх двох кінців). Після цього набір труб-кандидатів звужується з кожною годиною.
На даних 2019 року метод знайшов 14 із 19 витоків, що виникли того року. Він дав 7 хибних тривог, а ще 13 повідомлень припали на вже відомі витоки: 7 — на витоки, про які він сам уже повідомив, 6 — на витік, що тривав ще з 2018 року. За правилами оцінювання BattLeDIM 14 знахідок варті 289 028 € за вирахуванням витрат на бригади — із 355 472 €, яких коштує вода, втрачена через усі 19 витоків. Коли ми залишили 10 із 33 датчиків тиску (витратоміри без змін), метод знайшов 10 із 19. До того ж дані L-Town чистіші, ніж у реальному місті: з добовою похибкою 2 % в оцінці побутового споживання той самий метод у двох тестових запусках знайшов від 8 до 12 із 19. У вбудованій візуалізації гідравлічний розв’язувач працює у вашому браузері: натисніть будь-яку трубу, щоб створити витік.
Як ми тестували
- Модель відкалібровано на даних 2018 року. Пороги виявлення встановлено автоматичним пошуком лише на даних 2018 року.
- Відповіді для 2019 року публічні з 2020 року, і вони були нам доступні, поки ми розробляли метод. Тож це розібраний приклад на вже розв’язаному бенчмарку, а не сліпий тест.
- Інші налаштування порогів, що на даних 2018 року показали себе так само добре, знаходять від 9 до 16 із 19 витоків (медіана 13).
- Ще чотири витоки тривали з 2018 року. Їх названо в опублікованому файлі витоків за 2018 рік, тому ми їх не враховуємо.
- Бали обчислено за правилами оцінювання BattLeDIM: ми рахували їх самі за допомогою нашого порту коду оцінювання організаторів на Python. Порт відтворює опубліковані ними приклади звітів з точністю до цента.
Що ми створили
- Гідравлічна модель L-Town (WNTR + EPANET), відкалібрована на годинах 2018 року без витоків. На контрольних годинах її похибка тиску становить 3,7 cm RMSE проти 7,8 cm без калібрування.
- Водний баланс для двох зон водопостачання; споживання оцінюється за 82 розумними лічильниками, які всі розташовані в одній зоні. На цьому балансі працюють тест зміни мінімальної нічної витрати (CUSUM) і тест на пориви.
- Локалізація витоків за сигнатурами тиску: модельований витік у кожному вузлі порівнюється з виміряною зміною нев’язок тиску. Результат — ранжований набір труб-кандидатів, що оновлюється щогодини.
- Оцінювання за власними правилами змагання, з тестом на 10 датчиках і п’ятьма випадковими наборами датчиків для контролю.
- Розв’язувач EPANET для відкаліброваної моделі, що працює в браузері (WebAssembly). Натисніть трубу, задайте розмір витоку й кількість годин даних і дивіться, як формується набір кандидатів.
Стек технологій
Python, WNTR, EPANET 2.2, NumPy, SciPy, pandas · epanet-js (EPANET, скомпільований у WebAssembly), three.js
Цифри
Усі числа отримано на L-Town — тестовій мережі відкритого бенчмарку BattLeDIM (змодельованому місті) — у наших власних запусках. «Правила BattLeDIM» — це опублікована методика оцінювання організаторів, яку ми застосовували самі: знахідка зараховується, якщо вона в межах 300 m уздовж труб і в часовому вікні витоку; вода оцінюється в 0,80 €/m³; хибна тривога коштує 500 €; за знахідку нараховується вартість роботи бригади пропорційно до відстані, до 500 €; за повторні виїзди нічого не нараховується.
| Показник | Як ми це виміряли |
|---|---|
| Знайдено 14 із 19 витоків, що виникли у 2019 році | Витоки, що тривали з 2018 року, не враховано. |
| 289 028 € із 355 472 € | Вартість води, збереженої завдяки 14 знахідкам, за вирахуванням витрат на бригади, за правилами BattLeDIM. 355 472 € — стільки було б варте повідомлення про всі 19 витоків у момент їх виникнення. |
| 7 хибних тривог і ще 13 повідомлень про відомі витоки | Загалом 34 повідомлення. Кожна хибна тривога коштує 500 €. 13 повідомлень припали на вже відомі витоки (7 — на витоки, про які метод уже повідомив, 6 — на витік, що тривав з 2018 року); оцінка BattLeDIM за них нічого не нараховує. |
| Близько 3 h від пориву до тривоги (від 1,6 до 24 h) | 7 знайдених раптових витоків; час відраховано до кінця тієї години даних, за якою спрацювала тривога. Місце витоку повідомляється через 24 h після тривоги — цю затримку обрано на даних 2018 року. |
| Тривога через 5–53 дні після початку повільного витоку (повідомлення — через 6–54 дні) | 7 знайдених витоків, що розвиваються поступово. Вони починаються майже з нульової витрати й зростають упродовж тижнів. |
| 171 m — медіанна відстань від указаної нами труби до труби з витоком (від 50 до 294 m) | 14 знайдених витоків; відстань виміряно так само, як у методиці оцінювання: уздовж труб, від центру до центру. |
| Від 17 до 77 труб у наборі кандидатів на момент повідомлення (для поривів) | Труби, чия відповідність відрізняється від найкращої не більше ніж на фіксований запас. Шум нев’язок (виміряний мінус модельований тиск) виміряно на даних 2018 року. Для повільних витоків набір часто так і охоплює весь район. |
| 3,7 cm — похибка тиску відкаліброваної моделі | RMSE на 33 датчиках за 61 годину 2018 року без витоків, яку не використовували для калібрування; без калібрування — 7,8 cm. |
| 10 із 19 на 10 датчиках, 181 058 €, 15 хибних тривог | 10 із 33 датчиків тиску, вибрані за фіксованим правилом рознесення; витратоміри й розумні лічильники без змін. П’ять випадкових наборів по 10 датчиків знайшли від 4 до 12. |
| Від 8 до 12 із 19 за похибки споживання 2 % | Два тестові запуски, у яких до оцінки побутового споживання додано похибку 2 %, що змінюється щодня; усі інші налаштування без змін. |
| Від 9 до 16 із 19 за інших порогів | 37 налаштувань порогів, які на даних 2018 року показали результат у межах 5 % від найкращого; кожне запущено на даних 2019 року (медіана 13). |
| 0,5 ms на один сценарій витоку в браузері | Медіанний час розрахунку усталеного режиму в EPANET для моделі з 782 вузлів у вбудованій візуалізації, на ноутбуці з M1 Pro у Chromium. На телефонах буде повільніше. |
Кадри
Спробуйте наживо
Інтерактивна візуалізація, що працює у вашому браузері. Нічого не завантажується, доки ви її не відкриєте.
