Otimização da localização de sensores para a deteção de contaminantes em redes de abastecimento de água

Abstract

A existência de água potável em quantidade e com elevada qualidade é fundamental para a sociedade atual. A água é utilizada para cozinhar, beber, tomar banho, mas também para fazer funcionar hospitais, restaurantes e fábricas ou ainda para combater incêndios. A segurança das infraestruturas de abastecimento de água tem preocupado governos, entidades reguladoras e entidades gestoras, levando à conceção e implementação de sistemas de alerta de contaminação que visam minimizar as consequências de incidentes acidentais ou propositados. Esta dissertação tem como objetivo determinar a localização ótima de sensores numa rede de distribuição de água, para a deteção atempada de eventos de contaminação. Para este fim, devido à natureza combinatória do problema, foram utilizadas abordagens metaheurísticas com vista à determinação de soluções que satisfaçam um potencial decisor, seguindo as definições decorrentes do evento designado The Battle of the Water Sensor Networks (Ostfeld et al., 2008). Este evento serviu de referência relativamente às redes de teste e às quatro funções objetivo dos modelos de otimização usados nesta dissertação (o tempo de deteção, Z1, a população afetada, Z2, o consumo de água contaminada, Z3 e a probabilidade de deteção de eventos, Z4). Os resultados obtidos mostraram que a metaheurística simulated annealing permitiu obter maior abrangência da pesquisa do espaço de soluções não dominadas nos modelos multiobjetivo estudados. Verificou-se também que dada a correlação existente entre as funções objetivo Z2 e Z3, a otimização com três funções objetivo produz resultados idênticos à otimização com quatro funções objetivo, reduzindo o tempo computacional requerido. Nesta dissertação foram ainda discutidas formas de apoiar um decisor na escolha da solução que mais se adequa às suas preocupações, exemplificando abordagens possíveis das quais resultaram propostas de soluções para o problema colocado, comparáveis às identificadas na literatura.

The existence of safe drinking water in quantity and quality is fundamental to modern society. Water is used for cooking, drinking, bathing, but also to operate hospitals, restaurants and manufacturing plants, or even for fighting fires. The security of drinking water infrastructures concerns governments, regulatory authorities and utilities, and has led to the design and deployment of contamination warning systems that aim at minimizing the consequences of accidental or intentional contamination events. The objective of this dissertation is to find the optimal location of sensors to install in a water distribution network, in order to timely detect contamination events. Due to the combinatorial nature of the problem, metaheuristics approaches were used to determine solutions that may satisfy a potential decision maker, following the definitions originated for the event called The Battle of the Water Sensor Networks (Ostfeld et al., 2008). These definitions include the two test networks and the four objective functions used in this dissertation (the expected time of detection, Z1, the expected population affected prior to detection, Z2, the expected consumption of contaminated water prior to detection, Z3, and the detection likelihood, Z4). The results obtained show that the metaheuristic simulated annealing allowed a wider coverage of the search space for the non-dominated solutions in the multiobjective models under analysis. Another conclusion was that the existing correlation between objective functions Z2 and Z3 led to similar results when optimizing for three and four objective functions, with a significant reduction in computational time requirements for the former option. This dissertation also discussed ways of helping a decision maker choosing the solution that better matches his/her concerns, exemplifying possible approaches to identify potential solutions, which are comparable with the ones found in the literature for the same test networks.