The purpose of this study is to develop an optimal, long-term planning model for improvement of water distribution networks. The water distribution system is divided into sub-zones and the decision of improvement plan is made for each sub-zone. Costs for replacement, rehabilitation and repair, benefits including reduced pumping and leakage costs, and hydraulic reliability are considered to make optimal decision for improvement planning of water network. Harmony search algorithm is applied to optimize the system and hydraulic analysis model EPANET is interfaced with the optimal decision model to check the hydraulic reliability, The developed model is applied to actual water distribution system in Daegu-city, South Korea. The new model which use durability, conveyance and cost as a decision variable is different from existing methods which use only burying period and pipe type and can be used as optimal decision making system for water distribution network.
This paper presents application of RCM(Reliability Centered Maintenance) in waterworks system. The reliability-based probability model for predicting the failure probability is established and FTA(Fault Tree Analysis) is proposed to considering RCM. To calculate failure probability, Weibull distribution is usually used due to age related reliability. FTA is an engineering analysis which is using logic symbols. The real historical data of CMMS(Computerized Maintenance Management System) make full use of case study for waterworks system. Consequently, the RCM would be likely to permit utilities to reduce overall costs in maintenance and improve the total benefit.
Topological and hydraulic assessments to examine whether required demand and pressure are satisfied and using these assessed results as a criteria have been general methodology for reliability assessment of water distribution systems. However, many of existing studies that used nodal pressure calculated by hydraulic assessment for reliability assessment have two major issues to be solved. The one is that demand-driven analysis was used for hydraulic assessment and the other is that serviceability was not considered for reliability assessment. In addition, all of the studies used pressure-demand analysis which is suitable to hydraulic analysis for water distribution systems under abnormal operating condition considered only available nodal demand for reliability assessment. This means that advantages which can be obtained by pressure-driven analysis are not used properly and efficiently. In this study, new methodology for reliability assessment of water distribution systems using HSPDA model and distance measure method is suggested. This methodology considers both nodal pressure and nodal available demand for reliability assessment. Suggested methodology is applied to two water distribution systems to show its applicability and application results are compared with existing study.
The paper describes a design methodology that can select a proper reliability factor and apply the selected reliability factor into the real water distribution system. Reliability factors which are used for the assesment of water supply networks, can be categorized by a connectivity, a reachability, an expected shortage and an availability. Among these factors, an expected shortage is the most proper reliability factor in the aspect of economic evaluation. Therefore, the expected shortage is applied to draw a water supply reliability into Changwon water supply systems. And the economic pipe diameter can be determined as 600mm for a connection pipe in the pipe network from the estimation of the expected shortage. Also, a quantitative effect of the connection pipe can be expressed in terms of the reduction, which is estimated by the expected shortage of 30,269$m^{3}$ from 68,705$m^{3}$ at initial condition to 38,436$m^{3}$ under the connected condition with the diameter 600mm pipe.
In this study, the optimum pump operation technique is suggested to decrease the damage rate of water distribution system. Pump operation system was developed to achieve the effective pump operation. Pressure sensors which can communicate with pumps are installed at the end of water distribution system. Pump operation system can control the pressure of water pump according to data sent from the pressure sensors. Therefore, water distribution system can reduce the pressure and maintain enough pressure which can supply the demand of water users. For proving effectiveness of new system, reliability model was introduced to compare the results of damage rates between the maintaining high pressure and selective pressure in water pump. Unsteady analysis was conducted with several scenarios. And the results were used to calculate the probability of pipe breakage. From the results, it was found that new pump operation system can reduce the energy usage and probability of pipe breakage by applying to pumps.
This paper presents a new approach for assessing the dynamic reliability in a complex system such as a nuclear power plant. The method is applied to a dynamic analysis of the potential accident sequences which may occur during mid-loop operation. Mid-loop operation is defined as an operation to make RCS water level below the top of the flow area of the hot legs at the junction with the reactor vessel for repairs and maintenance of steam generators and reactor coolant pumps for a specific time. The Idea behind this approach consists of both the use of the concept of the performance achievement/requirement correlation and of a dynamic event tree generation method. The assessment of the system reliability depends on the determination of both the required performance distribution and the achieved performance distribution. The quantified correlation between requirement and achievement represents a comparison between two competing variables. It is demonstrated that this method is easily applicable and flexible in that it can be applied to any kind of dynamic reliability problem.
In the present study, a reliability analysis calculating the probability of system failure has been performed using cut set and results of numerical analysis for unsteady flow in pipe. Especially, the probability of system failure has been evaluated regarding the effect of valve closure which is a really important activity in operation of piping system. In spite of small amount of demand, it was found that fast valve closure can generate high probability of system failure. Furthermore, it was confirmed that surge tank can reduce the unsteady effects and probability of system failure in water distribution system. From the results, it was found that the unsteady flow has a significant effect on the probability of system failure Furthermore, it was able to find which pipe or cut set has high probability of system failure. So it could be used to determine which pipe or cut set has a priority of repair and replacement. Therefore, reliability analysis regarding unsteady flow has to be performed for the planning, designing, maintenance, and operation of piping system.
AFDA (Approximate Full Distribution Approach) model of FORM (First-Order Reliability Model) which can quantitatively calculate the probability that storm sewer reach to performance limit state was developed in this study. It was defined as a failure if amount of inflow exceed the capacity of storm sewer. Manning's equation and rational equation were used to determine the capacity and inflow of reliability function. Furthermore, statistical characteristics and distribution for the random variables were analyzed as a reliability analysis. It was found that the statistical distribution for annual maximum rainfall intensity of 10 cities in Korea is matched well with Gumbel distribution. Reliability model developed in this study was applied to Y shaped storm sewer system to calculate the probability that storm sewer may exceed the performance limit state. Probability of failure according to diameter was calculated using Manning's equation. Especially, probability of failure of storm sewer in Mungyeong and Daejeon was calculated using rainfall intensity of 50-year return period. It was found that probability of failure can be significantly increased if diameter is decreased below the original diameter. Therefore, cleaning the debris in sewer pipes to maintain the original pipe diameter should be one of the best ways to reduce the probability of failure of storm sewer. In sewer system, two sewer pipes can flow into one sewer pipe. For this case, probability of system failure was calculated using multiple failure mode. Reliability model developed in this study can be applied to design, maintenance, management, and control of storm sewer system.
Conventional Monte Carlo simulation-based methods for seismic risk assessment of water networks often require excessive computational time costs due to the hydraulic analysis. In this study, an Artificial Neural Network-based surrogate model was proposed to efficiently evaluate the flow-based system reliability of water distribution networks. The surrogate model was constructed with appropriate training parameters through trial-and-error procedures. Furthermore, a deep neural network with hidden layers and neurons was composed for the high-dimensional network. For network training, the input of the neural network was defined as the damage states of the k-dimensional network facilities, and the output was defined as the network system performance. To generate training data, random sampling was performed between earthquake magnitudes of 5.0 and 7.5, and hydraulic analyses were conducted to evaluate network performance. For a hydraulic simulation, EPANET-based MATLAB code was developed, and a pressure-driven analysis approach was adopted to represent an unsteady-state network. To demonstrate the constructed surrogate model, the actual water distribution network of A-city, South Korea, was adopted, and the network map was reconstructed from the geographic information system data. The surrogate model was able to predict network performance within a 3% relative error at trained epicenters in drastically reduced time. In addition, the accuracy of the surrogate model was estimated to within 3% relative error (5% for network performance lower than 0.2) at different epicenters to verify the robustness of the epicenter location. Therefore, it is concluded that ANN-based surrogate model can be utilized as an alternative model for efficient seismic risk assessment to within 5% of relative error.
Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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2017.05a
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pp.65-65
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2017
상수관망 시스템(Water Distribution System, WDS)은 원활한 용수 공급을 위해 구축된 사회기반시설물로써, 물 공급절차에 따라 그 구성요소를 공급원, 공급 경로, 수요지 등의 범주로 구분할 수 있다. 원활한 물 공급이란 수요지에서 요구하는 수량과 압력 수준을 충족시키는 것을 의미하며, 따라서 상수관망의 용수공급능력은 요구 수량 및 압력과 실제 공급 결과를 비교함으로써 가늠할 수 있다. 과거에는 두 가지 기준을 별도로 산정하여 이를 평가하였으나, 유량과 압력을 함께 고려할 수 있는 에너지 기반의 평가 방법이 제시되면서 시스템 내 에너지 분포를 정량화하여 시스템의 용수공급능력을 평가하는 연구가 주목받고 있다. 세계적으로 많은 연구자들은 시스템 내 에너지 흐름 상태를 정량화함으로써 다양한 형태의 상수관망의 신뢰도지수(Reliability Index)를 제안한 바 있다. 이 때, 대부분의 신뢰도 지수 연구에서는 수요지에 공급된 에너지를 기본적으로 유지해야 하는 최소요구 에너지(Required Energy)와 비상 상황에 대응하기 위한 잉여 에너지(Surplus Energy)로 구분하고 있으며, 잉여 에너지를 상수관망의 공급 안정성을 나타내는 핵심 요소로 활용하고 있다. 확보된 잉여 에너지는 비상시 최소요구 에너지를 대체하는 개념에서 복원력으로 표현되어, 잘 알려진 Resilience Index(RI)를 비롯해 많은 복원력 지수가 존재한다. 본 연구에서는 복원력 지수를 포함한 세 가지의 신뢰도 지수를 적용하여 상수관망의 용수공급 상황 변화에 따른 시스템의 안정성을 분석하였다. 특히, 절점별 복원력 지수를 산정하고 그 분포를 공간적으로 도시하여 파악함으로써, 비상시 효율적인 운영을 위한 판단기준으로써 신뢰도 지수를 폭 넓게 활용할 수 있음을 제시하였다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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