تلفیق شبکه عصبی مصنوعی با مدلسازی هیدرولیکی برای تشخیص نشت در شبکه توزیع آب

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

گروه مهندسی عمران ، دانشکده فنی ومهندسی ، دانشگاه آزاد اسلامی واحدتهران مرکز ، تهران ، ایران

10.22059/jwim.2026.411988.1292

چکیده

تلفات زیاد نشت آب موجب نگرانی مسئولین آب کشور شده است تا جایی که آبفای تهران به ناچار در سال جاری برای ذخیره آب اقدام به قطع کامل شبانه در شبکه های توزیع آب نمود که موجب نارضایتی مشترکین و افزایش خطر ورود آلاینده به داخل شبکه شد. این پژوهش با رویکرد ترکیبی داده‌محور، شامل مدلسازی عددی مخزن 43 واقع در شمال شرق تهران با نرم‌افزار Water Gems و آموزش شبکه عصبی ANN با خروجی‌های فشار و دبی مدل عددی برای حالات نشت، به پیش بینی محل و مقدار نشت‌ها پرداخت. برای سنجش عملکرد و دقت مدل‌ها از معیارهای RMSE،MSE ،R2 بهره گرفته شد. در مدلسازی عددی بعد از اعمال نشت، میزان فشار به طور متوسط حدود 0.9 بار کاهش و مقدار دبی در خطوط اصلی حدود 35 درصد افزایش یافت. نتایج نشان داد احتمال تشخیص نشت در بازه 67 تا 88 درصد قرار داشته است. مدل تلفیقی، بعد از آموزش کامل افت فشار و افزایش دبی ناشی از نشت را با دقت بسیار بالایی تخمین زد، طوری که خطای پیش‌بینی در پایان دوره آموزش به چهار درصد کاهش یافت. این دقت بالا، قابلیت اطمینان مدل را برای شناسایی سریع و هدفمند محل نشت در شرایط واقعی تایید می‌کند. موفقیت این روش وابسته به صحت کالیبراسیون مدل هیدرولیکی و کیفیت داده‌های اندازه‌گیری شده است که در این پژوهش کالیبراسیون بر اساس دانش مهندسی برای زبری لوله‌ها، تلفات موضعی و ضرایب افت جزئی تا زمانی تنظیم شدند که اختلاف بین مقادیر مدل و داده‌های میدانی کمتر از 5 درصد باشد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Integration of Artificial Neural Networks with Hydraulic Modeling for Leak Detection in Water Distribution Networks

نویسندگان [English]

  • seyed abedin sajedi
  • Somayeh Yousefi
  • babak bayat
Department of Civil Engineering, Faculty of Engineering and Technology, Islamic Azad University, Tehran Central Branch, Tehran, Iran
چکیده [English]

Excessive water losses due to leakage have become a major concern for national water authorities. In fact, the Tehran Water and Wastewater Company has been forced to implement complete nightly shutdowns in the city’s water distribution networks to conserve water, causing public dissatisfaction and increasing the risk of contaminant intrusion into the system.This study adopts a data-driven hybrid approach, combining numerical modeling of Reservoir 43—located in northeastern Tehran—using Water GEMS software, and training an Artificial Neural Network (ANN) with pressure and flow outputs from the hydraulic model under leak conditions to predict both location and magnitude of leaks.Model performance and accuracy were evaluated based on RMSE, MSE, and R² criteria. Numerical simulations showed that, after applying leak conditions, the average pressure decreased by approximately 0.9 bar, while flow rates in main pipelines increased by around 35%. The results indicated that the probability of detecting leaks ranged between 67% and 88%.Following full training, the integrated model estimated pressure drops and flow increases caused by leaks with very high precision, reducing the prediction error to 4% by the end of the training period. This high accuracy confirms the model’s reliability for rapid and targeted leak identification under real operational conditions.The success of this method depends on the accuracy of hydraulic model calibration and the quality of measured data. In this research, calibration was performed based on engineering knowledge, adjusting pipe roughness, local losses, and minor loss coefficients until the difference between modeled and field data was less than 5%.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Hydraulic simulation
  • Integrated model
  • Neural network (ANN)
  • water leakage