Χρήση αισθητήρων σε δίκτυα διανομής νερού
Η ασφάλεια των πολιτών είναι θεμελιώδης ευθύνη οποιασδήποτε κυβέρνησης σε όλο τον κόσμο. Από τότε που οι τρομοκρατικές επιθέσεις στοίχισαν χιλιάδες αθώες ζωές στις 11 Σεπτεμβρίου 2001, η ευπάθεια των υποδομών έχει μπει στο προσκήνιο. Υπό την πίεση του κοινού και την έντονη κάλυψη των μέσων ενημέρωσης, ο τότε πρόεδρος των Ηνωμένων Πολιτειών εξέδωσε τις Προεδρικές Οδηγίες σχετικά με τις κρίσιμες ανάγκες της ασφάλειας της πατρίδας και διέταξε τις αρμόδιες οργανώσεις να συμμορφωθούν και να κανονίσουν τις απαραίτητες ενέργειες.
Μια κρίσιμη υποδομή, και αναμφισβήτητα η πιο ευάλωτη, είναι το Σύστημα Διανομής Νερού (WDS). Τα WDS κατασκευάζονται για να παρέχουν ασφαλές πόσιμο νερό στους καταναλωτές 24/7, η πρόσβαση στο οποίο θεωρείται βασικό ανθρώπινο δικαίωμα. Οι αγωγοί WDS επεκτείνονται κυριολεκτικά παντού εντός και ακόμη και εκτός των ορίων της πόλης, καθιστώντας αυτές τις υποδομές ιδιαίτερα ευάλωτες σε βανδαλισμούς ή ακόμα και τρομοκρατία. Οι αγωγοί που περνούν κάτω από τους δρόμους, τα σοκάκια και τις μπροστινές πόρτες, συνεχίζοντας σε ιστούς τοίχου μέχρι τις βρύσες του νεροχύτη και τα μπάνια είναι μόνο ένα μικρό μέρος ενός WDS.
Επιπλέον, το WDS είναι προσβάσιμο σχεδόν από παντού. από τερματικούς σταθμούς, δημόσια μπάνια, ξενοδοχεία, σχολεία, δημόσιες βρύσες στους δρόμους, πάρκα και η λίστα συνεχίζεται. Ακόμη και σκάβοντας στο έδαφος, πιθανότατα μπορεί κανείς να βρει έναν αγωγό να περνάει από κάτω σε βάθος μόλις λίγων ποδιών. Αν και η λειτουργικότητα του WDS για την παροχή νερού στους πελάτες μπορεί να φαίνεται απλή, το νερό που εισέρχεται στο WDS μέσω μιας δεξαμενής, μιας δεξαμενής ή άλλων συστημάτων ταξιδεύει εκατοντάδες ή και χιλιάδες μίλια, περνώντας από δεκάδες έως εκατοντάδες σωλήνες και διασταυρώσεις πριν παραδοθεί σε Καταναλωτές. Δεν είναι μόνο εκπληκτικό αλλά και τρομακτικό, γιατί εάν δηλητηριασμένο νερό εισέλθει στο WDS από ατύχημα ή δολιοφθορά, θα μόλυνε πράγματι σχεδόν ολόκληρο το WDS.
Το σε κίνδυνο νερό που παρέχεται μέσω του WDS μπορεί να προκαλέσει εθνική καταστροφή και η ιστορία διατηρεί αρκετά από αυτά τα περιστατικά. Για παράδειγμα, τον Μάιο του 2000, το μολυσμένο πόσιμο νερό στο Walkerton του Οντόριο, στον Καναδά, επηρέασε σοβαρά 2.300 ανθρώπους και στοίχισε τη ζωή σε 7. Αλλά πόσο δηλητήριο θα κάνει τη ζημιά; Ορισμένες ενώσεις αρσενικού μπορούν να χρησιμεύσουν ως καλά παραδείγματα σε αυτό το πλαίσιο. Το αρσενικό είναι φθηνό, ευρέως διαθέσιμο, υγρό, άχρωμο και χωρίς ιδιαίτερη μυρωδιά όταν διαλύεται σε νερό. Αυτή η ένωση είναι τόσο δηλητηριώδης που ένα μπουκάλι σόδας γεμάτο με αρσενικό μπορεί να επηρεάσει κρίσιμα έως και 40 εκατομμύρια ανθρώπους και να σκοτώσει 10 εκατομμύρια από αυτούς μόνο σε ένα κλάσμα της ημέρας έως μερικές ημέρες, ανάλογα με το πόσο γρήγορα καταναλώνεται. Αυτός είναι περισσότερο από το διπλάσιο του πληθυσμού της Νέας Υόρκης.
Ενώ οι προληπτικές ενέργειες, λόγω της έκτασης των WDS, δεν είναι ρεαλιστικές, ο μόνος τρόπος για να αποφευχθεί μια πλήρους κλίμακας καταστροφή λόγω μόλυνσης του νερού είναι η παρακολούθηση της ποιότητας του νερού σε πραγματικό χρόνο στο WDS χάρη σε υψηλής τεχνολογίας, πολύ ευαίσθητα , και πολύ ακριβούς αισθητήρες. Αυτό το δίκτυο αισθητήρων αναφέρεται συνήθως ως Σύστημα προειδοποίησης μόλυνσης (CWS). Αν και είναι ιδανικό, δεν είναι εφικτό να τοποθετηθούν αισθητήρες σε κάθε άρθρωση του WDS, επειδή το κόστος εγκατάστασης και συντήρησης τέτοιων WDS θα χρειαστεί ετήσιο προϋπολογισμό ακόμη περισσότερο από το κόστος ολόκληρης της πόλης. Επίσης, τέτοια όργανα υψηλής τεχνολογίας απαιτούν συγκεκριμένη θερμοκρασία, υγρασία, ακόμη και συνθήκες δόνησης. Όπως αναφέρθηκε προηγουμένως, το μολυσμένο νερό θα διασχίζει σχεδόν κάθε αγωγό και διασταύρωση ενός WDS. Λοιπόν, τι νόημα θα είχε η τοποθέτηση του αισθητήρα παντού, όταν μερικοί αισθητήρες μπορούν να κάνουν τέλεια τη δουλειά χιλιάδων; Το μόνο ερώτημα είναι πόσοι αισθητήρες πρέπει να χρησιμοποιηθούν και πού πρέπει να αναπτυχθούν;
Από τις αρχές της δεκαετίας του 2000, αυτό το ερώτημα έχει κερδίσει την προσοχή των ερευνητών και ως εκ τούτου, έγινε αντικείμενο πολλών μελετών. Φαινομενικά απλό στην αρχή, σταδιακά έγινε φανερό ότι είναι μια πρόκληση για την κοινότητα των μηχανικών. Δεκάδες έως χιλιάδες μέθοδοι έχουν προταθεί, πολλές από τις οποίες βασίζονται σε διαφορετικές βάσεις. Ακόμη και το Battle of Water Network Sensors ως σχεδιαστική πρόκληση για μηχανικούς και αλγόριθμους εισήχθη το 2008 για να βρεθεί η καλύτερη καθολική μέθοδος.
Αν και οι μέθοδοι που βασίζονται στη βελτιστοποίηση έχουν αναδειχθεί ως η καλύτερη λύση, η μάχη σταμάτησε να μην ανακηρύσσεται νικητής. Ένας λόγος είναι:απλά δεν υπάρχει μια μοναδική καλύτερη μέθοδος. Οι αβεβαιότητες που σχετίζονται με το πότε, πού και πώς θα μπορούσε να εμφανιστεί μια μόλυνση εμποδίζουν μια μέθοδο να ξεπεράσει τις άλλες. «Πώς ένα προτεινόμενο μοντέλο χειρίζεται τις αβεβαιότητες;» είναι η αχίλλειος πτέρνα κάθε επιλεγμένου μοντέλου. Λόγω της πολυπλοκότητας της ροής του νερού στο WDS και των αναφερόμενων αβεβαιοτήτων, η προσομοίωση είναι αναπόφευκτο μέρος κάθε μοντέλου βελτιστοποίησης. Πόσες προσομοιώσεις όμως χρειάζονται; Η απάντηση είναι ότι περισσότερες προσομοιώσεις θα οδηγήσουν αναμφίβολα σε έναν πιο στιβαρό, αξιόπιστο και ασφαλή σχεδιασμό CWS. Θα μπορούσε κανείς να πει ότι εκατομμύρια σενάρια μόλυνσης πρέπει να προσομοιωθούν. Ωστόσο, αυτό θα έχει ως αποτέλεσμα πολλά δεδομένα Giga έως Tera-Byte για ένα μικρό WDS, πόσο μάλλον για ένα μεγάλο, τα οποία θα πρέπει να αναλυθούν για τον σχεδιασμό του CWS με επαναληπτικό τρόπο. Ακόμη και για το WDS μιας μικρής πόλης, ο σχεδιασμός ενός CWS θα απαιτούσε έναν πολύ ακριβό σούπερ υπολογιστή, ένα σημαντικό επίπεδο τεχνογνωσίας και μεγάλο χρόνο λειτουργίας. Επιπλέον, όταν τα δεδομένα γίνονται πολύ μεγάλα, η πιθανότητα εύρεσης του παγκόσμιου βέλτιστου CWS μειώνεται και ο χρόνος εκτέλεσης αυξάνεται.
Για την αντιμετώπιση του υπολογιστικού φόρτου, οι ερευνητές παραδοσιακά περιόριζαν τον αριθμό των προσομοιώσεων και περιόριζαν τον αριθμό των τοποθεσιών στις οποίες θα μπορούσε να τοποθετηθεί ένας αισθητήρας. Αυτό θα μπορούσε να θέσει σε κίνδυνο την ακρίβεια και την αντικειμενικότητα των παραγόμενων λύσεων. Μια πρόσφατη εργασία με τίτλο Optimal and Objective Placement of Sensors in Water Distribution Networks Using Information Theory στο περιοδικό Water Research αντιμετωπίζει το πρόβλημα της ακριβής και ανακριβούς σχεδίασης CWS. Χρησιμοποιώντας την έννοια της Τιμής της Πληροφορίας (VOI) και της Εντροπίας Μετασχηματισμού (TE), δείξαμε ότι ο περιορισμός στον αριθμό των προσομοιώσεων μοντέλων και η εκ των προτέρων κατανομή των θέσεων των αισθητήρων δεν χρειάζονται και πράγματι ο αριθμός των προσομοιώσεων σεναρίων θα μπορούσε να αυξηθεί για να προωθήσει τη στιβαρότητα του σχεδιασμού CWS. Το πιο ενδιαφέρον είναι ότι όλα αυτά μπορούν να εκτελεστούν χρησιμοποιώντας έναν συνηθισμένο προσωπικό υπολογιστή. Και οι δύο μέθοδοι πληροφορικής (VOI και TE) μεταφράζουν τα εξαιρετικά μεγάλα δεδομένα που λαμβάνονται από προσομοιώσεις σε μερικά byte δεδομένων. Τα βέλτιστα σημεία στις τιμές VOI και TE συνδέονται με το βέλτιστο CWS και λόγω του μικρού μεγέθους των δεδομένων, η εύρεση του βέλτιστου σημείου είναι αρκετά γρήγορη και απλή.
Η προτεινόμενη θεωρητική προσέγγιση πληροφοριών επιτρέπει μια διευρυμένη περιοχή αναζήτησης, δηλαδή περισσότερα σενάρια μόλυνσης, που μεταφράζεται σε υψηλότερη ακρίβεια του προτεινόμενου μοντέλου σε σύγκριση με τα συμβατικά μοντέλα. Σε αυτό το άρθρο, αποδείξαμε αυτόν τον ισχυρισμό συγκρίνοντας το προτεινόμενο μοντέλο μας με το TEVA-SPOT, το πιο αποδεδειγμένο, ευρέως αποδεκτό και ιδιαίτερα αναγνωρισμένο λογισμικό για προβλήματα τοποθέτησης αισθητήρων που αναπτύχθηκε από την Υπηρεσία Προστασίας Περιβάλλοντος των ΗΠΑ (EPA). Το ενδιαφέρον εύρημα αυτής της σύγκρισης ήταν ότι ενώ η ακρίβεια του προτεινόμενου μοντέλου είναι οριακά βελτιωμένη σε σύγκριση με το TEVA-SPOT, είναι πολύ πιο γρήγορο και δεν χρειάζεται συγκεκριμένο όργανο σε σύγκριση με το TEVA-SPOT.
Αυτά τα ευρήματα περιγράφονται στο άρθρο με τίτλο Βέλτιστη και αντικειμενική τοποθέτηση αισθητήρων σε συστήματα διανομής νερού με χρήση θεωρίας πληροφοριών, που δημοσιεύτηκε πρόσφατα στο περιοδικό Water Research. Αυτή η εργασία διεξήχθη από τους Mohammad S. Khorshidi και Mohammad Reza Nikoo από το Πανεπιστήμιο Shiraz και Mojtaba Sadegh από το Boise State University.
