Sistemas IoT e processamento de dados baseados em inteligência artificial para monitoramento de pressões e vazões na rede de distribuição de água

Detalhes bibliográficos
Ano de defesa: 2024
Autor(a) principal: Silva, Jonatha Bizerra
Orientador(a): Não Informado pela instituição
Banca de defesa: Não Informado pela instituição
Tipo de documento: Dissertação
Tipo de acesso: Acesso aberto
Idioma: por
Instituição de defesa: Universidade Federal da Paraíba
Brasil
Engenharia Elétrica
Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica
UFPB
Programa de Pós-Graduação: Não Informado pela instituição
Departamento: Não Informado pela instituição
País: Não Informado pela instituição
Palavras-chave em Português:
Link de acesso: https://repositorio.ufpb.br/jspui/handle/123456789/34745
Resumo: Water is a natural resource essential for sustaining life on Earth. Although most of our planet is composed of water, only 25 % is freshwater, and just 1 % is available for consumption. Brazil holds approximately 12 % of this percentage. Water supply systems accompany the development of cities, population growth, and geographical distribution, resulting in pipeline systems with heterogeneous characteristics, such as varying diameters and installation ages, which present various challenges in operation and maintenance, as well as compromising the guarantee of minimum technical consumption requirements. Losses in water supply systems, inherent to any network, have received increasing attention in recent years due to water scarcity and the risk of contamination of treated water. Efficient management of water resources is crucial for survival, highlighting the need for research addressing losses associated with water distribution to the population. In this context, this work aims to develop a methodology based on Typicality and Eccentricity Data Analytics (TEDA) for detecting outliers in data collected from an experimental water supply monitoring bench at the Laboratory of Energy Efficiency and Hydraulic Engineering in Sanitation at the Federal University of Paraíba (LENHS/UFPB), as well as the application of an Artificial Neural Network (ANN) for predicting flow in the monitored system. The results indicate that, when applying the ANN without the presence of outliers, the model achieved a Mean Absolute Percentage Error (MAPE) of 3.1 %. In contrast, when outliers were introduced only in the test data, the model resulted in a MAPE of 5.2 %, highlighting the system’s vulnerability to atypical data. Following the application of TEDA for detecting anomalies and replacing detected data with previous readings, the ANN yielded a MAPE of 3.0 %, reflecting a significant improvement in prediction accuracy.These advancements have the potential to positively impact the management of water resources by minimizing losses and promoting a more sustainable use of water, especially in a scenario where losses in distribution systems are significant. The research contributes to a better understanding of the behavior of flow and pressure in distribution networks, enabling more effective management of natural resources.
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Losses in water supply systems, inherent to any network, have received increasing attention in recent years due to water scarcity and the risk of contamination of treated water. Efficient management of water resources is crucial for survival, highlighting the need for research addressing losses associated with water distribution to the population. In this context, this work aims to develop a methodology based on Typicality and Eccentricity Data Analytics (TEDA) for detecting outliers in data collected from an experimental water supply monitoring bench at the Laboratory of Energy Efficiency and Hydraulic Engineering in Sanitation at the Federal University of Paraíba (LENHS/UFPB), as well as the application of an Artificial Neural Network (ANN) for predicting flow in the monitored system. The results indicate that, when applying the ANN without the presence of outliers, the model achieved a Mean Absolute Percentage Error (MAPE) of 3.1 %. In contrast, when outliers were introduced only in the test data, the model resulted in a MAPE of 5.2 %, highlighting the system’s vulnerability to atypical data. Following the application of TEDA for detecting anomalies and replacing detected data with previous readings, the ANN yielded a MAPE of 3.0 %, reflecting a significant improvement in prediction accuracy.These advancements have the potential to positively impact the management of water resources by minimizing losses and promoting a more sustainable use of water, especially in a scenario where losses in distribution systems are significant. The research contributes to a better understanding of the behavior of flow and pressure in distribution networks, enabling more effective management of natural resources.A água é um recurso natural essencial para a manutenção da vida na terra. Embora a maior parte do nosso planeta seja composta por água, apenas 25 % corresponde à água doce, e apenas 1 % está disponível para consumo. O Brasil detém aproximadamente 12 % desse percentual. Os sistemas de abastecimento de água acompanham o desenvolvimento das cidades, o crescimento populacional e sua distribuição geográfica, resultando em sistemas de tubulações com características heterogêneas, como diferentes diâmetros e idades de instalação, o que gera diversos desafios na operação e manutenção, além de comprometer a garantia dos requisitos técnicos mínimos de consumo. As perdas nos sistemas de abastecimento, inerentes a qualquer rede, têm recebido atenção crescente nos últimos anos devido à escassez hídrica e ao risco de contaminação da água tratada. A gestão eficiente dos recursos hídricos é crucial para a sobrevivência, ressaltando a necessidade de pesquisas que abordem as perdas associadas à distribuição de água para a população. Neste contexto, este trabalho tem como objetivo desenvolver uma metodologia baseada na Typicality and Eccentricity Data Analytics (TEDA) para a detecção de outliers em dados coletados em uma bancada experimental de monitoramento de abastecimento de água no Laboratório de Eficiência Energética e Hidráulica em Saneamento da Universidade Federal da Paraíba (LENHS/UFPB), além da aplicação de uma Rede Neural Artificial (RNA) para previsão da vazão no sistema monitorado. Os resultados indicam que, ao utilizar a RNA sem outliers nos dados, o modelo alcançou um erro percentual médio absoluto (MAPE) de 3,1 %., enquanto a aplicação da RNA com outliers nos dados de teste resultou em um MAPE de 5,2 %. Quando outliers foram introduzidos apenas nos dados de teste, o modelo apresentou um MAPE de 5,2 %, evidenciando a vulnerabilidade do sistema a dados atípicos. Após a aplicação do TEDA para a detecção de anomalias e a substituição dos dados detectados por leituras anteriores, a RNA obteve um MAPE de 3,0 %, refletindo uma melhora significativa na precisão das previsões. Esses avanços têm o potencial de impactar positivamente a gestão de recursos hídricos, minimizando perdas e promovendo uma utilização mais sustentável da água, especialmente em um cenário onde as perdas nos sistemas de distribuição são significativas. Esta pesquisa contribui para uma melhor compreensão do comportamento da vazão e da pressão nas redes de distribuição, possibilitando uma gestão mais eficaz dos recursos naturais.Universidade Federal da ParaíbaBrasilEngenharia ElétricaPrograma de Pós-Graduação em Engenharia ElétricaUFPBVillanueva, Juan Moises Mauriciohttp://lattes.cnpq.br/1446817462218646Silva, Jonatha Bizerra2025-06-05T19:43:33Z2024-12-192025-06-05T19:43:33Z2024-11-14info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesishttps://repositorio.ufpb.br/jspui/handle/123456789/34745porAttribution-NoDerivs 3.0 Brazilhttp://creativecommons.org/licenses/by-nd/3.0/br/info:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Repositório Institucional da UFPBinstname:Universidade Federal da Paraíba (UFPB)instacron:UFPB2025-06-06T06:13:18Zoai:repositorio.ufpb.br:123456789/34745Repositório InstitucionalPUBhttps://repositorio.ufpb.br/oai/requestdiretoria@ufpb.br||bdtd@biblioteca.ufpb.bropendoar:25462025-06-06T06:13:18Repositório Institucional da UFPB - Universidade Federal da Paraíba (UFPB)false
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