3D Interactive Modeling of Pipe Failure in Water Supply Systems

Abstract

The increased incidences of pipe breaks worldwide are posing a serious threat to potable water security in urban communities. The consequences may involve water loss and service interruptions, compromised water quality, infrastructure disruptions, and loss of revenue. Thus, creating failure assessment models is quite crucial to sustain water distribution networks (WDNs) and to optimize maintenance spending. This research paper aims at developing an assessment framework for water systems, as well as modeling the failure phenomena toward sustainable management of underground infrastructure. The city of El Pedregal in Peru was chosen to exemplify the methodology of the research due to the rapid pace of urbanization and growing economic activities in the region, which make water infrastructure even more critical. The framework is based on the application of modeling techniques stemming from statistical regression analysis (RA) and 3D schematic representation. First, the influential factors that lead to the deterioration of the WDNs are determined. Second, the RA technique is leveraged to evaluate and model the failure rate through consecutive simulation operations and a 3D surface plot. Finally, the efficacy of the model is investigated using different performance metrics, in conjunction with a residual analysis scheme. The validation results revealed the robustness of the model with R-squared (R²) and the sum of squares error (SSE) of 0.9767 and 0.0008, respectively. The developed model is a predictive tool that can be used by municipal engineers as a preemptive measure against future pipeline bursts or leaks.

Spanish Translation

Modelado Interactivo 3D de Fallas de Tuberías en Sistemas de Abastecimiento de Agua

Resumen: El aumento de la incidencia de roturas de tuberías en todo el mundo representa una grave amenaza para la seguridad del agua potable en las comunidades urbanas. Las consecuencias pueden incluir pérdida de agua e interrupciones del servicio, calidad del agua comprometida, interrupciones de la infraestructura y pérdida de ingresos. Por lo tanto, la creación de modelos de evaluación de fallas es crucial para mantener las redes de distribución de agua (WDNs) y optimizar el gasto de mantenimiento. Este trabajo de investigación tiene como objetivo desarrollar un marco de evaluación para los sistemas de agua, así como modelar los fenómenos de falla hacia la gestión sostenible de la infraestructura subterránea. La ciudad de El Pedregal en Arequipa, Perú fue elegida para ejemplificar la metodología de la investigación debido al rápido ritmo de urbanización y al crecimiento de las actividades económicas en la región, que hacen que la infraestructura del agua sea aún más crítica. El marco se basa en la aplicación de técnicas de modelado derivadas del análisis de regresión estadística (RA) y la representación esquemática 3D. En primer lugar, se determinan los factores influyentes que conducen al deterioro de las WDNs. En segundo lugar, se aprovecha la técnica RA para evaluar y modelar la tasa de fallas a través de operaciones de simulación consecutivas y un gráfico de superficie en 3D. Finalmente, la eficacia del modelo se investiga utilizando diferentes métricas de desempeño, junto con un esquema de análisis residual. Los resultados de la validación revelaron la robustez del modelo con R-cuadrado (R2) y la suma de errores cuadrados (SSE) de 0,9767 y 0,0008, respectivamente. El modelo desarrollado es una herramienta predictiva que los ingenieros que laboran en la municipalidad pueden utilizar como medida preventiva contra futuras explosiones o fugas de tuberías.