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Real-time water quality prediction in water distribution networks using graph neural networks with sparse monitoring data

人工神经网络 计算机科学 可靠性(半导体) 水质 机器学习 预测建模 数据挖掘 图形 人工智能 生态学 量子力学 理论计算机科学 生物 物理 功率(物理)
作者
Zilin Li,Haixing Liu,Chi Zhang,Guangtao Fu
出处
期刊:Water Research [Elsevier BV]
卷期号:250: 121018-121018 被引量:118
标识
DOI:10.1016/j.watres.2023.121018
摘要

Ensuring the safety and reliability of drinking water supply requires accurate prediction of water quality in water distribution networks (WDNs). However, existing hydraulic model-based approaches for system state prediction face challenges in model calibration with limited sensor data and intensive computing requirements, while current machine learning models are lack of capacity to predict the system states at sites that are not monitored or included in model training. To address these gaps, this study proposes a novel gated graph neural network (GGNN) model for real-time water quality prediction in WDNs. The GGNN model integrates hydraulic flow directions and water quality data to represent the topology and system dynamics, and employs a masking operation for training to enhance prediction accuracy. Evaluation results from a real-world WDN demonstrate that the GGNN model is capable to achieve accurate water quality prediction across the entire WDN. Despite being trained with water quality data from a limited number of sensor sites, the model can achieve high predictive accuracies (Mean Absolute Error = 0.07 mg L-1 and Mean Absolute Percentage Error = 10.0 %) across the entire network including those unmonitored sites. Furthermore, water quality-based sensor placement significantly improves predictive accuracy, emphasizing the importance of careful sensor location selection. This research advances water quality prediction in WDNs by offering a practical and effective machine learning solution to address challenges related to limited sensor data and network complexity. This study provides a first step towards developing machine learning models to replace hydraulic models in WDN modelling.
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