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Control-theoretic modeling of multi-species water quality dynamics in drinking water networks: Survey, methods, and test cases

离散化 状态空间 计算机科学 代表(政治) 数学优化 控制理论(社会学) 应用数学 数学 控制(管理) 数学分析 人工智能 政治学 政治 统计 法学
作者
Salma M. Elsherif,Shen Wang,Ahmad F. Taha,Lina Sela,Marcio Giacomoni,Ahmed A. Abokifa
出处
期刊:Annual Reviews in Control [Elsevier BV]
卷期号:55: 466-485 被引量:2
标识
DOI:10.1016/j.arcontrol.2022.08.003
摘要

Chlorine is a widely used disinfectant and proxy for water quality (WQ) monitoring in water distribution networks (WDN). Chlorine-based WQ regulation and control aims to maintain pathogen-free water. Chlorine residual evolution within WDN is commonly modeled using the typical single-species decay and reaction dynamics that account for network-wide, spatiotemporal chlorine concentrations only. Prior studies have proposed more advanced and accurate descriptions via multi-species dynamics. This paper presents a host of novel state-space, control-theoretic representations of multi-species water quality dynamics. These representations describe decay, reaction, and transport of chlorine and a fictitious reactive substance to reflect realistic complex scenarios in WDN. Such dynamics are simulated over space- and time-discretized grids of the transport partial differential equation and the nonlinear reaction ordinary differential equation. To that end, this paper (i) provides a full description on how to formulate a high fidelity model-driven state-space representation of the multi-species water quality dynamics and (ii) investigates the applicability and performance of different Eulerian-based schemes (Lax-Wendroff, backward Euler, and Crank- Nicolson) and Lagrangian-based schemes (method of characteristics) in contrast with EPANET and its EPANET-MSX extension. Numerical case studies reveal that the Lax-Wendroff scheme and method of characteristics outperform other schemes with reliable results under reasonable assumptions and limitations.

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