A new random network model for analysing the resilience of water distribution systems = A new random network model for analysing the resilience of water distribution systems
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2019
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61-62(2쪽)
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As one of the most important critical infrastructures, water distribution systems (WDSs) support the functioning of human society by transmitting water resource from sources to consumers. Because of the importance of the WDSs functions, resilience and sustainability have always been an interest. One way to analyze the ability of the infrastructure is to represent it as a complex network which is composed of nodes and edges. The topology of water distribution networks (WDNs) generally shows its characteristics between lattice and tree networks in planar space. While numerous network models have been introduced by previous research, to the best of our knowledge, a network model including the characteristics of WDNs does not exist. Furthermore, the existing network metrics should be modified to appropriately be used for analyzing the topology of WDNs.
In this research, (1) we proposed a new network model that generates random planar networks with a specific proportion of grids. The model also includes WDNs’ characteristics, such as source and demand nodes, and then established as a primal undirected network. Then (2) we assessed the topology of generated networks with Monte Carlo simulation for stochastic approach, (3) analyzed the vulnerability of the WDNs by random failure scenarios, and (4) compared the results of generated networks with those of a case study, which is WDS in northern part of Boryeong city, South Korea.
In the results, while the structural redundancy and robustness showed linear change as the portion of grids changes, the functioning of systems showed non-linear performance with an existence of a threshold in which an abrupt change occurs. Generally, the variation of performance with changing grid proportion is relatively stable near lattice networks but this becomes significantly large after passing a threshold toward tree networks. The analysis of centrality and vulnerability also showed non-linear behavior with a similar threshold and tree networks were more vulnerable than lattice networks. The WDS of the case study had a minor portion of grids resulting in the efficiency of 0.0298 with p equal to 0.93 beyond the threshold, which is close to a tree network. This analysis implies that the design of WDN is not the most efficient one and could be vulnerable to external failures. On the other hand, it also indicates that the functional resilience of the case study can be improved by increasing the proportion of grids in the existing network. However, the most effective point for installing grids should also be identified.
This research provides information on how the proportion of grids can affect the functioning of systems, which can be used for reducing the consequence from failures. It also provides a way of implementing big data with network science for analyzing the resilience of WDSs.
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