민간인의 안전은 전 세계 정부의 근본적인 책임입니다. 테러 공격이 2001 년 9 월 11 일에 수천 건의 무고한 삶을 사로 잡은 이래로 인프라 취약점이 주목을 받았습니다. 당시 미국 대통령은 대중의 압력과 무거운 언론 보도에 따라 국토 안전의 중요한 요구에 관한 대통령 지침을 발표하고 책임있는 조직에 필요한 조치를 준수하고 주선하도록 명령했습니다.
중요한 인프라 중 하나는 아마도 가장 취약한 인프라는 WDS (Water Distribution System)입니다. WDS는 24/7 소비자에게 안전한 식수를 제공하도록 구성되어 있으며, 접근은 기본적인 인간 권리로 간주됩니다. WDS 파이프 라인은 문자 그대로 도시 경계 내부와 외부에서도 문자 그대로 확장되며, 이러한 인프라는 기물 파손이나 테러에 특히 취약합니다. 거리, 골목 및 앞문 아래를 지나가는 파이프 라인은 벽 웹에서 싱크대 탭과 욕실의 작은 부분 일뿐입니다.
또한 WDS는 거의 모든 곳에서 접근 할 수 있습니다. 터미널, 공공 욕실, 호텔, 학교, 거리, 공원의 공공 탭 및 목록에서 진행됩니다. 땅에 파고 들더라도 몇 피트의 깊이 아래에있는 파이프 라인을 찾을 수 있습니다. WDS의 기능은 고객에게 물을 전달하는 기능이 간단 해 보일 수 있지만, 저수지, 탱크 또는 기타 시스템을 통해 WDS에 들어가는 물은 수백 마일 또는 수천 마일을 이동하여 소비자에게 전달되기 전에 수십 개로 수백 개의 파이프와 접합을 통과합니다. 중독 된 물이 우연히 또는 방해 행위에 의해 WDS에 들어가면 거의 전체 WDS를 오염시킬 것이기 때문에 놀라운 일뿐만 아니라 무섭습니다.
.WDS를 통해 전달되는 손상된 물은 국가의 재앙을 일으킬 수 있으며, 역사는 그러한 사건의 상당 부분을 유지합니다. 예를 들어, 2000 년 5 월 캐나다 온 토리오 주 워커 턴 (Walkerton)에있는 식수가 2,300 명에게 심각하게 영향을 미쳤으며 7 명의 생명을 주장했습니다. 그러나 얼마나 많은 독이 손상을 입을까요? 일부 비소 화합물은 이러한 맥락에서 좋은 예가 될 수 있습니다. 비소는 저렴하고, 널리 사용 가능하며, 액체, 무색이며, 물에 용해 될 때 특정 냄새가 나지 않습니다. 이 화합물은 너무 독성이 뛰어나서 비소로 채워진 소다 병은 최대 4 천만 명의 사람들에게 비판적으로 영향을 미칠 수 있으며 소비량에 따라 하루 중 일부에서 며칠 동안 1 천만 명을 죽일 수 있습니다. 이것은 뉴욕 인구의 두 배 이상입니다.
예방 조치는 WDS의 범위로 인해 실용적이지 않지만, 물 오염으로 인해 본격적인 재앙을 피하는 유일한 방법은 첨단 기술, 매우 민감하고 매우 비싼 센서로 인해 WDS의 수질을 실시간으로 모니터링하는 것입니다. 이 센서 네트워크를 일반적으로 오염 경고 시스템 (CWS)이라고합니다. 이상적이지만 WDS의 모든 조인트에 센서를 배치하는 것은 불가능합니다. 이러한 WDS의 설치 및 유지 보수 비용은 도시 전체보다 연간 예산이 필요하기 때문입니다. 또한 이러한 첨단 기기에는 특정 온도, 습도 및 진동 조건이 필요합니다. 앞에서 논의한 바와 같이, 오염 된 물은 거의 모든 파이프 라인과 WDS의 교차점을 통과합니다. 그렇다면 몇 개의 센서가 수천 명의 작업을 완벽하게 수행 할 수있을 때 어디에나 센서를 배치하는 데있어 요점은 무엇입니까? 유일한 질문은 얼마나 많은 센서를 사용해야하고 어디에 배치 해야하는지입니다.
2000 년대 초 부터이 질문은 연구자들의 관심을 끌었으므로 많은 연구의 주제가되었습니다. 처음에는 간단한 것처럼 보이며, 엔지니어링 커뮤니티의 도전적인 작업이라는 점은 점차 명백해졌습니다. 수십에서 수천 개의 방법이 제안되었으며, 그 중 다수는 다른 기지에 기반을 두었습니다. 엔지니어 및 알고리즘의 설계 과제로서 워터 네트워크 센서의 전투조차도 2008 년에 최고의 보편적 방법을 찾기 위해 도입되었습니다.
최적화 기반 방법이 최상의 솔루션으로 등장했지만 전투는 승자를 선언하지 못했습니다. 한 가지 이유는 단순히 독특한 최고의 방법이 없기 때문입니다. 오염이 언제, 어디서, 어떻게 발생할 수 있는지와 관련된 불확실성은 다른 방법을 능가하는 한 가지 방법을 방해합니다. "제안 된 모델이 불확실성을 어떻게 처리합니까?" 선택한 모델의 Achilles의 발 뒤꿈치입니다. WDS에서의 물 흐름의 복잡성과 언급 된 불확실성으로 인해 시뮬레이션은 모든 최적화 모델에서 피할 수없는 부분입니다. 그러나 얼마나 많은 시뮬레이션이 필요합니까? 대답은 더 많은 시뮬레이션이 더 강력하고 신뢰할 수 있고 안전한 CWS 디자인을 초래할 수 없다는 것입니다. 수백만 건의 오염 시나리오를 시뮬레이션해야한다고 말할 수 있습니다. 그러나 이것은 작은 WD에 대한 몇 개의 기가에서 테라 바이터의 데이터를 초래할 것이며, 큰 WD는 물론 반복적 인 방식으로 CW의 설계를 위해 분석해야합니다. 소규모 도시의 WD조차도 CWS를 설계하려면 매우 비싼 슈퍼 컴퓨터, 상당한 수준의 전문 지식 및 장기 시간이 필요합니다. 또한 데이터가 매우 크면 글로벌 최적 CW를 찾을 가능성이 줄어들고 실행 시간이 급증합니다.
계산 부담을 다루기 위해 연구원들은 전통적으로 시뮬레이션의 수를 제한하고 센서에 배치 할 수있는 위치의 수를 제한했습니다. 이는 파생 된 솔루션의 정확성과 객관성을 손상시킬 수 있습니다. 저널 Water Research 의 정보 이론을 사용하여 물 분배 네트워크에 센서의 최적 및 객관적인 배치라는 최근 논문 CWS 디자인의 문제는 비싸고 부정확합니다. 정보의 가치 개념 (VOI) 및 TRANSINFORMATION ENTROPY (TE)의 개념을 사용함으로써 모델 시뮬레이션의 수와 센서 위치의 사전 할당에 대한 제한이 필요하지 않으며 실제로 시나리오 시뮬레이션의 수가 CWS 설계의 견고성을 높이기 위해 증가시킬 수 있음을 보여주었습니다. 더 흥미롭게도,이 모든 것은 일반적인 개인용 컴퓨터를 사용하여 실행할 수 있습니다. 정보학 방법 (VOI 및 TE)은 시뮬레이션에서 얻은 추가적인 데이터를 몇 바이트의 데이터로 변환합니다. VOI 및 TE 값의 최적 포인트는 최적의 CW와 관련이 있으며, 데이터의 작은 크기로 인해 최적의 지점을 찾는 것이 다소 빠르고 간단합니다.
제안 된 정보 이론적 접근법은 확장 된 검색 영역, 즉 더 많은 오염 시나리오를 허용하며, 이는 기존 모델에 비해 제안 된 모델의 정확도가 높아집니다. 이 논문에서 우리는 제안 된 모델을 미국 환경 보호국 (EPA)이 개발 한 센서 배치 문제에 대한 가장 입증되고 널리 받아 들여지고 고도로 높은 소프트웨어 인 Teva-Spot과 비교 하여이 주장을 입증했습니다. 이 비교의 흥미로운 발견은 제안 된 모델의 정확도가 Teva-Spot에 비해 약간 개선되지만 Teva-Spot에 비해 훨씬 빠르며 특정 기기가 필요하지 않다는 것입니다.
.이러한 결과는 최근 저널 Water Research에 발표 된 정보 이론을 사용하여 물 분배 시스템에서 센서의 최적 및 객관적인 배치라는 제목의 기사에 설명되어 있습니다. 이 작업은 Shiraz University의 Mohammad S. Khorshidi와 Mohammad Reza Nikoo와 Boise State University의 Mojtaba Sadegh가 수행했습니다.
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