Application of Interval Arithmetic to formulate a method in Fault Detection and Isolation (FDI)

Abstract

This doctoral thesis presents the use of interval observers in the field of Fault Detection and Isolation (FDI), with application to fluid transportation systems through horizontal pipelines. Employing interval arithmetic as the theoretical basis, the developed approach stands out for its reliability and precision, leveraging the fundamental principles of interval arithmetic to enhance efficiency in identifying system faults. The study delves into the formulation of a comprehensive method aiming to overcome conventional limitations by effectively addressing the inherent uncertainty in measurements and modeling errors encountered when using analytical models to describe fluid movement in a horizontal pipeline. System and signal uncertainty complicates the identification of faults, reducing accuracy. In this context, interval arithmetic provides an analytical framework for managing numerical variability and algebraic expressions that arise during the acquisition of the interval-type analytical model. An observer is designed using an interval model to provide enhanced fault detection and uncertainty rejection. The interval-type analytical models are then validated on a reals life example to obtain an FDI validation, enabling FDI analysis of faults. This analytical approach proves to be a key element in obtaining more structured and reliable results in fault detection under the presence of system uncertainty and signal perturbation. The practical relevance of this research is highlighted by the proposed method’s capability to achieve reliable leak detection. This achievement not only contributes to the advancement in academic research but also seeks to establish tangible and valuable applications in the industrial sector. The results if this research directly contribute to enhancing safety and resource management in critical infrastructures, marking a milestone in the convergence between theoretical research and the practical problem-solving in the fluid transportation sector. This approach promises to generate a positive impact on the integrity and operation of fluid transportation systems through pipelines.

Esta tesis doctoral introduce una propuesta novedosa en el ámbito de la detección y aislamiento de fallos FDI en sistemas de transporte de fluidos a través de tuberías horizontales, al emplear la aritmética por intervalos como referente analítico. El enfoque desarrollado destaca por su confiabilidad y precisión, haciendo uso de los principios fundamentales de la aritmética por intervalos para mejorar la eficiencia en la identificación de fugas en tuberías horizontales cuando un fluido circula a través de ellas. El estudio se adentra en la formulación de un método integral que busca superar las limitaciones convencionales al abordar de manera efectiva la incertidumbre inherente en las mediciones y los errores de modelado presentes al utilizar modelos analíticos para describir el movimiento de un fluido en una tubería horizontal. En este contexto, la aritmética por intervalos proporciona un marco analítico para gestionar las variabilidades numéricas y expresiones algebraicas surgidas durante la obtención del modelo analítico tipo intervalo y posteriormente diseñar sobre este modelo intervalo un estimador de estados analítico denominado observador intervalo, para tener una descripción total del fenómeno físico y posteriormente validar estos modelos analíticos tipo intervalo para obtener una validación FDI que va permitir realizar análisis FDI de fugas. Este enfoque analítico se revela como un elemento clave para obtener resultados más estructurados y confiables en la detección de fugas cuando un fluido circula por una tubería horizontal. La relevancia práctica de esta investigación resalta en la capacidad del método propuesto para lograr una detección confiable de fugas. Este logro no solo impulsa el avance en la investigación académica, sino que también busca establecer aplicaciones tangibles y valiosas en el ámbito industrial. La implementación de esta innovación contribuye directamente a mejorar la seguridad y la gestión de recursos en infraestructuras críticas, marcando un hito en la convergencia entre la investigación teórica y la solución de problemas prácticos en el sector del transporte de fluidos. Este enfoque integral promete generar un impacto positivo y duradero en la integridad y operación de sistemas de transporte de fluidos a través de tuberías a nivel global. (Texto tomado de la fuente).