ACQUA 4.0 – il Water Management System da inserire nel PNRR.

Acqua 4.0 – Una soluzione smart per il servizio idrico integrato

 

E’ già stato testato in diverse Utilities, Acqua 4.0 è un Water Management System. Uno strumento straordinario nella strategia di gestione del ciclo idrico ed è tra gli elementi che possono fare la differrenza nei progetti di digitalizzazione delle reti idriche finanziabili dal PNRR  (Missione 2; Componente 4; Misura 4; Investimento 4.2). Progettato da INGEGNERIE TOSCANE  è uno strumento potentissimo per le scelte strategiche delle utilities.

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In Italia le perdite nella rete idrica superano la metà dell’acqua immessa, comportando oltre ai disservizi verso le utenze anche uno spreco importante di energia, necessaria per il suo pompaggio e trattamento.

Le principali cause del fenomeno sono: Elevata età media dell’infrastruttura; Numerose perdite occulte; Inefficienza nella gestione della rete; Limitata capacità di pianificare investimenti efficaci per mancanza di informazioni chiave.

In ambito nazionale ed internazionale nel corso degli anni sono state sviluppate in modo congiunto o indipendente metodologie, tecnologie e prodotti diversi per affrontare tali problematiche, ma si tratta di sistemi isolati ed altamente specializzati che non consentono di avere una visione completa dell’intero contesto.

Acqua 4.0 è un progetto di R & S, da 3.2 Milioni di Euro, che è stato co-finanziato con 1.3 milioni di Euro dalla Regione Toscana attraverso il programma operativo regionale (Por) del Fondo europeo di sviluppo regionale (Fesr) 2014-2020, e nasce da un idea di 4 società Toscane: Ingegnerie Toscane, Sister, Hesplora, e BRE elettronica ( in seguito S4W) , che hanno investito in esso, dal 2017 al 2020,  risorse , know-how e personale in attività di ricerca e sviluppo.

Acqua 4.0 è una soluzione innovativa,  caratterizzata da una piattaforma software modulare,  che consente l’utilizzo sinergico di principi e tecnologie dell’ITC già mature quali business intelligence, GIS, modellazione idrica, intelligenza artificiale e analisi di immagini satellitari, con quelle abilitanti dell’Industria 4.0 quali integrazione orizzontale e verticale, big data, analytics, fabbrica virtuale, IoT e automazione, al fine di realizzare un sistema che ottimizzi tutta la catena di processi del SII, dall’acquisizione dei dati fino alla fruizione di informazioni per assumere decisioni.

La piattaforma si integra con sistemi consolidati quali il GIS, lo SCADA, l‘ERP, il WFM, etc. ed è destinata ai gestori del Servizio Idrico Integrato, al fine di favorire una gestione più ecosostenibile di un bene comune come quella dell’acqua riducendo sprechi, consumo energetico, emissioni, costi e migliorando in generale il servizio offerto. In sintesi, Acqua 4.0 permette di avviare la fondamentale innovazione per far convergere il concetto di SII con il disaccoppiamento tra sviluppo economico e consumo di risorsa ed energia.

Il settore del servizio idrico è un settore industriale ad alta intensità energetica che ha urgenza ed è strutturalmente candidato all’integrazione degli impianti con le tecnologie digitali per arrivare all’integrazione tecnica dei CPS (sistemi cyberfisici) e all’applicazione di Internet delle cose nel processo produttivo e gestionale (sollevamenti, potabilizzazione, distribuzione, gestione dei flussi, controllo perdite, misura, bollettazione, ecc.).

L’integrazione digitale degli impianti e dei processi ha però bisogno di un punto di rottura, di una piattaforma abilitante: questo è in sintesi quello che Acqua 4.0 è riuscito a definire e validare con il progetto di R&S.

Acqua 4.0 è in grado, con la sua visione di alto livello derivata dal fatto di avere a disposizione i dati di diversi sistemi e di applicare innovative metodologie per la loro elaborazione, di supportare non solo le decisioni per il rinnovamento della rete, ovvero per azioni strategiche che portano a risultati nel medio-lungo periodo, ma anche di migliorare le condizione della rete nel breve termine, ottimizzando la manutenzione della rete in modo da prevenire nuove perdite, gestire al meglio le perdite conosciute ma soprattutto riuscire ad identificare e localizzare quelle in corso, generalmente occulte, fornendo indicazioni sulle possibili cause e sulle soluzioni più efficienti da prendere in tempi rapidissimi.

Più in generale Acqua 4.0 ha l’obiettivo di far evolvere le public utilities dell’acqua in ottica di strategia Industria 4.0, aiutandoli a diventare una “integrated Industry”, in cui i processi informatici e di comando vengono messi in rete ed eseguiti in modo integrato. In tal modo, tutti i reparti aziendali hanno accesso ai dati di produzione e distribuzione, con l’effetto di avere una integrazione “orizzontale” nell’intera azienda. Siamo infatti certi che nell’integrazione verticale vi sia un grande potenziale in gran parte non ancora esplorato di ottimizzazione per migliorare la distribuzione ed ottimizzare gli investimenti sulla rete idrica.

Acqua 4.0 consente di capitalizzare sistemi già in essere: GIS, SCADA, ERP, WFM, in quanto la sua idea di base è quella di interfacciarsi con essi per acquisire i loro dati, elaborarli con i suoi innovativi moduli basati su tecnologie quali analytics, intelligenza artificiale, sistemi esperti ed ontologie, ed infine restituire suggerimenti per decisioni più efficaci.

Acqua 4.0 consente la digitalizzazione dei processi operativi: acquisire la miriadi di dati che influenzano i nostri processi che sono già oggi disponibili e che saranno destinati a moltiplicarsi nel breve periodo, trattarli, archiviarli, elaborarli, procedere alle modellazioni numeriche, applicare strumenti di machine learning, presentare le informazioni estratte dai dati e metterle a disposizione dei decisori.

Acqua 4.0 è il mezzo con il quale sviluppare strumenti di machine learning per far apprendere ad un algoritmo a prevedere quando si presenterà una perdita su una rete, a stimare il consumo di una rete in un istante specifico, a segnalare quando un processo non è più efficiente, quando il comportamento di soggetti da sempre simili diventa dissimile e quindi da indagare, quando un misuratore non è più affidabile e deve essere sostituito ancor prima che si guasti. In sostanza vogliamo riconoscere un evento prima che questo si presenti nelle sue forme peggiori, “manca pressione”, “manca acqua”, una “voragine”, vogliamo insegnare alle macchine a riconoscere questi comportamenti in tempo utile per prendere dei provvedimenti.

In sintesi i risultati che si possono raggiungere adottando Acqua 4.0 sono:

  • Migliore capacità di individuazione e valutazione delle anomalie;
  • Ottimizzazione delle attività sul campo ordinarie e di emergenza;
  • Accresciuta efficacia degli investimenti;
  • Miglioramento dei processi di depurazione, della gestione della risorsa idrica e del rapporto verso utenze, authority e policy maker;
  • Riduzione del consumo energetico.

La piattaforma è stata testata con i dati di Acque Spa, gestore del servizio idrico integrato dell’AATO 2 Basso Valdarno e rappresenta l’ambiente in cui sono stati sviluppati molteplici applicativi di modellazione, analisi e previsione. Tale ambiente ha il grande pregio non solo di poter integrare tutti i dati disponibili in veri e propri datamart tematici, ma anche di avere già pronti i tools per il pre-processing, standardizzazione, normalizzazione e data cleaning necessari per lo sviluppo di nuovi modelli di analisi e di machine learning.

Caratteristiche della Piattaforma

La soluzione è composta da diversi moduli applicativi che seguono un approccio multicanale, permettendo l’accesso alle funzionalità, tramite un’interfaccia omogenea su più piattaforme (pc, mobile, ecc.). L’approccio di presentazione e l’accesso alle informazioni è GIS-centrico, ovvero la mappa è un elemento molto presente a livello di UI, ma ovviamente sono presenti anche molte altre modalità di rappresentazione e navigazione dell’informazione, quali grafici avanzati, reports, tabelle e cruscotti. L’applicazione principale è di tipo “Single Page Web Application”, ovvero aggiorna i contenuti dinamicamente, per parti, seguendo l’interazione dell’utente, senza bisogno di aggiornare l’intera pagina.

Acqua 4.0 è costruito sulla base di un solido framework applicativo, modulare, flessibile e configurabile, pensato specificatamente per le utilities. Questo framework si basa, a sua volta, su software di terze parti di nota robustezza, affidabilità e diffusione, in particolare sulla piattaforma Esri. Il framework attualmente viene usato in diverse soluzioni nell’ambito delle utilities e viene mantenuto e arricchito continuamente di funzionalità di alto valore, specifiche per le reti tecnologiche.

In particolare, la soluzione è costituita principalmente da:

  • Un modello dati GIS-centrico basato sulla piattaforma Esri
  • Un’architettura SOA, con servizi applicativi lato server di elaborazione dati, integrazione applicativa e funzionalità end-to-end.
  • Moduli applicativi Desktop (principalmente estensioni ArcGIS Desktop)
  • Moduli applicativi Web multi piattaforma (principalmente basati su ArcGIS Server)

A questi si aggiungono tutti i moduli applicativi disponibili nella piattaforma Esri:

ArcGIS Desktop, ArcGIS Mobile, ArcGIS Online, Web AppBuilder, ecc.

La soluzione è concepita per diminuire l’impatto a livello organizzativo e di conseguenza il rischio, garantendo:

  • Integrazione – Semplicità di integrazione con i sistemi legacy
  • Adattamento – evoluzione a partire da modello dati, workflows e processi pre-esistenti.
  • Gradualità – Modularità e possibilità di impianto in modo scaglionato, secondo un piano personalizzato.
  • Autonomia – Permettere all’organizzazione di governare i processi e gestire l’evoluzione dei propri sistemi anche in modo indipendente.

Il sistema è stato progettato tenendo in considerazione una serie di caratteristiche e capabilities per raggiungere, come obiettivo primario, l’efficacia della soluzione secondo la crescente domanda di informazioni e dinamicità del management:

  • Alte prestazioni – utilizzo di tecnologie allo stato dell’arte e di una progettazione accurata per raggiungere altissime prestazioni, in termini di velocità di risposta e volume di dati trattati.
  • Massima fruibilità – implementazione di accesso multicanale alle informazioni, integrazione trasversale con i sistemi aziendali, interfacce utente evolute e funzionali.
  • Ottima manutenibilità – scelta di un’architettura software robusta, consolidata, con tecnologie altamente flessibili, scalabili e configurabili, garantendo costi di manutenzione ridotti e massima flessibilità nella gestione ed evoluzione futura.

Alcuni requisiti di carattere generale:

  • Possibilità di customizzazione estrema in termini funzionali e di prestazioni.
  • Selezioni di oggetti e rendering dinamico di layers su volumi di dati arbitrari.
  • Capacità di filtro/ricerca full-text, non case-sensitive, ecc.
  • Strumenti di editing alfanumerico, vettoriali e topologici.
  • Capacità di navigazione ed editing offline.
  • Collegamento fra layers e navigazione relazioni fra oggetti.
  • Capacità di visualizzazione responsivo di dati real-time (es. serie con centinaia di migliaia di valori campionati).
  • Profilazione multilivello, sia sulle funzionalità che sui dati, a tre livelli Applicazione àProfilo àUtente (ogni settaggio o funzionalità può essere profilato)
  • Salvataggio e condivisione delle configurazioni e configurazioni multiple per utente.
  • Monitoraggio e auditing delle sessioni di lavoro.
  • Tutte le applicazioni web devono essere responsive multipiattaforma (fruizione ottimale mobile-tablet-desktop).

 Il sistema nel suo complesso riesce a fornire un supporto efficace ad i suoi utilizzatori finali in diversi ambiti applicativi, mettendo a disposizione una serie di strumenti e funzionalità di altissimo valore.

Individuazione e assessment delle perdite idriche

  • Distrettualizzazione e caratterizzazione della rete (anche in ottica statistica, andamento e analisi della domanda)
  • Identificazione precoce, monitoraggio, censimento e anagrafica delle perdite
  • Modelli di simulazione e calcolo delle probabilità di perdita basate su modelli e su dati storici (ordini di riparazione perdite)
  • Ottimizzazione delle operazioni sul campo (attività ordinarie e di emergenza)
  • Cruscotti e indicatori ordini/avvisi a livello di sito e distretto (vedi attuale DSS Operazioni)
  • Cruscotti e indicatori stato funzionamento rete a livello di sito e distretto
  • Supporto per la pianificazione, attività basata su agenti (regole) e GIS (WFM).
  • Gestione e ottimizzazione flotte (tracking e schedulazione percorsi)
  • Storico manovre e strumenti di assessment settaggi.
  • Supporto all’individuazione causa-effetto di avvisi/guasti basati sulla modellazione della conoscenza.
  • Ottimizzazione della manutenzione della rete e degli impianti (idrici e fognari) – conduzione impianti

Ottimizzazione degli investimenti

  • Cruscotti e indicatori sullo stato di funzionamento (livelli prestazionali) della rete (con profondità storica)
  • Cruscotti e indicatori su evoluzione della domanda (a partire da dati statistici, piani comuni e dati aziendali)
  • Supporto ai piani industriali per il rinnovo di condotte e siti.
  • Supporto alla progettazione di nuove/potenziamento reti, impianti e utilizzo della risorsa idrica.
  • Cruscotto diagnostico delle operazioni indicatori sull’efficienza energetica degli impianti
  • Monitoraggio diretto del rapporto perdite-energia
  • Analisi del rendimento della rete tramite un bilancio energetico (energia teorica vs energia effettiva).

Ottimizzazione della gestione della depurazione

  • Calcolo stima della portata delle fognature
  • Gestione dello stato di allacciabilità alle diverse infrastrutture di impianto.
  • Identificazione dei criteri di allacciabilità e tariffa delle utenze (secondo regolamenti)
  • Analisi della fattibilità allacci da parte di utenti (secondo regolamenti)
  • Ottimizzazione della gestione della risorsa idrica
  • Cruscotti e indicatori per il monitoraggio/previsione della risorsa idrica (disponibilità) rispetto ai piani di utilizzo imposti dall’autorità di distretto.
  • Strumenti di simulazione che prevedano scenari di utilizzo differito della risorsa.

Miglioramento del rapporto verso le utenze e authority, Comuni, policy maker

  • Gestione e calcolo del Bilancio idrico dei sistemi
  • Gestione e monitoraggio degli Indicatori ARERA
  • Produzione di indicatori prestazionali del servizio (KPI)
  • Pubblicazione dati in conformità alla direttiva 2007/2/CE

Conclusioni

La soluzione si è dimostrata efficace e può essere lo strumento in grado di indurre all’interno delle aziende lo sviluppo di nuovi profili e schemi organizzativi.

Tutti i settori, dalle sale di pianificazione e controllo centralizzate fino agli utenti operativi finali, difronte al proliferare di dati ed eventi,  devono poter disporre velocemente di informazioni sintetiche e già relazionate sulla base delle quali prendere delle decisioni o fare analisi successive.

Sistemi innovativi come il GIS , lo SCADA, l’ERP ritenuti, giustamente, indispensabili nelle fasi di analisi finale, potranno essere valorizzati da queste nuove entità software di più alto livello in  grado ridurre e rendere disponibile  i dati in modalità  più “smart”.

Autori: Oberdan Cei, Ernesto Lastres. Pubblicato su Servizi a Rete N.01 gennaio 2021

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Paolo Lunardelli

Water Blogger

Ho studiato chimica per svelare i meccanismi di autoprotezione dell’ambiente. Ho imparato ad applicare le leggi della natura e della chimica per depurare le acque che utilizziamo ed inquiniamo.

Negli ultimi anni, dopo aver fondato la Smartwater, sono impegnato come imprenditore e consulente, nel miglioramento dei processi depurativi mediante la buona progettazione; la corretta costruzione e una gestione affidabile degli impianti; grazie a esperienza, strumentazione e software dedicati.

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