Wdrażanie technologii przemysłu przyszłości w zakresie gospodarki obiegu zamkniętego na przykładzie innowacyjnych rozwiązań wodociągowych, szczególnie z perspektywy spółek komunalnych

Michał Oktawiec
Ekspert FPPP

Zadaniem przedsiębiorstw wodociągowych jest dostarczanie wody pitnej do użytkowników końcowych zgodnie z szóstym celem zrównoważonego rozwoju 2030 Organizacji Narodów Zjednoczonych. Woda, która jest czysta i wolna od zanieczyszczeń jest dostarczana za pomocą systemów wodociągowych. Zasób jest wykorzystywany w praktycznie każdym nowoczesnym procesie przemysłowym. Medium pełni istotną rolę w rozwoju miast i gospodarek ca całym świecie. Zadaniem sieci wodociągowej jest rozprowadzenie i zaopatrzenie uzdatnionej wody do odbiorców poprzez rozległą i złożoną sieć wodociągów. Współczesne sieci wodociągowe są skomplikowanym systemem, w których zachodzą dynamiczne zmiany. Powoduje to trudności w odpowiednim zarządzaniu systemem zaopatrzenia w wodę ze względu na stochastyczny charakter tego zapotrzebowania. Systemy te składają się ze złożonej sieci rurociągów, które zostały wkopane w ziemię wiele lat temu. Poszczególne odcinki rurociągów, w szczególności w miastach, są bardzo często trudno dostępne w gęstej sieci infrastruktury podziemnej. Dodatkowo czynnikiem wpływającym na trudność w zarządzaniu siecią wodociągową są poziom urbanizacji, zmiany klimatyczne, rosnące i zróżnicowane wymagania konsumentów oraz ograniczone zasoby wodne, rosnąca liczba ludności w miastach, ciśnienia w systemie, zarządzania zapotrzebowaniem na wodę, pracą pomp, planowaniem i kontrolą operacyjną systemów zaopatrzania w wodę oraz bezpieczeństwem wodnym (Bello 2005).

Jednym z najważniejszych problemów wpływających na funkcjonowanie sieci wodociągowej są straty wody spowodowane nieszczelnością przewodów. Systemy wodociągowe stanowią trudnodostępne elementy infrastruktury podziemnej o znacznej wielkości. W związku z tym monitorowanie poprawności ich działania jest wyzwaniem w zakresie zaopatrzania użytkowników w wodę. Uszkodzenia rurociągów powstają w wyniku starzenie się przewodów, korozji rur, pęknięć występujących wzdłuż rur, szkód górniczych oraz w wyniku ingerencji przez osoby trzecie (np. z powodu uszkodzenia sieci w trakcie wykonywania wykopu przez koparkę). Nawet w nowym systemie straty mogą wystąpić w miejscu łączenia rur (Adedeji 2017, 2018). Problem lokalizacji wycieków wody staje się znacznie bardziej złożony w sytuacji, gdy wycieki występują w kilku różnych punktach na sieci. Istotne jest szybkie zlokalizowanie wycieków z rur. Przez trudności w zlokalizowaniu powyższych awarii, przedsiębiorstwa wodociągowe tracą dużą ilość wody. W skali roku operatorzy sieci ponoszą znaczne koszty inwestycyjne na wykrywanie i naprawę nieszczelności (Delgado – Galvan i inni 2010). Wskaźnik utrzymania infrastruktury podziemnej wzrasta wykładniczo, gdy coraz większa ilość rur wymaga konserwacji (Fontana 2013). Starty wody z sieci wodociągowej powodują straty finansowe, zwiększone koszty utrzymania w celu naprawy nieszczelnych rur oraz zwiększone wydatki energetyczne (Colombo 2002, 2005, Coveli 2016, Adedeji 2017, Fontana 2016 ). Biorąc pod uwagę tę ostatnią kwestię, wystąpienie wycieku wymaga więcej energii do utrzymania pożądanego poziomu usług (Colombo 2005, Covelli 2016). Wpływa to na zwiększenie kosztów energii wynikające z dodatkowego pompowania wody. W związku z tym stosunkowo wysoki koszt związany z pompowaniem z powodu nieszczelności jest jednym z problemów spowodowanych stratami wody. Zatem eksploatacja systemów dystrybucji wody wymaga zazwyczaj dużej ilości energii, która zmienia się w zależności od charakterystyki obsługiwanego regionu (Bolognesi 2014). W Stanach Zjednoczonych oszacowano, że dodatkowo około 10 mld kWh wytworzonej energii rocznie jest zużywane przez występujące straty wody w systemie wodociągowym (Puust 2010). Pogorszeniu może ulec również jakość wody. Dzieje się tak, ponieważ nieszczelności pozwalają na dostanie się infekcji do systemu wodociągowego pracującego w warunkach niskiego ciśnienia (Adedeji 2017, Bolognesi 2014). Zwiększa to ryzyko pogorszenia jakości wody, co również rodzi potrzebę oceny poziomu zanieczyszczenia wody w systemie. Dlatego też niezwykle ważne jest rozwiązanie problemu strat wody w sieciach dystrybucji wody.

Kolejnym istotnym zagadnieniem wpływającym na funkcjonowanie sieci wodociągowej jest odpowiednia praca pomp, która polega na sformułowaniu optymalnego harmonogramu działania urządzeń. Optymalizacja przepompowni pozwoli przedsiębiorstwom wodociągowym na podjęcie decyzji o najlepszej strategii minimalizacji kosztów pompowania w sieciach wodociągowych przy jednoczesnym zapewnieniu akceptowalnego poziomu usług dla użytkowników końcowych. Odpowiednie zarządzanie ciśnieniem w sieci wodociągowej polega na monitorowaniu i kontrolowaniu ciśnienia w węźle, aby nie było zbyt wysokie (w celu zmniejszenia wycieków), a także aby nie było zbyt niskie (w celu spełnienia wymaganego poziomu ciśnienia wody potrzebnego do zaspokojenia zapotrzebowania konsumentów w takim węźle).

Ponadto, sieci dystrybucji wody są narażone na różne źródła ataków. Zagrożenia te można podzielić na fizyczne, cybernetyczne lub kombinacji obu tych czynników (Bello 2018). W ostatnich latach zanotowano liczne cyberataki na infrastrukturę systemów dystrybucji wody (Dakin 2009, Amin 2010, Taormina 2017, Adedeji 2020). Dodatkowo systemy wodociągowe mogą zostać skażone środkami chemicznych lub biologicznych .

Jednym z problemów wpływających na funkcjonowanie systemów zaopatrzenia w wodę jest wzrost urbanizacji, który wpływa na poziom zapotrzebowania na wodę. Populacja ludności w miastach cały czas wzrasta. W poszczególnych krajach tempo wzrostu urbanizacji będzie różne. Do 2025 roku większość światowej populacji będzie zamieszkiwać regiony miejskie (IWMI 2008). Ponadto UNESCO (2016) prognozuje, że do 2050 roku populacja ludności wzrośnie z 3,9 do 6,3 mld w aglomeracjach miejskich. Dodatkowo postęp technologiczny wpływa na urbanizację. Szacuje się, że przemysł oraz mieszkańcy będą zużywać znaczną część dostępnej wody w regionach miejskich. Stanowi to poważne zagrożenie dla dostępnych zasobów wodnych. Jeśli obecny trend się utrzyma, to do 2030 roku zapotrzebowanie na wodę będzie o 40% większe niż jej podaż (Alexandros 2014). Kluczowe staje się więc zrewolucjonizowanie systemu zaopatrzenia w wodę dla zrównoważonego rozwoju inteligentnych miast (Smart City). Działanie takiego systemu musi być skuteczne w zarządzaniu, w celu zapewnienia zrównoważonego zaopatrzenia w wodę, aby zaspokoić rosnące zapotrzebowanie konsumentów. Stwarza to zapotrzebowanie na inteligentne systemy do celów zarządzania operacyjnego.

Woda 4.0

W ostatnich latach technologie informatyczne zostały zastosowane w systemach wodnych, aby pomóc przedsiębiorstwom wodociągowym w rozwiązaniu niektórych z tych problemów. Niestety, wcześniejsze rozwiązania ICT (Information and Communication Technology) nie były w stanie zapewnić niezbędnego wsparcia dla aplikacji, aby poradzić sobie z dynamiką środowisk systemów wodociągowych. Jednocześnie wraz z rosnącym wzrostem technologii, sektor wodny przechodzi do pełnej fazy cyfryzacji w celu zwiększenia trwałości systemów. W ten sposób badana jest nowa rewolucja przemysłowa w kontekście wody (Woda 4.0). Określa się ją mianem Woda 4.0, która oferuje lepsze możliwości zwiększenia zrównoważenia działań systemów wodociągowych. Czym jest Woda 4.0?

Woda 4.0, znana również jako czwarta rewolucja przemysłowa w wodzie, odnosi się do integracji zaawansowanych technologii w branży wodnej, takich jak Internet rzeczy (IoT), sztuczna inteligencja (AI) i analityka dużych danych (BIG DATA), w celu poprawy wydajności, zrównoważonego rozwoju i odporności systemów wodnych. Jest to holistyczne podejście do zarządzania wodą, które ma na celu optymalizację całego cyklu wodnego, od pozyskiwania, przez uzdatnianie i dystrybucję, po ponowne wykorzystanie i zrzut. Przedsiębiorstwa komunalne mogą wykorzystać technologie Woda 4.0 do optymalizacji swoich systemów zaopatrzenia w wodę i zarządzania nią, poprzez wdrożenie inteligentnych sieci wodnych, oprogramowania do zarządzania wodą i innych rozwiązań cyfrowych (Ziemer 2017).

Technologie Woda 4.0 mogą umożliwić bardziej wydajne i skuteczne zarządzanie wodą poprzez:

usprawnienie monitorowania i pomiarów zasobów wodnych i infrastruktury,
usprawnienie procesu podejmowania decyzji poprzez analizę danych i modelowanie w czasie rzeczywistym,
optymalizację zużycia wody i ograniczenie jej strat dzięki inteligentnym pomiarom i wykrywaniu wycieków,
podniesienie jakości wody poprzez zaawansowane technologie uzdatniania i ponownego wykorzystania,
umożliwienie bardziej zrównoważonych i odpornych systemów wodnych dzięki digitalizacji i automatyzacji,
wykorzystanie cyfrowego bliźniaka (Digital Twin) systemu wodnego, który może być wykorzystany do symulacji i optymalizacji wydajności systemu, przewidywania problemów i planowania działań konserwacyjnych.

Woda 4.0 może również pomóc w rozwiązaniu globalnych wyzwań związanych z wodą, takich jak niedobór zasobu, zanieczyszczenie i zmiana klimatu. Może również promować bardziej zrównoważoną i zamkniętą gospodarkę poprzez zamknięcie cyklu wodnego.

Potencjalne zastosowania Wody 4.0

Coraz bardziej powszechnie są stosowane procesy cyfryzacji procedur, narzędzi i innych zasobów, rozpoczynając dzięki temu nową erę w gospodarce wodnej. Dzięki zwiększonej integracji IT, czujników i aplikacji modelowych powstają możliwości lepszego zrozumienia pracy systemów zaopatrzania w wodę. Szczegółowe opomiarowanie pozwala na precyzyjne zbieranie informacji o sieci, które dostarcza wiadomości o stanie systemu. Analiza otrzymanych danych pozwala na wykonanie optymalizacji sieci wodociągowej.

Poniżej przedstawiono kilka zastosowań nowych technologii w najważniejszych obszarach sieci wodociągowej.

Monitorowanie stanu rurociągu

Najważniejszymi oraz największymi elementami sieci wodociągowej są rurociągi dostarczające wodę do klientów. W wyniku starzenia się infrastruktury lub ingerencji osób trzecich dochodzi do awarii na sieci. W literaturze wskazuje się na kilka przyczyn uszkodzeń rurociągów (Restrepo 2009, Peekema 2013). Monitorowanie stanu rurociągu ma kluczowe znaczenie dla bezpieczeństwa i optymalnej pracy sieci wodociągowej. Proces polega na wykorzystania zaawansowanych technologii do obserwowania i przewidywania stanu rur pod kątem korozji, deformacji i wibracji, a także wydajności rurociągów w celu wykrywania i przewidywania potencjalnych problemów, zanim staną się one krytyczne. Może to obejmować wykorzystanie czujników, kamer i innych urządzeń monitorujących do gromadzenia danych o stanie rurociągu oraz wykorzystanie algorytmów analizy danych i uczenia maszynowego do analizy tych danych i identyfikacji wzorców lub anomalii.

W przypadku wykrycia deformacji wymagane są aktywne mechanizmy kontroli i systemy wspomagania decyzji, aby możliwe było rozwiązanie problemów w czasie rzeczywistym. W ostatnich latach, wraz z udoskonaleniem technologii, Woda 4.0 może automatycznie wykrywać obszary deformacji, a także aktywne mechanizmy sterowania i systemy wspomagania decyzji, aby pomóc przedsiębiorstwom wodociągowym w poprawie dotychczasowych procedurach. Jednym z rozwiązań jest możliwość wykorzystania sztucznej inteligencji do monitorowania stanu rur (Ogai 2018). Ponadto, systemy sztucznej inteligencji mają potencjał do tworzenia zautomatyzowanych procesów, które stale monitorują stan infrastruktury krytycznej. W ten sposób jest możliwe zagwarantowanie zrównoważonego działania sieci wodociągowej

Kontrola i monitorowanie ciśnienia

W wodociągach czujniki ciśnienia są montowane w węzłach w celu pomiaru ciśnienia wody. Kontrola i monitorowanie ciśnienia to ważne aspekty systemów dystrybucji wody. Kontrola ciśnienia służy do utrzymania stałego i bezpiecznego poziomu ciśnienia w systemie dystrybucji oraz do wykonania optymalizacji wydajności systemu poprzez dostosowanie poziomu ciśnienia do zapotrzebowania. Ciśnienie i zużycie wody są ze sobą powiązane. Kiedy zapotrzebowanie wzrasta, do węzła musi być przyłożone większe ciśnienie, aby zaspokoić rosnące potrzeby. Tak więc, aby zapewnić dostawy wody pitnej do użytkowników końcowych, ciśnienie musi być wystarczające, aby odpowiednio zaspokoić popyt w węźle. Niestety, przy rozpatrywaniu nieszczelności, aby zmniejszyć poziom strat w systemie, należy postąpić odwrotnie. Zagadnienie jest więc bardziej skomplikowane niż pierwotnie zakładano. Regulacja ciśnienia jest trudnym zadaniem, ponieważ popyt ze strony klientów nie jest liniowy. Dlatego niepewność popytu jest kolejnym problemem wpływającym na osiągnięcie dobrej kontroli ciśnienia w systemach.

Inteligentne systemy kontroli i monitorowania ciśnienia wykorzystują zaawansowane technologie, takie jak IoT (Internet rzeczy), sztuczna inteligencja (AI) i analityka dużych danych, aby poprawić wydajność i niezawodność kontroli i monitorowania ciśnienia. Systemy te mogą obejmować:

Inteligentne czujniki ciśnienia, które są umieszczone w całym systemie dystrybucji, aby mierzyć i przesyłać dane o ciśnieniu w czasie rzeczywistym.
Zawory sterujące ciśnieniem służące do automatycznego dostosowania poziomu ciśnienia w systemie w oparciu o dane z czujników.
Oprogramowanie do analizy danych z czujników i wyświetlania ich w przyjaznym dla użytkownika interfejsie w formie tabeli lub mapy.
Systemy predykcyjne wykorzystują algorytmy uczenia maszynowego do analizy danych historycznych i przewidywania przyszłych poziomów ciśnienia, co może pomóc w wykrywaniu i zapobieganiu problemom przed ich wystąpieniem.
Inteligentne systemy kontroli i monitorowania ciśnienia mogą poprawić wydajność i niezawodność systemów dystrybucji wody, poprzez wykrywanie i przewidywanie problemów oraz automatyzację procesu decyzyjnego i kontroli.

Monitorowanie jakości wody

Monitorowanie jakości wody odnosi się do procesu pomiaru różnych fizycznych, chemicznych i biologicznych parametrów wody w celu oceny jej przydatności do określonego zastosowania, takiego jak np. woda pitna.

Parametry, które są mierzone podczas monitorowania jakości wody:

pH: mierzy kwasowość lub zasadowość wody,
Temperatura: wpływa na poziom rozpuszczonego tlenu i wzrost niektórych organizmów,
Mętność: mierzy stopień zmętnienia lub przejrzystości wody,
Rozpuszczony tlen: ważny dla przetrwania ryb i innych organizmów wodnych,
Przewodność: wskaźnik obecności rozpuszczonych soli i minerałów w wodzie,
Całkowita ilość rozpuszczonych substancji stałych (TDS): mierzy stężenie rozpuszczonych w wodzie minerałów,
Poziom pozostałości chloru wzdłuż sieci.
Składniki odżywcze: takie jak azot, fosfor mogą wskazywać na obecność zanieczyszczeń.

Istnieje kilka nowych technologii opracowywanych i wdrażanych do monitorowania jakości wody w systemach wodociągowych (Zainurin 2020):

Monitorowanie w czasie rzeczywistym polega na wykorzystaniu czujników i komunikacji bezprzewodowej, aby zapewnić dane w czasie rzeczywistym dotyczące parametrów jakości wody, takich jak pH, mętność i poziom chloru. Pozwala to na wczesne wykrywanie potencjalnych problemów i może informować o decyzjach dotyczących uzdatniania wody i zarządzania nią.
Inteligentne sieci wodne wykorzystują zaawansowane czujniki i systemy kontroli do monitorowania i zarządzania systemami dystrybucji wody. Pozwala to na bardziej efektywne wykorzystanie zasobów wodnych i może pomóc w wykrywaniu i zapobieganiu wyciekom i innym problemom w systemie.
Analizatory wody online wykorzystują zaawansowane czujniki i oprogramowanie do analizy próbek wody w czasie rzeczywistym. Pozwala to na bardziej dokładne i efektywne testowanie jakości wody i może pomóc we wczesnej identyfikacji potencjalnych problemów.
Zaawansowane procesy utleniania (AOP wykorzystują zaawansowane procesy utleniania do usuwania szerokiego zakresu zanieczyszczeń wody, w tym mikroorganizmów, rozpuszczonych substancji organicznych i związków nieorganicznych.
Technologia UV-LED wylrozystują lampy UV-LED do dezynfekcji wody, która jest bardziej energooszczędna i trwała niż tradycyjne lampy UV.
Sztuczna inteligencja i uczenie maszynowe może być wykorzystywana do analizy dużych ilości danych dotyczących jakości wody oraz identyfikacji wzorców i trendów. Może to pomóc w identyfikacji potencjalnych problemów i przewidywaniu przyszłych warunków jakości wody.

Wymienione technologie mogą pomóc w poprawie wydajności, dokładności i skuteczności monitorowania jakości wody w systemach wodociągowych, umożliwiając wczesne wykrywanie i zapobieganie problemom związanym z jakością wody oraz zapewniając, że woda jest bezpieczna do spożycia.

Wykrywanie i monitorowanie wycieków

Wykrywanie i monitorowanie nieszczelności odnosi się do procesu identyfikacji i pomiaru nieszczelności w systemach wodociągowych. Wykrywanie i monitorowanie wycieków jest ważne z kilku powodów, w tym:

Oszczędność wody – wycieki mogą powodować znaczne straty wody, co może prowadzić do niedoborów i wyższych kosztów. Wykrycie i naprawa wycieków może pomóc w oszczędzaniu zasobów wodnych.
Bezpieczeństwo – nieszczelności w wodociągach mogą być niebezpieczne i mogą prowadzić do podtopień oraz podmycia gruntu. Wykrywanie i naprawa wycieków może pomóc w zapobieganiu tym zagrożeniom.
Oszczędność kosztów – wycieki mogą powodować utratę cennych zasobów i mogą zwiększać koszty napraw i wymiany. Wykrycie i naprawa wycieków może pomóc w zaoszczędzeniu pieniędzy w dłuższej perspektywie.

Istnieje kilka technologii stosowanych do wykrywania i monitorowania wycieków, w tym:

Czujniki akustyczne mogą wykryć charakterystyczny dźwięk wycieku i mogą być wykorzystywane do lokalizowania wycieków w systemach wodociągowych.
Radar penetrujący grunt wykorzystuje fale radarowe do wykrywania nieszczelności w podziemnych rurach i może być stosowana do lokalizowania wycieków w systemach wodociągowych.
Kamery na podczerwień mogą wykrywać różnice temperatur, które mogą wskazywać na obecność wycieku i mogą być wykorzystywane do lokalizowania wycieków w systemach wodociągowych.
Inteligentne sieci wodne wykorzystują zaawansowane czujniki i systemy sterowania do monitorowania i zarządzania systemami dystrybucji wody. Pozwala to na bardziej efektywne wykorzystanie zasobów wodnych i może pomóc w wykrywaniu i zapobieganiu wyciekom.
Czujniki IoT wykorzystuje podłączone urządzenia do monitorowania ciśnienia, przepływu, temperatury i innych parametrów systemów zaopatrzenia w wodę. Pozwala to na wczesne wykrywanie wycieków i innych problemów.

Technologie te mogą pomóc w zwiększeniu wydajności, dokładności i skuteczności wykrywania i monitorowania wycieków, co może pomóc w oszczędzaniu zasobów oraz zapobieganiu szkodom i zagrożeniom bezpieczeństwa. Ponadto w kilku badaniach odnotowano wykorzystanie uczenia maszynowego (sztuczna inteligencja) do celów wykrywania wycieków (Mandal 2012, Layouni 2017, El-Zahb 2018). Po wykryciu, zlokalizowaniu i naprawieniu wycieku wymagane jest dalsze monitorowanie nieszczelnej rury w celu aktywnej interwencji, naprawy i uniknięcia wystąpienia wycieku w takiej rurze w przyszłości. Dlatego Woda 4.0 mogłaby zostać wykorzystana do zapewnienia ciągłego monitorowania takiego systemu w czasie rzeczywistym.

Przykładowe wdrożenia

Na całym świecie poszukuje się i bada się rozwiązania z Wody 4.0. Poniżej przedstawiono kilka wdrożeń systemów, które zaliczają się do rewolucji w systemach wodociągowych Wody 4.0.

Instalacja inteligentnych wodomierzy w prowincji Gochang w Korei Południowej

Jedno z największych wdrożeń na świecie dotyczące inteligentnych wodomierzy odbyło się w Korei Południowej. W prowincji Gochang wdrożono ponad 24 000 inteligentnych liczników wody do domów. Inteligentne liczniki firmy Freestyle w Gochang utrzymały wskaźnik odczytu przekraczający 99%. Ich zdolność do wykrywania przecieków pozwoliła zaoszczędzić tysiące litrów wody. Zbiór zarejestrowanych danych pozwalają na codzienne kontrole, które umożliwiają wykrywanie niskiego zużycia lub braku zużycia wody. Zebrane dane zostały wykorzystane do identyfikacji mieszkańców w trudnej sytuacji, którzy potrzebują pomocy. Wykorzystanie platformy online do rozliczeń spowodowało zmniejszenie liczby skarg klientów. Po jednym roku pracy czujników udało się zredukować wycieki o 19% w stosunku do zeszłego roku. Największym zyskiem firmy, jest zwiększone bezpieczeństwo mieszkańców, zwłaszcza osób starszych. Przedsiębiorstwo wyszukuje gospodarstw domowych, które nie używały wody przez 48 godzin i kontaktuje się z nimi lub ich krewnymi w celu ustalenia przyczyny braku zużycia wody (Corner 2018, Mu-Hyun C 2018).

Aplikacja SmartFlow

Program ten został opracowany we współpracy Miejskiego Przedsiębiorstwa Wodociągowego i Kanalizacji we Wrocławiu z firmą Microsoft i Polską firmą Future Processing. Platforma SmartFlow wykrywa miejsca awarii i pozwala na szybkie lokalizowanie ukrytych wycieków, ale też kompleksowo wspiera efektywne zarządzanie przedsiębiorstwem wodno-kanalizacyjnym. Jest to możliwe za sprawą szeregu czujników, które mierzą różne parametry sieci wodociągowej. Platformie SmartFlow pozwala zaoszczędzić takie zasoby jak wodę i energię, które przekładają się na zmniejszone wydatki w przedsiębiorstwie. Dodatkowo aplikacja pozwala na (SmartFlow):

Szybszą reakcję na nieprawidłowości w systemie,
Realne zmniejszenie strat wody,
Inteligentne i ekologiczne zarządzanie zasobami wodnymi,
Łatwiejszą i szybszą analizę danych,
Lepsze zarządzanie siecią wodociągową,
Indywidualne dopasowanie.

Poniżej przedstawiono przykłady wdrożeń programu SmartFlow w Polsce.

Miejskie Przedsiębiorstwo Wodociągów i Kanalizacji we Wrocławiu wdrożyło innowacyjny system SmartFlow. Zadaniem systemu informatycznego jest wyszukiwanie ukrytych wycieków z systemu wodociągowe, które powodują starty wody. W ramach tego rozwiązania Wrocław został podzielony na kilkadziesiąt stref pomiarowych. System informatyczny działa na terenie kilkunastu osiedli mieszkaniowych wykorzystując obecnie blisko 100 urządzeń monitorujących ilość i ciśnienie wody przepływającej przez sieć wodociągową. Dzięki temu pracownicy MPWiK łatwo mogą zlokalizować jeden z najtrudniejszych typów awarii wodociągowej, czyli tzw. „ukryty wyciek”. Po wytypowaniu miejsca awarii brygady przedsiębiorstwa wyszukują je precyzyjnie w oparciu o rozwiązania akustyczne. Dzięki tej metodzie awarie, które generują straty rzędu na przykład 15 tysięcy metrów sześciennych wody na dobę, udaje się precyzyjnie zlokalizować i usunąć w ciągu 72 godzin. System obejmuje całe miasto. W związku z wykorzystaniem analizowanego systemu we Wrocławiu w 2016 roku zaoszczędzono prawie pół miliarda litrów wody (Case study SmartFlow w wodociągach we Wrocławiu).

Zakład Wodociągów i Kanalizacji w Andrychowie, obsługujący 10 000 odbiorców wprowadził do przedsiębiorstwa platformę SmartFlow. Dzięki wdrożeniu udało się znacznie przyspieszyć wykrywalność awarii, oszczędzając przy tym czas pracowników, wodę i koszty energii. W Andrychowie udało się ograniczyć straty wody o 25 %. Natomiast strefie Inwałd Złota Rybka straty spadły o 80%. W ciągu sześciu miesięcy zaoszczędzono 77 760 wody (Case study SmartFlow w wodociągach w Andrychowie).

Po wdrożeniu platformy SmartFlow w Wodociągach Chrzanowskich, osoby zarządzające przedsiębiorstwem uzyskały większą kontrolę na stanem sieci, przyspieszyły wykrywalność awarii. W trzech strefach objętych monitoringiem SmartFlow pokrywających 38% obszaru, zaoszczędzono 5.07% wody w ciągu jednego roku. Skrócono czas wykrywania awarii do 4 dni. Całkowita ilość zaoszczędzonej wody wyniosła 46 573 (Case study SmartFlow w wodociągach w Chrzanowskich).

Hiszpania – Global Omnium

Global Omnium to druga co do wielkości hiszpańska prywatna firma wodociągowa. Przedsiębiorstwo zarządza siecią o długości 15 000 kilometrów rur, gwarantując usługi dla ponad 3 milionów ludzi. Ze względu na wielkość organizacji, w przedsiębiorstwie występowały problemy z odpowiednim zarządzaniem tego przedsiębiorstwa. W związku z tym podjęto decyzję o stworzeniu jednolitego systemu do zarzadzania sieci wodociągowej.

Stworzono jednolity system Nexus Integra dla całego przedsiebiorstwa, do którego podpięto sygnały od istniejących systemów sterowania (systemy SCADA). Stworzono wspólne centrum kontroli operacyjnej Global Omnium. Zintegrowane dane pozwoliły na zdalny nadzór na aktywami. Zbudowano hydrodynamiczny model sieci wodociągowej, który pozwala na zamodelowanie zadanych przez użytkownika scenariuszy. Zaprojektowano systemy oparte na sztucznej inteligencji, które służą automatyzacji zadań. Systemy te uwzględniają informacje o procesie, ale w trakcie analiz uzupełniają warunki o źródła zewnętrzne takie jak prognoza pogody czy cena energii. W ten sposób powstało nie tylko tradycyjne centrum sterowania, ale także rzeczywisty cyfrowy bliźniak całej sieci aktywów firmy, który jest w stanie działać w czasie rzeczywistym i podtrzymywać zaawansowane aplikacje m.in. dla celów operacyjnych, utrzymania obiektów czy efektywności energetycznej. Zintegrowane środowisko operacyjne może być kontrolowane w prosty sposób, poprzez integrację aplikacji gwarantujących jakość wody, algorytmów, które są w stanie kontrolować prawdopodobieństwo infekcji lub ryzyka mikrobiologicznego w dostawach wody, która jest dystrybuowana do klientów, lub poprzez symulację scenariuszy, które mogą się wydarzyć w przypadku konieczności przeprowadzenia zadań konserwacyjnych w sekcjach sieci bez konieczności ich faktycznej obsługi. Firma poprawiła o 15% koszty związane z utrzymaniem i nadzorem swoich aktywów, poprzez wdrożenie zintegrowanego systemu alarmowego i jednorodnej operacji danych. W zależności od obiektu, ujednolicony system efektywności energetycznej pozwolił na zmniejszenie kosztów energii od 7% do 11% (Nexus Integra).

Wnioski

Celem cyfrowej transformacji systemu zaopatrzenia w wodę jest poprawa wydajności, niezawodności i zrównoważonego rozwoju gospodarki wodnej. Jest to możliwe dzięki wykorzystaniu nowych i zaawansowanych technologii, takich jak zaawansowane czujniki, urządzenia IoT i analityka danych do monitorowania i kontrolowania systemu zaopatrzenia w wodę. Dzięki cyfryzacji systemu zaopatrzenia w wodę można zoptymalizować wykorzystanie zasobów, identyfikować wycieki i zapobiegać im, poprawić dokładność rachunków za wodę i poprawić doświadczenia gości na całym świecie. Ogólnie rzecz biorąc, transformacja cyfrowa może pomóc systemom wodnym lepiej zaspokajać potrzeby społeczności, którym służą, przy jednoczesnym obniżeniu kosztów i wpływu na środowisko. Wraz z rosnącym wykorzystaniem technologii informacyjnych i komunikacyjnych dane dotyczące procesów związanych z wodą stają się bardziej realistyczne i można je analizować za pomocą analizy dużych zbiorów danych. W rezultacie można przeprowadzić dalszą analizę z innymi danymi, takimi jak pogoda, w celu wygenerowania prognoz zapotrzebowania na wodę na potrzeby przyszłego planowania i podejmowania decyzji. Dlatego Woda 4.0 jest uważana za przełomową metodę poprawy wydajności operacyjnej i zapewnienia monitorowania w czasie rzeczywistym złożonych sieci dystrybucji wody.

Bibliografia

Adedeji, K.B.; Hamam, Y. Cyber-physical systems for water supply network management: Basics, challenges, and roadmap.Sustainability 2020, 12, 9555.

Adedeji, K.B.; Hamam, Y.; Abe, B.T.; Abu-Mahfouz, A.M. Leakage detection and estimation algorithm for loss reduction in water piping networks. Water 2017, 9, 773.

Adedeji, K.B.; Hamam, Y.; Abe, B.T.; Abu-Mahfouz, A.M. Towards achieving a reliable leakage detection and localization algorithm for application in water piping networks: An overview. IEEE Access 2017, 5, 20272-20285.

Adedeji, K.B.; Hamam, Y.; Abu-Mahfouz, A.M. Impact of pressure-driven demand on background leakage estimation in water supply networks. Water 2019, 11, 1600.

Alexandros, K.M.; Blanca, E.J. UNESCO’s contribution to face global water challenges. Water 2019, 11, 388.

Amin, S.; Litrico, X.; Sastry, S.S.; Bayen, A.M. Stealthy deception attacks on water SCADA systems. In Proceedings of the Hybrid Systems: Computation and Control, Stockholm, Sweden, 12-16 Kwiecień 2010; str. 161-170.

AWWA. Applying worldwide BMPs in water loss control. J. Am. Water Work. Assoc. 2003, 95, 65–79.

Bello, O.; Abu-Mahfouz, A.M.; Hamam, Y.; Page, P.R.; Adedeji, K.B.; Piller, O. Solving management problems in water distribution networks: A survey of approaches and mathematical models. Water 2018, 11, 562.

Bolognesi, A.; Bragalli, C.; Lenzi, C.; Artina, S. Energy efficiency optimization in water distribution systems. Procedia Eng. 2014, 70, 181-190.

Case study SmartFlow w wodociągach Andrychowie

Case study SmartFlow w wodociągach Chrzanowskich

Case study SmartFlow w wodociągach we Wrocławiu

Colombo, A.F.; Karney, B.W. Energy and costs of leaky pipes: Toward comprehensive picture. J. Water Resour. Plan. Manag. 2002, 128, 441–450.

Colombo, A.F.; Karney, B.W. Impacts of leaks on energy consumption in pumped systems with storage. J. Water Resour. Plan. Manag. 2005, 131, 146-155.

Corner S. The Aussie company metering South Korea’s water. Jun 2018. The Aussie company metering South Korea’s water – News – Products – IoT Hub

Covelli, C.; Cozzolino, L.; Cimorelli, L.; Della Morte, R.; Pianese, D. Reduction in water losses in water distribution systems using pressure reduction valves. Water Sci. Technol. Water Supply 2016, 16, 1033-1045.

Dakin, D.; Newman, R.; Groves, D. The case for cyber security in the water sector. J. Am. Water Work. Assoc. 2009, 101, 30-32.

Delgado-Galván, X.; Pérez-García, R.; Izquierdo, J.; Mora-Rodríguez, J. An analytic hierarchy process for assessing externalities in water leakage management. Math. Comput. Model. 2010, 52, 1194-1202.

El-Zahab, S.; Abdelkader, E.M.; Zayed, T. An accelerometer-based leak detection system. Mech. Syst. Signal Process. 2018, 108, 276–291. 147. Cision PR Newswire.

Fontana, M.E.; Morais, D.C. Decision model to control water losses in distribution networks. Production 2016, 26, 688-697.

Fontana, M.E.; Morais, D.C. Using prometheeV to select alternatives so as to rehabilitate water supply network with detected leaks. Water Resour. Manag. 2013, 27, 4021-4037.

Gaffoor, Z., Pietersen, K., Jovanovic, N., Bagula, A., & Kanyerere, T. (2020). Big Data Analytics and Its Role to Support Groundwater Management in the Southern African Development Community. Water, 12(10), 2796.

Layouni, M.; Hamdi, M.S.; Tahar, S. Detection and sizing of metal-loss defects in oil and gas pipelines using pattern-adapted wavelets and machine learning. Appl. Soft Comput. 2017, 52, 247–261.

Mandal, S.K.; Chan, F.T.; Tiwari, M.K. Leak detection of pipeline: An integrated approach of rough set theory and artificial bee colony trained SVM. Expert Syst. Appl. 2012, 39, 3071–3080.

Mu-Hyun C. South Korea’s IoT in full swing: From water meters to AI-powered smart buildings. Maj 2018. https://www.zdnet.com/article/south-koreas-iot-in-full-swing-from-water-meters-to-ai-powered-smart-buildings/

Nexus Integra (dostęp styczeń 2023) Case study: Spanish Water Utility drives Efficiencies with IoT-enabled digital transformation (nexusintegra.io)

Ogai, H.; Bhattacharya, B. Pipe inspection robots for structural health and condition monitoring. In Intelligent Systems, Control and Automation: Science and Engineering; Tzafestas, S.G., Ed.; Springer India: New Delhi, India, 2018.

Peekema, R.M. Causes of natural gas pipeline explosive ruptures. J. Pipeline Syst. Eng. Pract. 2013, 4, 74–80.

Puust, R.; Kapelan, Z.; Savic, D.; Koppel, T. A review of methods for leakage management in pipe networks. Urban Water J. 2010, 7, 25-45.

Restrepo, C.E.; Simonoff, J.S.; Zimmerman, R. Causes, cost consequences, and risk implications of accidents in US hazardous liquid pipeline infrastructure. Int. J. Crit. Infrastruct. Prot. 2009, 2, 38–50.

SmartFlow (dostęp styczeń 2023). https://www.smart-flow.eu/#o-firmie

Taormina, R.; Galelli, S.; Tippenhauer, N.O.; Salomons, E.; Ostfeld, A. Characterizing cyber physical attacks on water distribution systems. J. Water Resour. Plan. Manag. 2017.

UNESCO. Water, Megacities and Global Change: Portraits of 15 Emblematic Cities of the World; UNESCO/ARCEAU IdF: Paris, France, 2016. https://unesdoc.unesco.org/ark:/48223/pf0000245419

WMI. Global trend, world water scarcity map. In The International Water Management Institute (IWMI) Annual Report 2007–2008; IWMI: Colombo, Sri Lanka, 2008.

Zainurin, S.N.; Wan Ismail, W.Z.; Mahamud, S.N.I.; Ismail, I.; Jamaludin, J.; Ariffin, K.N.Z.; Wan Ahmad Kamil, W.M. Advancements in Monitoring Water Quality Based on Various Sensing Methods: A Systematic Review. Int. J. Environ. Res. Public Health 2022, 19, 14080.

Ziemer Ch. Water 4.0: What it Means for the German Water Industry. Wrzesień 2017. https://www.waterworld.com/water-utility-management/asset-management/article/16201159/water-40-what-it-means-for-the-german-water-industry

Sprawdź też: