Reti idriche intelligenti: tecnologie per un controllo efficiente

Componenti essenziali per reti idriche intelligenti

Una rete idrica intelligente dovrebbe integrare i seguenti componenti eterogenei.

• Sensori e dispositivi IoT (Internet of Things): collocati all’interno delle tubature, nei serbatoi, negli impianti di trattamento e persino nelle abitazioni, al fine di raccogliere informazioni sul livello, la pressione, la portata e la qualità dell’acqua. I dati risultanti dall’acquisizione in tempo reale saranno poi trasmessi ad altri sistemi o applicativi per le successive analisi.
• Rilevamento e manutenzione delle perdite: l’architettura di monitoraggio dovrebbe essere in grado di rilevare tempestivamente le perdite, identificando le variazioni di pressione o di flusso che indichino la presenza di problemi. In questo modo, i comuni consorziati potrebbero evitare sprechi di acqua e costose riparazioni.
• Data Analytics e, in particolare, algoritmi di intelligenza artificiale (Artificial Intelligence, AI): le informazioni raccolte tramite i sensori in campo saranno analizzate utilizzando algoritmi di AI basati su tecniche di apprendimento automatico al fine di identificare modelli, predire rotture imminenti, fornire raccomandazioni per ottimizzare l’utilizzo idrico.
• Distribuzione intelligente: utilizzando i dati raccolti in tempo reale, il sistema di gestione idrica potrebbe essere in grado di regolare il flusso idrico in modo dinamico ed automatizzato, indirizzando quantità idriche maggiori nelle aree con maggiore richiesta, al contempo riducendo gli sprechi in altre aree.
• Fruizione delle informazioni da parte degli utenti finali: con riferimento ai consumatori finali, un’architettura intelligente per la gestione idrica potrebbe consentire di monitorare, in modo semplice e intuitivo, il proprio consumo idrico, ovvero ricevere avvisi legati ad un consumo idrico elevato o consigli su come ridurre gli sprechi.

In generale, un’architettura del genere si dovrebbe occupare di rendere l’intero ciclo idrico – dall’approvvigionamento e trattamento alla distribuzione e consumo – più efficiente, sostenibile e adattabile.

Di seguito viene riportata una panoramica sui principali componenti di un’architettura per la gestione intelligente delle reti idriche.

Sensori ed attuatori

Approfondiamo di seguito i vari tipi di sensori e attuatori utilizzati per il monitoraggio e il controllo della rete.

Misuratori di portata

Misurano il volume o la portata idrica in vari punti della rete (per esempio, nelle stazioni di pompaggio, nelle giunzioni o nei punti di distribuzione) e possono essere basati su diverse tecnologie: (i) elettromagnetici, utilizzati spesso per misurare liquidi conduttivi (per esempio, acqua); (ii) ad ultrasuoni, utilizzati per misurare il flusso in modo non invasivo, evitando di dover sezionare la condotta idrica; (iii) a turbina, comuni nei tubi di diametro ridotto per la misurazione del flusso idrico. Le rilevazioni di tali dispositivi possono riportare il valore assoluto misurato (quindi un contatore, sempre crescente) oppure la variazione rispetto alla rilevazione precedente.

Sensori di pressione

Monitorano la pressione in tutta la rete idrica per rilevare perdite, ostruzioni o altri malfunzionamenti che potrebbero influire sulla distribuzione dell’acqua. Solitamente vengono installati in punti critici quali stazioni di pompaggio, giunzioni, e domicilio dei consumatori finali, e possono essere:

(i) piezoelettrici, in grado di restituire letture accurate per pressioni fluttuanti;

(ii) estensimetrici, comunemente utilizzati per misurare la pressione in generale.

Sensori di qualità dell’acqua

Monitorano i parametri di qualità dell’acqua per garantirne la conformità agli standard di sicurezza, valutando parametri chiave quali pH, torbidità, livelli di cloro, temperatura, ossigeno disciolto e conducibilità. Sensori di questa classe possono quindi essere:

• (i) sensori di torbidità, i quali misurano la limpidezza dell’acqua alla ricerca della presenza di eventuali solidi sospesi;
• (ii) sensori di pH e cloro, in grado di misurare l’acidità ed i livelli di cloro al fine di garantire la corretta disinfezione dell’acqua;
• (iii) sensori di ossigeno disciolto, con il compito di misurare i livelli di ossigeno presente nel flusso idrico per garantirne il mantenimento della qualità.

Sensori di rilevamento delle perdite idriche

Rilevano le perdite nelle condotte e possono essere di vario tipo:

• (i) a rilevazione acustica delle perdite, basati sull’utilizzo di onde sonore per rilevare le perdite nelle tubature;
• (ii) a differenza di pressione/flusso, in azione tramite confronto tra i valori di pressione o flusso previsti e le letture effettive, al fine di rilevare eventuali discrepanze;
• (iii) a fibra ottica, basati sull’utilizzo di fibre ottiche per rilevare variazioni di pressione e perdite lungo le condotte idrauliche.

Sensori di temperatura

Hanno la funzione di monitorare la temperatura dell’acqua all’interno delle condotte, oppure quella dell’ambiente esterno, in quanto queste potrebbero influenzare il flusso, la pressione e la qualità dell’acqua. A tale riguardo, esistono diverse tipologie di sensori di temperatura, che si differenziano principalmente per il principio di funzionamento:

• (i) sensori a termocoppie e
• (ii) rilevatori di temperatura a resistenza (Resistance Temperature Detectors, RTD).

Dispositivi di monitoraggio delle stazioni di pompaggio

Questa categoria di sensori ha il compito di garantire che le pompe nelle stazioni di pescaggio e di raccordo funzionino correttamente, mantenendo pressione e flusso costanti, unitamente alla capacità di rilevare guasti o inefficienze delle pompe stesse. Anche questi dispositivi possono operare secondo diversi principi di funzionamento:

• (i) sensori di vibrazione, i quali monitorano lo stato di salute delle pompe rilevando vibrazioni anomale che potrebbero indicarne usura o guasti;
• (ii) sensori di temperatura del motore, con il compito di misurare la temperatura dell’azionamento meccanico o elettrico della pompa per evitarne il surriscaldamento;
• (iii) sensori di corrente del motore, che monitorano le correnti elettriche per rilevare inefficienze o squilibri.

Trasduttori e trasmettitori di pressione

Vengono generalmente associati ad altre tipologie di sensoristica, in quanto si occupano di convertire le letture fisiche dei sensori in segnali elettrici che possano essere letti dai sistemi di controllo (per esempio Supervisory Control and Data Acquisition, SCADA), contribuendo al monitoraggio continuo della pressione all’interno della rete idrica. Per questo motivo, vengono spesso installati in punti strategici quali stazioni di pompaggio, zone di pressione e nodi critici.

Attuatori e valvole di controllo

Hanno la funzione di regolare il flusso e la pressione nella rete idrica, in dettaglio controllando l’apertura e la chiusura delle valvole di controllo, che possono a loro volta essere azionate manualmente o automatizzate. Ne esistono diverse tipologie, quali: (i) valvole a saracinesca motorizzate, in grado di aprire o chiudere automaticamente in base a segnali di controllo; (ii) valvole di riduzione della pressione (Pressure Reducing Valve, PRV), con il compito di mantenere i livelli di pressione desiderati regolando automaticamente la valvola idraulica.

Comunicazione e connettività nelle reti idriche intelligenti

Esaminiamo ora il ruolo delle reti di comunicazione, tra cui LoRaWAN e gateway IoT, nel trasferimento sicuro dei dati

Infrastruttura di comunicazione e di rete

A supporto dei sensori installati sul campo (per la raccolta dati), è necessario che l’architettura di monitoraggio idrico preveda un’infrastruttura di comunicazione in grado di garantire il trasferimento continuo ed affidabile delle informazioni, in modo particolare mediante la predisposizione e l’installazione di

• (i) gateway IoT che raccolgano i dati dai diversi sensori e li inoltrino ai sistemi centrali, e di
• (ii) moduli di comunicazione wireless (es. IEEE 802.11 Wi-Fi, LTE, connettività satellitare) per la trasmissione da zone particolarmente remote o isolate della rete.

Un’opzione particolarmente adatta nel caso in cui sia necessario assicurare una copertura di rete di aree geograficamente estese è rappresentata dal protocollo Long Range Wide Area Network (LoRaWAN), un protocollo di comunicazione wireless ideato (e brevettato, per quanto riguarda la modulazione utilizzata a livello fisico, da Semtech Corporation) per connettere dispositivi a bassa potenza su lunghe distanze (dell’ordine dei chilometri), offrendo la possibilità di inviare di rado (con un tasso informativo complessivo dell’ordine delle decine di bit al secondo) pacchetti informativi di dimensione limitata (nell’ordine delle centinaia di byte) ma con un ridotto consumo energetico. Queste caratteristiche lo rendono molto attraente per applicazioni IoT, dove nodi sensorali devono inviare piccole quantità di dati (per esempio di temperatura, portata, pressione, ecc.) in zone remote in cui la rete cellulare non sia disponibile.

Infrastrutture per la misurazione e la fatturazione automatica

Un AMI ha lo scopo di raccogliere dati sul consumo idrico da parte dei clienti finali (residenziali, commerciali o industriali), inviando poi queste informazioni alle stazioni di monitoraggio remote per la successiva fatturazione o analisi.

Rientrano in questa categoria di dispositivi

• (i) i contatori idrici intelligenti, in grado di misurare il flusso idrico e trasmetterne la lettura tramite comunicazione wireless (per esempio, cellulare, IEEE 802.15.4, ZigBee, LoRaWAN)o via cavo (per esempio, fibra ottica, Power Line Communication, PLC), e
• (ii) i registratori di dati, con il compito di memorizzare i dati storici di utilizzo campionati in punti specifici della rete.

Sistemi SCADA per il controllo centralizzato e predittivo

I sistemi SCADA hanno il pregio di fornire un controllo centralizzato e a distanza ed un monitoraggio in tempo reale della rete idrica tramite la raccolta dati dai sensori e dai dispositivi enunciati in precedenza, consentendo infine agli operatori di effettuare le opportune regolazioni. A livello di dispositivi coinvolti nella definizione di uno SCADA, è possibile dettagliare i seguenti:

• (i) Remote Terminal Units (RTU), con il compito di raccogliere i dati dai sensori e di ritrasmetterli al sistema SCADA; e
• (ii) Human-Machine Interfaces (HMI), sviluppate e definite per consentire la visualizzazione dei dati in un formato comprensibile ed utilizzabile per gli operatori.

Quindi, l’utilizzo di sistemi SCADA risulta essenziale ed a valore aggiunto per diverse ragioni, alcune delle quali esposte in seguito.

• Raccolta dati in tempo reale, fondamentale per monitorare la qualità dell’acqua e l’efficienza della distribuzione, aprendo pertanto alla possibilità di prendere decisioni immediate sulla base dei dati raccolti.
• Centralizzazione dei dati, con il beneficio per i gestori della rete (ed eventuali terze parti, quali fornitori di servizi e consumatori finali) di potersi connettere ad una piattaforma centrale ottenendo una visione completa dell’intera rete idrica ed un punto di accesso ai dati unificato (es. tramite Web Service o API RESTful). Inoltre, questa centralizzazione apre anche alla possibilità di storicizzazione del dato ed alla creazione di reportistica per il monitoraggio dei trend sul lungo periodo. Questo risulta di particolare utilità per analizzare i modelli di consumo idrico nel tempo, comprendere i periodi di picco della domanda e migliorare la distribuzione idrica futura. Infine, la possibilità di creare report contribuisce alla conformità con le normative e gli standard vigenti.
• Efficienza energetica, in quanto le stazioni di pompaggio e le valvole idrauliche devono essere costantemente monitorate per quanto attiene al consumo energetico.
• Scalabilità, in quanto al crescere della dimensione della rete idrica da monitorare, risulta fondamentale la possibilità di aggiunta di ulteriori sensori, attuatori e dispositivi eterogenei senza dover apportare modifiche sostanziali all’infrastruttura di monitoraggio e controllo.
• Integrazione con dispositivi IoT, considerando la natura scalabile dei sistemi SCADA, ma al contempo valutando attentamente le tecnologie di interazione e comunicazione previste all’interno dell’architettura di monitoraggio idrico (in termini di connettività di sensori e controller intelligenti).
• Sicurezza dei dati, in quanto la garanzia della sicurezza delle comunicazioni e la privacy dei dati risulta di fondamentale importanza, soprattutto quando si tratti di infrastrutture municipalizzate installate su larga scala. In questo caso, però, è necessario considerare come, con la crescente interconnessione dei dispositivi IoT, la sicurezza diventi un fattore critico, con i sistemi SCADA (soprattutto se connessi al cloud) esposti come potenziali bersagli di attacchi informatici. È quindi importante scegliere una piattaforma SCADA che offra funzionalità di sicurezza affidabili, quali crittografia, autenticazione a più fattori e aggiornamenti software regolari.
• Disponibilità di User Interface (UI) e dashboard web/mobile, che dovrebbero essere sufficientemente intuitive per consentire agli operatori di comprendere rapidamente cosa stia accadendo all’interno della rete idrica – SCADA complessi possono risultare dispendiosi, soprattutto per operazioni su piccola scala.
• Manutenzione predittiva, aprendo alla possibilità di un’individuazione semplificata delle anomalie prima che queste si trasformino in problemi più gravi, grazie alla capacità di monitoraggio in tempo reale della rete idrica. Alcuni esempi potrebbero riguardare riduzioni anomale di pressione, incongruenze di flusso o sensori malfunzionanti, con la possibilità di attivare avvisi e notifiche automatiche, facilitando in questo senso gli operatori nell’esecuzione delle manutenzioni in modo proattivo ed evitando guasti imprevisti del sistema.

Visualizzazione geografica e analisi tramite GIS e mappe

Infine, come anticipato relativamente a SCADA ed AMI, visualizzare i dati in formato grafico (per esempio, su una mappa) risulta di fondamentale utilità per i sistemi di gestione idrica intelligenti poiché consente agli utenti di valutare rapidamente lo stato delle varie componenti del sistema, individuare problemi e prendere decisioni informate. Per completezza, di seguito si elenca una panoramica di alcune strategie di rappresentazione dei dati che potrebbero aumentare il grado di utilità di un’architettura di monitoraggio idrico.

Sistema informativo geografico (Geographic Information System, GIS)

I sistemi GIS possono fornire una rappresentazione visiva della rete idrica ed integrano i dati dei sensori con mappe geografiche, operando spesso in cooperazione con gli SCADA attivi per il monitoraggio della rete idrica. In particolare, i GIS si compongono di

• (i) sensori Global Positioning System (GPS), utilizzati per tracciare e monitorare la posizione delle infrastrutture critiche (es. tubature, pompe, valvole), e
• (ii) software di mappatura, utilizzati per analizzare e visualizzare i dati dei sensori in un contesto geografico.

Esempi di informazioni di interesse visualizzabili tramite un sistema GIS potrebbero riguardare:

• (i) reti di distribuzione idrica;
• (ii) zone a rischio di alluvione, al fine di pianificare interventi di drenaggio o irrigazione migliori;
• (iii) utilizzo idrico per zona, mappando la quantità di acqua utilizzata nelle varie aree interessate.

Mappe di calore

Le mappe di calore sono ideali per visualizzare l’intensità o la distribuzione di una particolare variabile nel sistema, ad esempio al fine di mostrare: (i) livelli di umidità del suolo, in cui le diverse aree saranno codificate secondo una scala colori su una mappa (per esempio il colore potrebbe rappresentare le aree ben idratate ed il colore rosso le zone secche), facilitando l’individuazione delle aree che necessitano di irrigazione; (ii) pressione dell’acqua, utilizzando una scala a gradiente per indicare le aree con alta o bassa pressione.

Diagrammi di rete di portata e pressione

In particolare, per sistemi di distribuzione idrica con estensione territoriale elevata, un diagramma di rete di portata e pressione può essere estremamente utile per rappresentare le dinamiche del flusso idrico attraverso condotte, impianti di trattamento, ed aree di irrigazione.

In genere, questi diagrammi mostrano tubi, pompe e valvole come nodi, mentre il flusso idrico viene rappresentato tramite frecce, i cui colori (che rappresentano la pressione o la portata) o il cui spessore delle linee (che indicano il volume) possono aiutare in una rapida identificazione dello stato di attenzione da porre in determinare zone della rete idrica.

Analisi dei dati e modelli predittivi nella rete idrica

A livello di analisi dei dati in reti idriche (di dimensioni anche elevate), la comunità scientifica ed industriale è estremamente attiva nel rendere i sistemi di gestione idrica intelligenti, con l’obiettivo di prevedere tendenze e prendere decisioni in tempo reale. Un esempio reale è rappresentato da EmiliAmbiente S.p.A., una società che gestisce il servizio idrico integrato in 11 comuni della provincia di Parma con un bacino di utenza di circa 100.000 abitanti, erogando annualmente oltre 15 milioni di metri cubi di acqua. Nel quadro del piano industriale 2024-2029, EmiliAmbiente ha avviato un ambizioso progetto di digitalizzazione delle infrastrutture che prevede la sostituzione dei contatori idrici a favore di dispositivi IoT (denominati “smart meter”) con connettività LoRaWAN o NarrowBand IoT (NB-IoT), con il beneficio della possibilità di lettura dei consumi da remoto e di rilevazione immediata di eventuali anomalie. Inoltre, in collaborazione con l’Internet of Things Lab dell’Università di Parma, EmiliAmbiente sta definendo la generazione e l’implementazione di un gemello digitale (c.d. digital twin) della rete idrica e fognaria, al fine di migliorare la gestione e la manutenzione delle infrastrutture.

A livello generale, gli approcci e le metodologie presenti in letteratura ed in fase di valutazione per l’analisi dati si possono riassumere come segue.

Modelli a Grafo (Graph-based Models)

Nel caso di modelli a grafo, la rete idrica viene modellata come un grafo in cui i nodi rappresentano le giunzioni idrauliche, i serbatoi o le cisterne, mentre gli archi rappresentano le tubature che trasportano l’acqua. Questa tipologia di approccio permette di avere pieno controllo sulla connettività e la distribuzione del flusso idrico, il rilevamento delle perdite e le dinamiche della pressione. Gli algoritmi basati sui grafi aiutano a trovare i punti di partizione ottimali per la gestione della pressione e l’isolamento delle perdite.

Modelli di Simulazione Idraulica (Hydraulic Simulation Models)

In questo approccio vengono utilizzati degli strumenti di simulazione, quali, ad esempio, il software EPANET, per modellare il flusso e la pressione idrica, con l’obiettivo di calcolare parametri quali la portata e la pressione in ogni tubo ed il livello idraulico in ciascun serbatoio, generando così un digital twin del sistema.

Un altro modello rilevante è rappresentato dallo “Storm Water Management Model” (SWMM)^[1], un software utilizzato per simulare il drenaggio urbano, ovvero la raccolta e lo smaltimento dell’acqua piovana all’interno delle città, e che permette di modellare il deflusso delle acque meteoriche e la loro interazione con reti fognarie, tombini, canali, serbatoi ed altri elementi del sistema idraulico urbano.

Modelli basati su algoritmi di Machine Learning (ML) ed AI

Meccanismi innovativi si basano su modelli di AI quali, ad esempio: algoritmi ad apprendimento automatico per la previsione di serie temporali (es. Autoregressive Integrated Moving Average, ARIMA; Long Short-Term Memory, LSTM); algoritmi per il rilevamento di anomalie, basati su Isolation Forest, Support Vector Machine (SVM), AutoEncoder (AE); algoritmi di ottimizzazione, basati su algoritmi genetici, programmazione lineare, Reinforcement Learning (RL), modelli di Deep Learning (es. Convolutional Neural Network, CNN).

Modelli di ottimizzazione (Optimization Models)

Questi modelli hanno l’obiettivo specifico di aumentare l’efficienza della rete, ottimizzandone alcuni aspetti. Si basano su algoritmi complessi come, ad esempio, Particle Swarm Optimization (PSO) e algoritmi genetici utilizzati per ottimizzare la disposizione delle tubature e i programmi di pompaggio. L’ottimizzazione può anche essere impostata in modalità “multi-obiettivo”, ad esempio per minimizzare i costi massimizzando al contempo l’efficienza.

Considerazioni finali sulla digitalizzazione delle reti idriche

Dalla panoramica esposta in precedenza, è comprensibile come lo sviluppo di una rete idrica intelligente di elevata estensione richieda accorgimenti particolari, unitamente alla valutazione e all’adozione di tecnologie che siano adatte al carico di lavoro richiesto e che siano in grado di restituire all’utenza finale – sia in termini di gestori della rete, sia in termini di consumatori finali – una rappresentazione chiara e precisa dello stato della rete stessa.

Da questo punto di vista, l’utilizzo di dispositivi IoT e di meccanismi di AI consentirà di introdurre benefici per tutti gli attori coinvolti nella gestione di una tale “macchina complessa”.

Bibliografia