Le reti di distribuzione condivise dalle utility per la distribuzione di acqua, luce e gas sono ormai dei sistemi molto complessi, spesso poco efficienti e molto vulnerabili, i quali necessitano di monitoraggio e manutenzione continui.
Le attuali infrastrutture, in particolare i sistemi idrici urbani, devono affrontare sfide considerevoli in termini di sostenibilità e resilienza. Gli impatti dei cambiamenti climatici e l’aumento della popolazione stanno portando a una riduzione della disponibilità di risorse idriche in varie regioni [1-3]. Inoltre, i sistemi idrici spesso subiscono notevoli perdite di acqua trattata sia in fase di distribuzione che di utilizzo [4,5].
Le tecnologie di ultima generazione hanno abilitato la gestione intelligente delle reti per migliorarne l’efficienza nella generazione, nella distribuzione e nell’utilizzo risorse, facilitando così la crescita economica e sostenendo la sostenibilità ambientale. Il progresso delle tecnologie di comunicazione consente alle famiglie e ai servizi idrici di monitorare il consumo di acqua attraverso contatori intelligenti (smart meters) o sistemi di lettura automatica dei contatori (Automated Meter Reading – AMR).
Tecnologie AI e IoT nelle reti idriche intelligenti
Una rete idrica intelligente incorpora sensori, meccanismi di controllo e strumenti analitici per garantire che l’acqua venga fornita in modo efficiente, portandola al momento giusto nel luogo giusto, preservandone al contempo le qualità. L’elaborazione dei dati provenienti dai dispositivi IoT (Internet of Things) attraverso algoritmi di intelligenza artificiale (AI) ha il potenziale per rivoluzionare il monitoraggio, l’analisi e la gestione delle risorse idriche.
L’AI consente anche ai dispositivi IoT di prendere decisioni istantanee in modo autonomo, eliminando la necessità di una supervisione umana. L’IoT rappresenta un progresso significativo nella tecnologia utilizzando sensori i quali trasmettono informazioni al cloud tramite dispositivi gateway. Questi gateway fungono da intermediari tra i sensori e le piattaforme cloud, in grado di comunicare con vari protocolli di rete prima di trasmettere i dati al cloud.
Una volta trasmessi al cloud, i dati vengono analizzati ed elaborati prima di essere inviati all’utente o al cliente previsto. I dispositivi IoT generano volumi significativi di dati, che possono essere esaminati da algoritmi di intelligenza artificiale per modellarne le regole di funzionamento.
Numerose metodologie dell’intelligenza artificiale, tra cui i sistemi basati sulla conoscenza (KBS), gli algoritmi genetici (GA), le reti neurali artificiali (ANN), l’apprendimento automatico e i sistemi di inferenza fuzzy, sono state incorporate in strutture di modellazione numerica e si sono dimostrate molto efficaci nel campo della gestione intelligente delle risorse.
I vantaggi l’integrazione degli algoritmi di intelligenza artificiale nelle reti idriche
Ad esempio, l’integrazione degli algoritmi di intelligenza artificiale con le tecnologie di apprendimento automatico consente agli impianti di trattamento delle acque di monitorare continuamente i parametri critici e di reagire prontamente alle fluttuazioni della qualità dell’acqua.
I sistemi basati sull’intelligenza artificiale, come ChatGPT, sono in grado di elaborare grandi quantità di dati provenienti da vari sensori, satelliti e apparecchiature di monitoraggio, fornendo informazioni accurate e in tempo reale sulle tendenze della qualità dell’acqua e su potenziali eventi di contaminazione [18]. L’intelligenza artificiale può prevedere la domanda futura nelle reti di trattamento e distribuzione esaminando i modelli storici di utilizzo dell’acqua. Inoltre, l’intelligenza artificiale può ottimizzare la rete di distribuzione stessa analizzando le portate, la pressione e altri dati rilevanti per individuare le aree di sovrautilizzo o sottoutilizzo. Altri sistemi di gestione dell’acqua utilizzano tecnologie informatiche non basate sull’intelligenza artificiale per monitorare i dati del sistema, migliorando così l’efficienza nell’allocazione delle risorse. Esempi significativi sono l’applicazione di sistemi informativi geografici (GIS), che migliorano la visualizzazione del sistema complessivo e la localizzazione delle risorse [19], e l’implementazione di sistemi SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition), che raccolgono i dati storici dei sensori per la gestione centralizzata di risorse geograficamente disperse [20]. L’intelligenza artificiale potenzia quindi le capacità di altre tecnologie, come la realtà virtuale e le applicazioni Blockchain, migliorando ulteriormente l’efficienza e l’efficacia delle operazioni dei servizi idrici.
Tecnologie e sistemi di rete idrica intelligente
Il concetto di rete idrica intelligente inizia alla sorgente dell’acqua e integra contatori intelligenti, valvole intelligenti, pompe intelligenti e sensori di allagamento. Una volta raccolti e memorizzati temporaneamente in un data logger collegato a un dispositivo di rilevamento o controllo, i dati devono essere trasmessi a un database centrale. L’acqua scorre poi attraverso il sistema fognario fino al trattamento delle acque reflue e al successivo riutilizzo o scarico, utilizzando le stesse tecnologie poste all’inizio del sistema.
I dispositivi di misurazione
I dispositivi di misurazione che raccolgono e trasmettono in tempo reale i dati relativi al sistema idrico sono:
- Dispositivi di rilevamento intelligenti: nell’ambito delle reti idriche intelligenti, tutti i parametri relativi al sistema idrico vengono raccolti, memorizzati e trasmessi autonomamente a un computer dal contatore o attraverso sensori progettati per il rilevamento dell’inquinamento [8,9]. Questa metodologia aumenta il volume e la frequenza delle informazioni disponibili sul sistema, riducendo al minimo la necessità di ispezioni in loco. I sensori intelligenti municipali comprendono contatori d’acqua intelligenti per il monitoraggio del flusso e della pressione, nonché sensori di inquinanti e biosensori per il rilevamento della contaminazione. I contatori d’acqua intelligenti offrono numerosi vantaggi rispetto ai contatori manuali tradizionali: uno di questi è la maggiore sensibilità ai bassi flussi d’acqua, che migliora l’accuratezza dei dati. Inoltre, questi contatori avanzati sono in grado di identificare il riflusso, indicando potenziali problemi del sistema, e dimostrano una maggiore resistenza alla corrosione delle particelle presenti nel sistema [10]. Per smart metering si intende un dispositivo di misurazione in grado di memorizzare e trasmettere i dati di consumo su lunghe distanze a frequenze specifiche, offrendo un accesso immediato e informazioni quasi in tempo reale (near real-time. Questi contatori intelligenti sono in grado di registrare e trasmettere i dati di utilizzo in tempo reale, consentendo agli operatori di raccogliere tra le 600 e le 1.000 letture al giorno utilizzando un computer palmare dotato di tecnologia radio [7]. Essi sono parte integrante di un’infrastruttura di misurazione avanzata (Advanced Metering Infrastructure – AMI) che le aziende idriche dovrebbero implementare per migliorare l’efficienza idraulica ed energetica dei loro sistemi.
- Valvole e pompe intelligenti: le valvole e le pompe intelligenti sono progettate per modificare il loro funzionamento in risposta a fattori ambientali o a input provenienti da sensori, con modifiche che avvengono in modo autonomo o tramite l’intervento umano a distanza. Un vantaggio primario di questi controllori intelligenti è la loro capacità di migliorare l’efficienza operativa. Inoltre, queste pompe possono essere costruite per identificare i blocchi all’interno del sistema e possono reagire eliminando gli impedimenti o invertendo la direzione del flusso.
- Regolatori intelligenti per l’irrigazione: presentano notevoli opportunità per la conservazione dell’acqua da parte del consumatore, in particolare per ridurre l’uso inutile di acqua nell’irrigazione dei terreni. Questi dispositivi sono in grado di raccogliere e analizzare i dati meteorologici, monitorare il contenuto di umidità del suolo e valutare vari altri fattori pertinenti. Le tecnologie wireless integrate nei sistemi intelligenti di gestione dell’acqua integrano la banda larga mobile (reti cellulari), la banda larga wireless (Wi-Fi), le reti personali (comunicazione da dispositivo a dispositivo) e la comunicazione satellitare. Le aziende che producono centraline intelligenti per l’irrigazione spesso utilizzano la comunicazione satellitare per modificare i programmi di irrigazione del paesaggio su base giornaliera.
Potenziali benefici delle reti idriche intelligenti
I vantaggi delle reti idriche intelligenti comprendono un migliore rilevamento delle perdite, il monitoraggio della qualità dell’acqua, strategie efficaci di gestione della siccità e il risparmio energetico.
- La valutazione in tempo reale delle condizioni degli asset per una manutenzione proattiva è fondamentale. Utilizzando tecnologie di rilevamento intelligenti, i dati relativi allo stato delle condotte possono facilitare lo sviluppo di una strategia basata sul rischio per i progetti di sostituzione delle tubazioni. Questa metodologia consente ai gestori delle rete idrica di migliorare la pianificazione e la tempistica del programma di sostituzione e riabilitazione delle condotte, assicurando così che i tubi necessari vengano sostituiti nei momenti più vantaggiosi.
- Il monitoraggio in tempo reale della pressione e della qualità dell’acqua è fondamentale per migliorare la pianificazione e l’efficienza operativa della rete. L’applicazione dei dati dei sensori e dei contatori in tempo reale consente alle reti di approvvigionamento idrico (Water Supply Network – WSN) di valutare le condizioni idrauliche e la qualità dell’acqua nell’intero sistema. Questa funzionalità consente di rilevare rapidamente le perdite, riducendo al minimo le perdite d’acqua, e di identificare tempestivamente le tensioni nelle tubature, consentendo così di intervenire tempestivamente per evitare possibili rotture.
- Obiettivo del fornire informazioni in tempo reale sul consumo di acqua è anche quello di assistere ed educare i consumatori ad un corretto utilizzo dell’acqua. Per raggiungere questo obiettivo, i WSN implementano tecnologie come le letture automatiche dei contatori e i dispositivi intelligenti per l’efficienza idrica che forniscono un feedback immediato sull’utilizzo, consentendo così ai consumatori di prendere decisioni informate sulla conservazione dell’acqua. Inoltre, i dati raccolti dalle letture automatiche dei contatori miglioreranno la precisione della previsione della domanda, che a sua volta ottimizzerà i programmi di pompaggio, gestirà il ricambio dell’acqua nei serbatoi di servizio e determinerà il volume d’acqua necessario per il trattamento e la distribuzione.
Problemi e soluzioni del sistema idrico urbano
Perdite d’acqua
Le perdite d’acqua derivano da vari fattori, tra cui l’uso non misurato (lecito o illecito) e le imprecisioni nella misurazione [11]. I dati continui raccolti da un contatore intelligente residenziale possono indicare una perdita dimostrando un flusso d’acqua positivo quando tutti gli apparecchi sono inattivi. Il sistema di verifica smart step utilizza valvole e contatori intelligenti, riducendo così la necessità di più operatori sul campo ad un solo individuo che opera da un terminale informatico. Questo processo è potenzialmente automatizzabile e richiede l’intervento umano solo in caso di anomalie.
Qualità dell’acqua
La qualità dell’acqua all’interno del sistema di distribuzione dell’acqua potabile è influenzata da una serie di fattori, come l’esaurimento dei disinfettanti dovuto all’invecchiamento dell’acqua, l’intrusione di contaminanti derivante da differenze di pressione e le condizioni dell’infrastruttura delle tubature (installazione, riparazione e sostituzione), la presenza di biofilm, la corrosione delle tubature e gli incidenti [12,13,14-16]. L’implementazione di biosensori e sensori multicontaminanti può fornire avvisi immediati alle autorità in merito a potenziali problemi e alla loro posizione specifica. Inoltre, i contatori intelligenti sono in grado di identificare le perdite e i differenziali di pressione che possono portare all’intrusione di contaminanti, facilitando anche il monitoraggio dell’età dell’acqua. Inoltre, le valvole intelligenti possono isolare efficacemente l’acqua contaminata, impedendone la diffusione nel sistema di distribuzione.
Disastri
I sistemi idrici urbani sono soggetti a vari disastri, tra cui guasti alle condutture idriche, eventi meteorologici e geologici naturali e incidenti dovuti a cause accidentali. Con l’invecchiamento, le tubature sono soggette a deterioramento, che può essere aggravato dalle sostanze corrosive presenti nell’acqua o nel terreno, dall’eccessiva pressione dell’acqua, dalle fluttuazioni di pressione, dalle vibrazioni e dal carico del traffico [17]. Nel tempo, queste sollecitazioni possono portare a guasti significativi delle tubazioni. L’implementazione di tecniche avanzate di gestione della pressione può contribuire a ridurre il rischio di degrado prematuro delle condotte. Inoltre, le tecnologie di rilevamento delle inondazioni possono prevedere potenziali rotture delle tubazioni e allertare le autorità competenti. I sistemi intelligenti di gestione delle alluvioni sono in grado di monitorare le condizioni di allagamento ed eseguire strategie per ridurre al minimo i danni, utilizzando sensori di allagamento, valvole automatiche e soluzioni di pompaggio intelligenti. In caso di rottura di una tubatura, i sensori di alluvione possono attivare una valvola intelligente per arrestare il flusso d’acqua, seguita da una pompa intelligente che elimina l’acqua dall’area circostante.
Consumo di energia
Perdite non identificate e la presenza di biofilm possono portare a un aumento del consumo energetico. Infatti, i biofilm contribuiscono ad aumentare la resistenza di attrito all’interno delle tubature, ostacolando il flusso dell’acqua e richiedendo ulteriori sforzi di pompaggio per mantenere portate adeguate [22]. Le perdite all’interno della rete di distribuzione causano una riduzione della pressione dell’acqua e richiedono un dispendio energetico per ripristinarla. Di conseguenza, l’aumento della pressione aggrava la gravità delle perdite, portando a ulteriori perdite sia di acqua che di energia [21].
Ostacoli all’implementazione delle reti idriche intelligenti
- Sfide tecnologiche: la necessità di avere contatori e sensori intelligenti per l’acqua di qualità, soprattutto nei Paesi in via di sviluppo con problemi tecnici e di alimentazione.
- Costi elevati: l’installazione e la manutenzione dei sistemi idrici intelligenti sono costose e spesso richiedono partnership pubblico-private (PPP).
- Esigenze di sicurezza: richiede investimenti continui nella sicurezza informatica per proteggere i dati e prevenire le fughe di informazioni.
- Complessità dell’adozione: la complessità e il rischio percepiti possono dissuadere i decisori dall’adottare sistemi intelligenti.
- Condivisione e integrazione dei dati: la standardizzazione è necessaria per facilitare la condivisione dei dati e garantire l’interoperabilità tra i vari sistemi.
Verso una trasformazione delle metodologie di gestione dell’acqua
L’incorporazione dell’intelligenza artificiale nel campo dell’ingegneria energetica e delle reti di distribuzione sta contribuendo in maniera determinante alla ricerca di soluzioni per la preservazione delle risorse idriche ed energetiche.
Attraverso l’applicazione di soluzioni intelligenti e strategie innovative, l’intelligenza artificiale e l’Internet degli oggetti (IoT) hanno la capacità di trasformare le metodologie di gestione dell’acqua. Questa trasformazione faciliterà il soddisfacimento della crescente domanda di questa risorsa vitale, proteggendo al contempo l’ambiente. Come evidenziato, i costi rappresentano un’importante barriera all’utilizzo di tali sistemi ma si stanno sperimentando forme efficaci di collaborazione tra aziende tecnologiche private e gestori delle infrastrutture idriche.
L’importanza delle partnership pubblico-private (PPP) per la realizzazione di sistemi di gestione intelligente
Le partnership pubblico-private (PPP) per la realizzazione di sistemi di gestione intelligente delle reti idriche pubbliche rappresentano un modello di business innovativo per affrontare le sfide legate alla gestione delle risorse idriche. Queste collaborazioni combinano le risorse e le competenze del settore pubblico con l’efficienza e l’innovazione del settore privato.
Attraverso l’uso di tecnologie avanzate come l’Internet delle Cose (IoT), l’intelligenza artificiale e i big data, le PPP possono migliorare il monitoraggio e la gestione delle reti idriche, riducendo le perdite e ottimizzando l’uso delle risorse. Inoltre, queste partnership possono facilitare investimenti significativi in infrastrutture, garantendo una fornitura idrica più sostenibile e resiliente. In conclusione, il futuro della gestione delle risorse deve far leva sul progresso tecnologico combinandolo con modelli di business efficaci ed efficienti per sfruttare questi progressi e promuovere un pianeta sostenibile e resiliente.
Bibliografia
1. Day, H.; Conway, K. Rule 1: No watts no water, Rule 2: No water no watts. In Proceedings of 24th Annual Waste Reuse Symposium: Where Has All the Water Gone? Water Reuse and Desalinization: Solutions for the Future, Seattle, WA, USA, 13–16 September 2009.
2. Gertner, J. The Future is Drying Up. The New York Times. 21 October 2007.
3. Hunaidi, O.; Wang, A.; Bracken, M.; Gambino, T.; Fricke, C. Detecting leaks in water distribution pipes. AWW 2005, 29, 52–55.
4. Mayer, P.W.; DeOreo, W.B. Residential End Uses of Water; American Water Works Association: Denver, CO, USA, 1999.
5. McKinnon, S. Cities’ Conservation Goal: Patch Own Water Leaks. The Arizona Republic. 21 May 2007.
6. Soh, S. C., & Kerk, S. G. (2005). The electricity and metering trends in Singapore. In 2005 international power engineering conference, November 29 2005–December 2 (pp. 1–152). https://doi.org/10.1109/ipec.2005.206896.
7. Sehgal, A. (2005). AMR offers multiple benefits. In Pipeline and gas technology. Itron Inc., Spokane, Washington.
8. Maier, R.M.; Pepper, I.L.; Gerba, C.P. Environmental Microbiology, 2nd ed.; Elsevier Inc.: Burlington, MA, USA, 2009.
9. Vaseashta, A. Technological Advances Water Safety, Security, and Sustainability. In Proceedings of Second International Congress on Sustainability Science and Engineering, Tucson, AZ, USA, 9–12 January 2011.
10. Engle, D. Leak busters: Ultra-accurate new residential meters and methods can zap “ghost” water accounts. Water Efficiency 2010, 5, 22–29.
11. Kenna, B. Water Metering and Revenue Protection; University of Southern Queensland: Southern Queensland, Australia, 2008.
12. Hall-Stoodly, L.; Stoodly, P. Biofilm formation and dispersal and the transmission of human pathogens. Trends Microbiol. 2005, 13, 7–10.
13. Karim, M.; Abbaszadegan, M.; LeChevallier, M. Potential for pathogen intrusion during pressure transients. J. Amer. Water Work. Assn. 2003, 95, 134–146.
14. Effects of Water Age on Distribution System Water Quality; U.S. Environmental Protection Agency: Washington, DC, USA, 2002.
15. Christopher, G.; Cieslak, T.; Pavlin, J.; Eitzen, E., Jr. Biological warfare: A historical perspective. JAMA 1997, 278, 412–417.
16. Sadiq, R.; Yehuda, K.; Rajani, B. Estimating risk of contaminant intrusion in water distribution networks using dempster-shafer theory of evidence. Civ. Eng. Environ. Syst. 2006, 23, 129–141.
17. Hunaidi, O.; Wang, A.; Bracken, M.; Gambino, T.; Fricke, C. Detecting leaks in water distribution pipes. AWW 2005, 29, 52–55.
18.Alshami, A., Elsayed, M., Ali, E., Eltoukhy, A.E., Zayed, T, 2023. Harnessing the power of ChatGPT for automating systematic review process: methodology, case study, limitations, and future directions. Systems 11 (7), 351.
19. Sybil Sharvelle; Andre Dozier; Mazdak Arabi; Brad Reichel; A geospatially enabled web tool for urban water demandforecasting and assessment of alternative urban water management strategies. Environmental Modelling & Software 2017, 97, 213-228, 10.1016/j.envsoft.2017.08.009.
20.Pere Marti-Puig; Arnau Martí-Sarri; Moises Serra; Different Approaches to SCADA Data Completion in Water Networks.Water 2019, 11, 1023, 10.3390/w11051023.
21.Lahlou, Z.M. Leak Detection and Water Loss Control; National Drinking Water Clearinghouse: Morgantown, WV, USA, 2001.
22. Barton, A.F.; Wallis, M.R.; Sargison, J.E.; Buia, A.; Walker, G.J. Hydraulic roughness of bio fouled pipes, biofilm character, and measured improvements from cleaning. J. Hydraul. Eng. Asce. 2008, 134, 852–857.
23. Giudicianni, C., Herrera, M., Nardo, A. D., Adeyeye, K., & Ramos, H. M. (2020). Overview of energy management and leakage control systems for smart water grids and digital water. Modelling, 1(2), 134-155.
