"Transizione digitale nelle reti di approvvigionamento idrico: opportunità e strumenti per il contenimento delle perdite idriche"

1. Sponsor dell’evento
«Transizione digitale nelle reti di approvvigionamento idrico:
opportunità e strumenti per il contenimento delle perdite idriche»
Luigi Berardi
Professore Ordinario
Università «G. d’Annunzio» di Chieti-Pescara
Giovedì 25 Gennaio 2024| IREN, Reggio Emilia
SCUOLA DI ALTA FORMAZIONE

2. Pandemia globale, cambiamenti ed accelerazione dei processi
Nuova luce alla irrinunciabilità e centralità della ricerca tecnico-scientifica, ma
anche della formazione per progettare il futuro delle nuove generazioni.
Necessità di disegnare lo sviluppo sostenibile e concetti di transizione ecologica e
digitale.
Risorse React-EU e PNRR: necessità di investimenti per la Riduzione delle perdite
nelle reti di distribuzione dell’acqua comprese la digitalizzazione ed il
monitoraggio.
Necessità di allineare l’organizzazione aziendale alle esigenze del piano
industriale per la gestione delle perdite idriche e transizione gestionale per
traguardare gli obiettivi ai diversi orizzonti temporali a breve (operativo), medio
(tattico) e lungo (strategico) termine.
Contesto (1/2)

3. Necessità di un Piano Industriale per la gestione delle perdite idriche
 per affrontare la complessità del tema tecnico-scientifico ed ottenere la
qualità della spesa
 supportato da nuovi concetti, metodi e strumenti che rendano le scelte
tecniche razionali, replicabili, scalabili, integrabili e flessibili al fine di ottenere
ai diversi orizzonti temporali efficienza ed efficacia gestionale +
La sfida dell’integrazione di concetti, paradigmi e strumenti della transizione
digitale, di analisi idraulica innovativa e di ottimizzazione di sistema (Digital Water)
è diventata di importanza tecnico-scientifica rilevante.
Contesto (2/2)

4. Innovazione
tecnico-scientifica

5. Innovazione
tecnico-scientifica

6. Cos'è la trasformazione digitale nei sistemi idrici?

7. Cosa NON E’ la trasformazione digitale nei sistemi idrici
Non è solo collegare strumenti "classici" con tecniche GIS, WEBGIS, BIM, IA come
scatole nere attraverso interoperabilità/integrazione
Non è uno strumento «magico» per risolvere tutti i problemi tecnici senza
considerare il comportamento fisico dei sistemi
Non è annullare la formazione tecnica e i modelli basati sulla fisica o la
conoscenza del comportamento fisico dei sistemi
Non è scoprire ex novo il mondo tecnico esistente o la ricerca scientifica
Non è la mera esportazione di paradigmi di altri campi nei sistemi idrici senza
considerarne la specificità e le esigenze di adattamento
o Non è il «real-time» nell’analisi e gestione dei sistemi idraulici senza
considerare il comportamento di massa dell’acqua

8. Cos'è la trasformazione digitale nei sistemi idrici?
La transizione digitale va intesa come la revisione dei processi utilizzando
prodotti basati su tecnologie digitali, per aumentarne l’efficienza.
La raccolta e la valutazione più semplice, accessibile e rappresentativa dei dati
relativi ai processi costituisce la base di conoscenza per fornire informazioni
utili all’efficienza.
La transizione digitale supporta e necessita della progressiva transizione
gestionale per il capitale umano:
 Formazione dei decisori (riorganizzazione aziendale)
 Formazione dei tecnici (consapevolezza delle opportunità e degli strumenti)

9. • Sviluppare nuovi strumenti e migliorare quelli classici
• Fondere diversi concetti e strumenti (anche dello scorso millennio) per
migliorare le soluzioni tecniche
• Immaginare e creare nuovi servizi utilizzando l'interoperabilità , l’evoluzione dei
linguaggi di programmazione, la realtà aumentata, ecc., la capacità e velocità di
trasmissione dei dati, di archiviazione, di analisi rapida, e l’accresciuta potenza
di calcolo
• Scoprire nuovi paradigmi e opportunità per migliorare i processi attuali e per
risolvere nuovi problemi tecnici, aumentando la razionalità, la replicabilità, la
scalabilità, l'efficienza, l'efficacia e la flessibilità
• Nuova formazione per migliorare la capacità problem solving all'interno di nuovi
paradigmi unendo il classico e la novità
SFIDE della trasformazione digitale nei sistemi idrici

10. La Lezione della Storia
Molti concetti, strumenti e persino
parole sono stati sviluppati dal
"mondo classico" e noi siamo già
sulle loro spalle.
Non cercare di scappare ... potrebbe
essere pericoloso!

11. • Nell’ambito dell’ ottimizzazione la prima teorizzazione delle strategie evolutive
è ascrivibile di Ingo Rechenberg cinquant'anni fa
• John Holland, quindici anni dopo (1976), stabilì la teoria degli Algoritmi Genetici
e David Goldberg – ingegnere idraulico – (1989) scrisse un libro fondamentale
che ne stabilì l'uso già negli anni novanta nei sistemi idrici (Simpson, Dandy &
Murphy, Savic & Walters, ecc.)
• Negli ultimi due decenni, sono state proposte molte nuove strategie evolutive
per l'ottimizzazione (molte nel campo della ricerca idraulica)
Origini della trasformazione digitale

12. Invece di cercare la soluzione migliore (singolo obiettivo), l’approccio multi-
obiettivo cerca le soluzioni che hanno il miglior trade-off tra gli obiettivi definiti
per lo specifico problema tecnico (problem soloving)
A=model
non-dominated by A
dominating A
dominated by A
non-dominated by A
Complexity
Model Error
O
Obiettivo 1
Obiettivo 2
Criterio di Dominanza
di Pareto
Fronte di Pareto
Origini della trasformazione digitale

13. • Rumelhart, Hinton e Williams hanno sviluppato l'Error
Back-Propagation (1986) per addestrare le Reti Neurali
Artificiali e il loro utilizzo nei sistemi idrici è iniziato negli
anni novanta
• Nel 1992, Koza, Programmazione Genetica e apprendimento automatico come
regressione simbolica
• Alla fine dell'ultimo millennio Davidson & Savic hanno proposto la Regressione
Simbolica e Giustolisi ne ha sviluppata una originale (Evolutionary Polynomial
Regression - EPR) diciotto anni fa
• Il Machine Learning è stato fondato da Alan Turing
(ottant'anni fa) e durante quell'epoca il primo concetto di
Reti Neurali Artificiali si deve a McCulloch & Pitts
Origini della trasformazione digitale

14. Machine Learning & Data Modelling
Interpretabilità per l’utente
Costo
del
modello
Dati
&
Informazione
Origini della trasformazione digitale

15. 15
Indice di Modularità e
segmentazione del reti di Acquedotto
• La Teoria delle Reti Complesse è nata secoli fa da Eulero (teoria dei grafi)
Origini della trasformazione digitale

16. Metriche di Centralità e Rilevanza delle Singole
Tubazioni negli Acquedotti
• La Teoria delle Reti Complesse è nata secoli fa da Eulero (teoria dei grafi)
Origini della trasformazione digitale

17. Origini della trasformazione digitale
• Gemello Digitale: Michael Grieves ha applicato per primo nel 2002 il concetto di
Digital Twin alla prototipizzazione nell'industria per efficientarla ... poi la NASA
Rete acquedottistica

18. Digital Twin di una rete acquedottistica

19. Digital Twin
• Representazione della
connettività
• Representazione dell’asset
• Caratteristiche idrauliche delle condotte
• Parametri di deterioramento
• Dispositivi (valvole, pompe, serbatoi,…)
• Modellazione idraulica avanzata
• Dispositivi
• Controlli
• Condizioni di servizio alle utenze
• Perdite idriche in funzione della
pressione e del deterioramento
Abnormal
Functioning
Demand-driven
analysis (EPANET)
Pressure-driven
analysis
Node 10
Node 1
Digital Twin di una rete acquedottistica

20. È necessario essere il più possibile gemelli del sistema fisico come
configurazione topologica, descrizione dei componenti del sistema e
comportamento idraulico
Modellazione di sistema serve per creare il gemello fenomenologico più
appropriato all’interno del concetto di servizio per gli utenti
Modellazione idraulica avanzata
Analisi topologica
Utenze sempre più al centro del modello di sistema
Interoperabilità con GIS, WEBGIS, BIM e realtà aumentata
Digital Twin di una rete acquedottistica

21. Digital Twin di una rete acquedottistica
formato dati entità-relazioni
Es. Excel data format Es. GIS data format
I modelli sviluppati nel ‘90 (Es. EPANET) hanno un formato entità-relazioni
non compatibile con i GIS

22. Digital Twin di una rete acquedottistica
formato dati entità-relazioni
Es. Excel data format Es. GIS data format
I modelli sviluppati nel ‘90 (Es. EPANET) hanno un formato entità-relazioni
non compatibile con i GIS
Valvola Valvola
Dispositivo Dispositivo

23. Digital Twin di una rete acquedottistica
formato dati entità-relazioni (Utenze)
I modelli degli anni ‘90 non integrano le utenze nei nodi mentre devono
essere una informazione separata che fornisce flessibilità ed integrabilità
con la strategia smart-metering

24. Digital Water Service
I Servizi Idrici Digitali restituiscono
rapidamente risultati di diretto interesse per
differenti attività tecniche (progettazione,
attività di campo, gestione asset, ecc.)
App di Ingegneria, simili alle app dei nostri
smartphone, ma con il sistema fisico e la
decisione tecnica interposte fra l’azione ed il
risultato tecnico
Dal Gemello Digitale al Servizio Idrico Digitale
Dal cosa accade se (WHAT-IF) al cosa fare (WHAT TO DO)

25. Quanti Servizi Servizi Idrici Digitali?
• I nuovi strumenti “digitali” devono essere un mix di vera tecnica e corretta
scienza supportate dai miglioramenti tecnologi di questi tempi.
• E’ necessaria la guida di vere esigenze gestionali
• L’innovazione nasce dal confronto e dalla esigenza di risolvere problemi tecnici
reali
• La formazione continua alla gestione dei sistemi idraulici ha un ruolo centrale,
la disinformazione è deleteria.

26. Esperienza digital-water per il controllo
delle perdite in acquedotti urbani
Non ricerca tecnico-scientifica, né dimostrazione di concetto, ma
ormai innovazione di processo-prodotto nata nel 2020 e già
utilizzate in diversi contesti

27. Dati idraulici
di più cicli operativi
Dati topologici
Analisi della
topologia
Distretti virtuali
Modello idraulico calibrato
Postazioni
a
priori
Post-processing
Segmentazione
Calibrazione
mass-balance
Distrettualizzazione
idraulica Piani di sostituzione
Miglioramenti funzionali
Supporto
alla distrettualizzazione
Bilanci idrici per DMA
Ogni fase è supportata da specifici
Servizi Idrici Digitali
….

28. Dati idraulici
di più cicli operativi
Dati topologici
Analisi della
topologia
Distretti virtuali
Modello idraulico calibrato
Postazioni
a
priori
Post-processing
Segmentazione
Calibrazione
mass-balance
Distrettualizzazione
idraulica Piani di sostituzione
Miglioramenti funzionali
Supporto
alla distrettualizzazione
Ogni fase è supportata da specifici
Servizi Idrici Digitali
….
Bilanci idrici per DMA

29. • Gemello Digitale
• Analisi Topologica
• GIS
• Teoria delle Reti Complesse
• WDN-based
Betweenness Centrality
App di Ingegneria - Servizi Idrici Digitali
DigitalWaterDomain_Analyzer

30. DigitalWaterDomain_Analyzer

31. Dati idraulici
di più cicli operativi
Dati topologici
Analisi della
topologia
Distretti virtuali
Modello idraulico calibrato
Postazioni
a
priori
Post-processing
Segmentazione
Calibrazione
mass-balance
Distrettualizzazione
idraulica Piani di sostituzione
Miglioramenti funzionali
Supporto
alla distrettualizzazione
Ogni fase è supportata da specifici
Servizi Idrici Digitali
….
Bilanci idrici per DMA

32. 0
10
20
30
40
50
60
70
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24
Flow
[L/s]
Hour of the day
DigitalWaterMassCalibration

33. Analisi di reti stagionali
DigitalWaterMassCalibration

34. • Gemello Digitale
• Analisi Topologica
• GIS
• Modello idraulico avanzato
• Teoria delle Reti Complesse
• Analysi delle componenti
• Ottimizzazione
• Algoritmi Genetici
• Ottimizzaizone Multi-Obiettivo
• Supporto alla decisione
• Machine Learning
(es. Evolutionary Polynomial Regression)
• Propensione alla perdita da data-
modelling di registrazioni di guasti
DigitalWaterMassCalibration
(Reverse Engineering)
App di Ingegneria - Servizi Idrici Digitali

35. App di Ingegneria - Servizi Idrici Digitali
DigitalWaterMassCalibration

36. Dati idraulici
di più cicli operativi
Dati topologici
Analisi della
topologia
Distretti virtuali
Modello idraulico calibrato
Postazioni
a
priori
Post-processing
Segmentazione
Calibrazione
mass-balance
Distrettualizzazione
idraulica Piani di sostituzione
Miglioramenti funzionali
Supporto
alla distrettualizzazione
Ogni fase è supportata da specifici
Servizi Idrici Digitali
….
Bilanci idrici per DMA

37. Fase A: Segmentazione topologica della rete
Fase B: Distrettualizzazione idraulica
Supporto alla distrettualizzazione

38. • Gemello Digitale
• Analisi Topologica
• GIS
• Teoria delle Reti Complesse
• Indice di Modularità WDN-Tailored
• Analisi delle componenti
• Ottimizzazione
• Algoritmi Genetici
• Multi-Obiettivo
• Supporto alla Decisione
DigitalWaterVirtualDMA
Supporto alla distrettualizzazione
App di Ingegneria - Servizi Idrici Digitali
Fase A: Segmentazione topologica della rete

39. Identificazione di «comunità» (distretti virtuali)
Supporto alla distrettualizzazione
App di Ingegneria - Servizi Idrici Digitali
Fase A: Segmentazione topologica della rete

40. Supporto alla distrettualizzazione
App di Ingegneria - Servizi Idrici Digitali
Fase A: Segmentazione topologica della rete

41. DigitalWaterDMADesign
• Digital Twin
• Analisi Topologica
• GIS
• Modello idraulico avanzato
• Complex Network Theory
• Analisi delle componenti
• Ottimizzazione
• Algoritmi Genetici
• Multi-Obiettivo
• Supporto alla Decisione
Supporto alla distrettualizzazione
App di Ingegneria - Servizi Idrici Digitali
Fase B: Distrettualizzazione idraulica e controllo di pressione

42. Supporto alla distrettualizzazione
App di Ingegneria - Servizi Idrici Digitali
Fase B: Distrettualizzazione idraulica e controllo di pressione

43. Supporto alla distrettualizzazione
App di Ingegneria - Servizi Idrici Digitali
Fase B: Distrettualizzazione idraulica e controllo di pressione

45. • Gemello Digitale
• Analisi Topologica
• GIS
• Modello idraulico avanzato
• Teoria delle Reti Complesse
• Analisi delle componenti
• Machine Learning (es. Evolutionary
Polynomial Regression)
• Propensione alla perdita da data-
modelling di registrazioni di
guasti
DigitalWaterRehabilitation
Piani di sostituzione
App di Ingegneria - Servizi Idrici Digitali

46. DigitalWaterRehabilitation

47. Sostituzione 10% delle condotte
Prima della sostituzione
Piani di sostituzione

48. Servizi Digital Water

49. DigitalWaterWorks
Supporto all’esecuzione dei lavori

50. DigitalWaterIVSVulnerability
Analisi di affidabilità delle valvole di isolamento

51. DigitalWater_DMA Balance
Bilanci idrici di distretto

52. Esempio di correzione topologica supportata dalla simulazione idraulica
Identificazione
dell’origine della
disconnessione
Errore di
connettività
Digital water a support della costruzione
del modello geometrico

53. Esempio di correzione topologica supportata dalla simulazione idraulica
Identificazione dell’origine
della disconnessione
Digital water a support della costruzione
del modello geometrico

54. «Distretti» esistenti: il
distretto azzurro è una
linea «dorsale»
passante rispetto al
distretto in grigio
Identificazione dei
«distretti» esistenti
Esempio di correzione topologica supportata
dall’analisi dei «distretti» esistenti
Difformità nella
configurazione
dei «distretti»
Errore di connettività
Digital water a support della costruzione
del modello geometrico

55. Conclusioni
La transizione digitale non risolve i problemi ma supporta la
scelta tra alternative tecniche
L’esperienza digital-water dimostra che il ruolo dell’ingegnere
resta al centro del processo tecnico
 La transizione digitale richiede progressività nella transizione
gestionale supportata dalla formazione e informazione per la
progressiva transizione del capitale umano
Le innovazioni permettono di massimizzare l’efficienza
complessiva:
Costi
(investimenti)
Benefici
(risparmio idrico)
(affidabilità del servizio alle utenze)
vs.

56. Grazie per l’attenzione
luigi.berardi@unich.it