Digital twins voor waterinfrastructuurbeheer

Digital twins voor waterinfrastructuurbeheer

Visualiseren, controleren en analyseren

 

Stijgende elektriciteitsprijzen. Financiering voor capital improvements. Verouderde bedrijfsmiddelen en infrastructuur. Waterschaarste en waterverlies. Een groeiende stedelijke bevolking en een krimpende plattelandsbevolking. Natuurrampen veroorzaakt door klimaatverandering, zoals stormen, overstromingen en droogtes. Dit zijn slechts enkele van de problemen waar waterbedrijven mee te kampen hebben bij het leveren van betrouwbare, flexibele en betaalbare watersystemen. De oplossingen zijn divers, variërend van publiek-private samenwerking tot milieubewustzijn en slimme watertechnologieën. In toenemende mate voegen nutsbedrijven digitalisering toe aan deze lijst.

Door Gregg Herrin

Goede gegevens zijn van fundamenteel belang voor een goede besluitvorming. Vaak hebben nutsbedrijven echter moeite om de gegevens die ze al hebben en de gegevens die ze routinematig verzamelen, effectief te gebruiken, doordat deze deel uitmaken van afzonderlijke IT-oplossingen, spreadsheets en papieren dossiers. Door deze gegevens en de bijbehorende bedrijfsprocessen te digitaliseren, kunnen nutsbedrijven het maximale uit hun gegevens halen en zo hun besluitvorming, efficiëntie en service verbeteren. Digital twins zijn daarvoor een krachtige strategie die door progressieve waterbedrijven wordt toegepast.

Digital twins, mogelijk dankzij intelligente en verbonden digitale infrastructuur, ondersteunen planning, ontwerp, constructie en bewerkingen voor intelligente waternetwerken.

Digital twins zijn de virtuele weergaven van fysieke bedrijfsmiddelen, processen of systemen. Voor het maken van een digital twin van een watersysteem worden virtuele engineering-modellen met realiteitsmodellen op stadsschaal en GIS-gegevens gecombineerd. Ook worden digital twins voortdurend bijgewerkt met virtuele operationele gegevens van SCADA-systemen, sensoren en andere meetbronnen, waardoor een realtime model ontstaat dat voor verschillende toepassingen kan worden gebruikt. Dat is wat digital twins onderscheidt van statische 3D-modellen.

Het resultaat is een intelligent en verbonden digitaal infrastructuurmodel dat planning, het ontwerp, de bouw en het beheer van slimme waternetwerken ondersteunt. Digital twins van watersystemen bieden nauwkeurige en betrouwbare gegevens die nutsbedrijven kunnen gebruiken om wat-als-analyses uit te voeren en geïnformeerde beslissingen te nemen gedurende de levenscyclus van het watersysteem. Denk daarbij bijvoorbeeld aan de kwetsbaarheid van het systeem op de lange termijn, de capaciteitsplanning, onmiddellijke prestatiemonitoring en de afhandeling van noodsituaties.

Begrijpen en voorspellen
Met digital twins kunnen medewerkers van nutsbedrijven bedrijfsmiddelen visualiseren (binnen de context van het systeem en de omgeving), de status ervan controleren en analyses en simulaties uitvoeren. Zo kunnen nutsbedrijven de historische en huidige prestaties van hun watersystemen beter begrijpen, toekomstige prestaties voorspellen en de impact van potentiële veranderingen in de virtuele wereld simuleren voordat er financiële middelen worden ingezet.
Digital twins bieden nutsbedrijven praktische inzichten waarmee ze prestaties kunnen voorspellen en fouten kunnen identificeren voordat deze zich voordoen. Digital twins optimaliseren de prestaties van bedrijfsmiddelen en de op risico’s gebaseerde planning/voorbereiding op noodsituaties. Door effectiever gebruik te maken van gegevens en de verzamelde gegevens beter in te zetten, genereren digital twins inzichten waarmee nutsbedrijven de huidige en toekomstige prestaties van hun bedrijfsmiddelen en watersystemen kunnen voorspellen en optimaliseren.

Gregg Herrin: “De enorme vooruitgang op het gebied van monitoring- en computertechnologie, zal ertoe leiden dat digital twins een vast onderdeel worden van elk aspect van de waterindustrie.”

Snelle actie
Waarom zijn digital twins belangrijk voor waterinfrastructuurbeheer? Daar zijn een vijftal redenen voor te geven. In de eerste plaats is het belangrijk dat de digital twin snelle actie mogelijk maakt. Door de integratie van een hydraulisch/waterkwaliteitsmodel van het systeem dat de huidige omstandigheden weerspiegelt, kunnen nutsbedrijven met digital twins gebeurtenissen simuleren zoals kapotte leidingen, stroomuitval, brand en vervuiling. Op die manier helpt het model nutsbedrijven met het analyseren van de veerkracht van hun systemen en het inschatten van risico’s.
Een tweede voordeel van digital twins is dat ze gebruikmaken van gegevens uit bestaande beheersystemen en andere bedrijfssystemen om het op risico’s gebaseerd strategisch bedrijfsmiddelenbeheer over de gehele levenscyclus te ondersteunen. Hierdoor kunnen nutsbedrijven de levenscycluskosten optimaliseren, de levensduur van bedrijfsmiddelen verlengen en prioriteit geven aan kapitaalverbeteringsprojecten.
Door digital twins continu bij te werken met gemeten operationele gegevens kunnen nutsbedrijven de locatie van potentiële lekken bepalen en waterverlies verminderen, wat daarmee het derde voordeel is van digital twins.
Het vierde nuttige aspect van een digital twin is dat deze het mogelijk maakt om gegevens te combineren. De meeste waterbedrijven hebben al een hydraulisch model van hun systeem dat ze gebruiken voor planning en design. Door deze hydraulische modellen samen te voegen met gegevens van SCADA-systemen kunnen nutsbedrijven met behulp van digital twins eigenschappen van hun watersystemen definiëren die niet direct gemeten kunnen worden, zoals de stagnatie en snelheid van water. Hierdoor krijgen ze een uitgebreider beeld van het systeem en kunnen ze de fysieke veiligheid vergroten en het aantal leidingbreuken verminderen.
Daarmee komen we automatisch ook terecht bij het vijfde voordeel: omdat de integratie van SCADA-gegevens en hydraulische modellen een nauwkeurige analyse van het gedrag van het watersysteem kan opleveren, gebruiken nutsbedrijven digital twins om de verschillende manieren te testen waarop hun watersysteem kan worden gebruikt om de afhandeling van noodsituaties te verbeteren, de efficiëntie te verhogen en energie te besparen.

Praktijkvoorbeeld
Inmiddels worden digital twins ingezet door waterbedrijven wereldwijd. Zo heeft Companhia Águas de Joinville in het Braziliaanse Joinville een ontwerpproject uitgevoerd, waarbij een bevoorradingssector met ondersteuning voor reservoir 2 werd gescheiden, waterdistributieproblemen in de regio werden opgelost door de sector hydraulisch aan te sturen. Hierdoor kunnen watertekorten worden verholpen en de betrouwbaarheid van gegevens en dossiers gecontroleerd om een realistische simulatie te creëren.
Het bedrijf gebruikte een digital twin om hydraulische simulaties van het bestaande bevoorradingsnetwerk uit te voeren en scenario’s te genereren met het masterwaterplan als referentie voor de toekomst. Het projectteam maakte gebruik van OpenFlows WaterGEMS voor de hydraulische simulaties en van attribuutgegevens uit ArcGIS voor de hydraulische simulatie van het systeem. Het resultaat van het project was een consistente watervoorziening voor slechts 250.000 Braziliaanse real (bijna 40.000 euro) aan implementatiekosten.

Door de integratie van een hydraulisch/waterkwaliteitsmodel van het systeem, kunnen nutsbedrijven met digital twins gebeurtenissen simuleren, zoals kapotte leidingen, stroomuitval, brand en vervuiling.

Overstromingen voorspellen
Águas do Porto (Waterbedrijf Oporto – AdP) is verantwoordelijk voor het geïntegreerde beheer van de gehele stedelijke watercyclus in de Portugese kuststad Porto. AdP gebruikt digital twins om informatie uit meerdere softwaresystemen te integreren. Voor de totaaloplossing worden OpenFlows FLOOD, OpenFlows WaterGEMS, OpenFlows SewerGEMS en ACTION Server gebruikt. Het team produceerde geïntegreerde digital twins van de watervoorziening van de stad en de systemen voor rioolwater, regenwater, stranden en zwemwater. Het projectteam gebruikte digital twins om overstromingen en problemen met de waterkwaliteit te voorspellen, dienstverlening te verbeteren, de reactiesnelheid te verhogen en de veerkracht van de waterinfrastructuur te waarborgen.
De oplossing integreert gegevens van meer dan twintig verschillende gegevensbronnen, waaronder klantenservicemanagement, facturering, onderhoud, projectmanagement, bedrijfsmiddelen, operationele systemen, labmanagement, GIS en SCADA. Daarnaast heeft AdP gegevens geïntegreerd van sensoren, telemetrie en beheer op afstand, waaronder 30 duizend telemetriemeters en meer dan tweehonderd apparaten.
De digital twins bieden een digitale weergave van alle watersystemen van de stad en bevatten drie meteorologische modellen: gecombineerde riool- en stormmodellen voor de kust; riviermond-, kustgebied- en golfmodellen; en voorspellende modellen. Digital twins bieden realtime toegang tot deze informatie en worden gebruikt om voorspellingen te doen, automatisch de grensvoorwaarden van waterconsumptie en netwerksensoren bij te werken, netwerkscenario’s voor leidingbreuken en klep- en pompuitval te analyseren en om informatie over waterstromen, watersnelheid, waterniveau, meteorologie en stromingen te verzamelen. Deze digital-twinomgeving heeft geresulteerd in een operationele winst van 25 procent. Ook is de watervoorzieningsuitval met ongeveer 30 procent verminderd en de reparatieduur na leidingbreuken met 8 procent verkort. De mogelijkheid tot snelle reactie op de sensormetingen heeft de besluitvorming verbeterd en de stabiliteit en betrouwbaarheid van de gegevens tot bijna 99 procent verhoogd.

Resultaten
Digital twins vertegenwoordigen een nieuw integratieplatform dat informatietechnologie, operationele technologie en engineeringtechnologie met elkaar verbindt. Hierdoor kunnen waterbedrijven het potentieel van big data benutten op een manier die enkele jaren geleden nog economisch onhaalbaar was. De integratie van de verschillende technologieën verenigt verouderde gegevens met operationele en technische gegevens om een breder, meer holistisch beeld te geven van het watersysteem van een nutsbedrijf en gegevensgedreven besluitvorming mogelijk te maken.
De enorme vooruitgang op het gebied van monitoring- en computertechnologie, in combinatie met de bereidheid van de waterindustrie om nieuwe technologieën te omarmen, zal ertoe leiden dat digital twins een vast onderdeel worden van elk aspect van de waterindustrie. Naarmate digital twins de nieuwe norm voor waterbedrijven worden, zullen zij de betrouwbaarheid van watersystemen verbeteren, de kapitaal- en bedrijfskosten van nutsbedrijven verlagen en hun ecologische voetafdruk verkleinen, waardoor ze hun klanten veilige en efficiënte diensten kunnen bieden.

H2Porto, het digital-twinplatform van Águas do Porto, omvat eigen software, gegevens en applicaties van derden, en is beschikbaar in meerdere disciplines, van engineering tot operaties en onderhoud. © Águas do Porto

Gregg Herrin is senior directeur waterinfrastructuur bij Bentley Systems, waar hij het team leidt dat verantwoordelijk is voor Bentley’s hydraulische en hydrologische toepassingen.

Website Bentley Systems

Share on facebook
Facebook
Share on google
Google+
Share on twitter
Twitter
Scroll naar top