Open-Source Application for Water Supply System Management: Implementation in a Water Transmission System in Southern Spain

Sustainable water use has become a critical issue for the future of the planet in face of highly probable climate change. The drinking water supply sector has made significant progress over the last 20 years, although improvements in the management of urban hydraulic infrastructures are still required. The proposed system, Integrated Tool for Water Supply Systems Management (ITWSM), built on three interconnected modules (QGIS database, Epanet hydraulic model, and Google My Maps app), was developed on open-source software. The core of ITWSM allows analyzing the behavior of water supply systems under several operation/failure scenarios. It facilitates decision making supported by the mobile application ITWSM-app. Information flows easily through the different decision levels involved in the management process, keeping updated the georeferenced database after system changes. ITWSM has been implemented in a real public water supply company and applied to manage breakdown repairs in water transmission systems. The use of the proposed methodology reduces the average cost of failure repair by 13.6%, mainly due to the optimal planning of the resources involved

Gestión inteligente de sistemas de distribución de agua

The United Nations predicts that the world's population in 2050 will reach 9.7 billion people. This exponential growth will mean an increase in the global demand for water available for human consumption. In addition, the advance of climate change is causing the occurrence of more frequent droughts, especially in arid and semi-arid areas. Indirectly, this means an increase in the costs associated with water transport and purification, as water must be drawn from sources that are increasingly distant from the points of consumption and the quality is getting worse. The traditional management of urban water supply is changing towards a more sustainable model aimed at an efficient use of resources (water, energy, labour) that not only reduces management costs but is also more environmentally friendly. This transformation is taking place due to the development of other transversal disciplines (cloud computing, communication systems, Big Data, electronics, etc.) applied to many fields of science, which applied to water management, can bring considerable benefits. Furthermore, to achieve intelligent management of a water supply network, it is necessary to rely on current tools that provide objective knowledge of the system. For example, geographic information systems (GIS) together with hydraulic models serve as a georeferenced database where the behaviour of any hydraulic network in different scenarios can be simulated. The Internet of Things (IoT) allows the connection of a network of sensors to know the main hydraulic variables at any time, providing key information for hydraulic models to faithfully reproduce the behaviour of modelled systems in real time. Digitalisation itself favours the use of information and communication technologies (ICT) to convert traditional management into smart management. For these reasons, new studies are needed to assess the potential and applicability of these new tools. This thesis is organised in 6 chapters focused on the development and application of a decision support system that allow the manager of a water supply network to make decisions based on data recorded on real-time. All the tools developed throughout this thesis have been tested in a real water supply network located in the south of Spain, managed by the Provincial Water Company of Cordoba (EMPROACSA). Chapter 1 shows the trajectory of urban supply management: explaining the starting point and where it is expected to achieve. Then, Chapter 2 describes the main objective and the specific objectives of this thesis, as well as the structure of this document. Chapter 3 presents a methodology that serves as a basis for starting the digitisation process in water supply networks. The system developed is based on three pillars: the geographic information system, the hydraulic model, and the application for mobile devices. The geographic information system provides a georeferenced database of the infrastructures that compose the hydraulic network; the hydraulic model simulates the response of the network to different operation scenarios; and finally, the mobile application facilitates the feedback of the system to keep it always up to date with changes in the systems. One of the distinguishing features of this work is the use of free software (Qgis, Epanet and Google My Maps) in all stages, which fosters digitisation in supply companies with a low budget. Chapter 4 develops an early warning system based on water pressure monitoring. The communication node developed ad-hoc for this work, sends water pressure data to the cloud, where users can visualise them with a device with an internet connection. Among its advantages are its low cost, it allows the use of different communication systems and has a high autonomy powered by batteries, which makes it well adapted to supply systems. The proposed monitoring system detects failures in the network due to pressure drops, alerting managers of the affected zone. Chapter 5 explains the decision support tool developed to deal with failures in water transmission networks. The web platform that supports this tool is divided into 3 independent modules: fault detection, alerts, and fault repair. The first module is responsible for detecting, geolocating and classifying faults in the hydraulic network using the information recorded in real time by the pressure monitoring system described in the previous chapter. The second module is responsible for sending alerts selectively to the workers in the area of the failure. Finally, the third module estimates, applying the hydraulic model, the maximum time that the manager has to fix failures, avoiding supply cuts using the water stored in regulation tanks when the failure occurs. The fault detection and classification module has demonstrated a 95% accuracy when applied to a real case. Chapter 6 contains the general conclusions of the thesis, as well as possible lines of future work. In summarise, water management is experiencing a paradigm shift. This transformation requires sufficiently mature technologies to ensure good results. Therefore, studies are needed that not only advance towards smart management, but also evaluate the tools available now and their integration into the current management model. This thesis presents a decision support system applied to supply networks, which help managers to make decisions based on objective information, not on intuition or experience. The use of open-source software and hardware in all the developments of this thesis must be emphasised. This specific feature allows the adoption of the methodologies proposed by water companies, regardless of size or financial resources, enabling the whole system or only part of it to be adapted to the operation of the company.Las Naciones Unidas prevén que la población mundial en 2050 alcanzará los 9.700 millones de personas. Este crecimiento exponencial supondrá un aumento de la demanda global de agua disponible para el consumo humano. Además, el avance del cambio climático está provocando la aparición de sequías más frecuentes, especialmente en las zonas áridas y semiáridas. Indirectamente, esto supone un aumento de los costes asociados al transporte y la depuración del agua, ya que hay que extraerla de fuentes cada vez más alejadas de los puntos de consumo y la calidad es cada vez peor. La gestión tradicional del abastecimiento de agua en las ciudades está cambiando hacia un modelo más sostenible orientado a un uso eficiente de los recursos (agua, energía, mano de obra) que además de reducir los costes de gestión, es más respetuoso con el medio ambiente. Esta transformación se está produciendo gracias al desarrollo de otras disciplinas transversales (computación en la nube, sistemas de comunicación, Big Data, electrónica, etc.) aplicadas a diversos campos de la ciencia, que aplicadas a la gestión del agua, pueden aportar considerables beneficios. Además, para conseguir una gestión inteligente de una red de abastecimiento de agua, es necesario apoyarse en herramientas actuales que proporcionen un conocimiento objetivo del sistema. Por ejemplo, los sistemas de información geográfica (SIG) junto con los modelos hidráulicos sirven como base de datos georreferenciada donde se puede simular el comportamiento de cualquier red hidráulica en diferentes escenarios. El Internet de las Cosas (IoT) permite la conexión de una red de sensores para conocer las principales variables hidráulicas en cada momento, aportando información clave para que los modelos hidráulicos reproduzcan fielmente el comportamiento de los sistemas modelizados en tiempo real. La propia digitalización favorece el uso de las tecnologías de la información y la comunicación (TIC) para convertir la gestión tradicional en una gestión inteligente. Por estas razones, son necesarios nuevos estudios para evaluar el potencial y la aplicabilidad de estas nuevas herramientas. Esta tesis se organiza en 6 capítulos centrados en el desarrollo y aplicación de un sistema de apoyo a la decisión que permita al gestor de una red de abastecimiento de agua tomar decisiones basadas en datos registrados en tiempo real. Todas las herramientas desarrolladas a lo largo de esta tesis han sido probadas en una red real de abastecimiento de agua situada en el sur de España, gestionada por la Empresa Provincial de Aguas de Córdoba (EMPROACSA). El capítulo 1 muestra la trayectoria de la gestión del abastecimiento urbano: explicando el punto de partida y hacia dónde se espera llegar. A continuación, el capítulo 2 describe el objetivo principal y los objetivos específicos de esta tesis, así como la estructura de este documento. El capítulo 3 presenta una metodología que sirve de base para iniciar el proceso de digitalización de las redes de abastecimiento de agua. El sistema desarrollado se basa en tres pilares: el sistema de información geográfica, el modelo hidráulico y la aplicación para dispositivos móviles. El sistema de información geográfica proporciona una base de datos georreferenciada de las infraestructuras que componen la red hidráulica; el modelo hidráulico simula la respuesta de la red ante diferentes escenarios de operación; y, por último, la aplicación móvil facilita la retroalimentación del sistema para mantenerlo siempre actualizado con los cambios en los sistemas. Uno de los rasgos distintivos de este trabajo es el uso de software libre (Qgis, Epanet y Google My Maps) en todas las etapas, lo que favorece la digitalización en empresas de abastecimiento con bajo presupuesto. El capítulo 4 desarrolla un sistema de alerta temprana basado en la monitorización de la presión del agua. El nodo de comunicación desarrollado ad-hoc para este trabajo, envía los datos de la presión del agua a la nube, donde los usuarios pueden visualizarlos con un dispositivo con conexión a internet. Entre sus ventajas están su bajo coste, permite el uso de diferentes sistemas de comunicación y tiene una gran autonomía alimentada por baterías, lo que hace que se adapte bien a los sistemas de abastecimiento. El sistema de monitorización propuesto detecta fallos en la red por caídas de presión, alertando a los gestores de la zona afectada. El capítulo 5 explica la herramienta de apoyo a la toma de decisiones desarrollada para hacer frente a las averías en las redes de abastecimiento en alta. La plataforma web, que soporta esta herramienta, se divide en 3 módulos independientes: detección de averías, alertas y reparación de averías. El primer módulo se encarga de detectar, geolocalizar y clasificar las averías en la red hidráulica a partir de la información registrada en tiempo real por el sistema de monitorización de presiones descrito en el capítulo anterior. El segundo módulo se encarga de enviar alertas de forma selectiva a los trabajadores de la zona de la avería. Por último, el tercer módulo estima, aplicando el modelo hidráulico, el tiempo máximo del que dispone el gestor para solucionar las averías, evitando los cortes de suministro con el agua almacenada en los depósitos de regulación cuando se produce la avería. El módulo de detección y clasificación de averías ha demostrado una precisión del 95% cuando se aplica a un caso real. El capítulo 6 contiene las conclusiones generales de la tesis, así como posibles líneas de trabajo futuras. En resumen, la gestión del agua está experimentando un cambio de paradigma. Esta transformación requiere tecnologías suficientemente maduras para garantizar buenos resultados. Por ello, son necesarios estudios que no sólo avancen hacia una gestión inteligente, sino que evalúen las herramientas disponibles en la actualidad y su integración en el modelo de gestión actual. Esta tesis presenta un sistema de apoyo a la decisión aplicado a las redes de suministro de agua, que ayuda a los gestores a tomar decisiones basadas en información objetiva y no en la intuición o la experiencia. Cabe destacar el uso de software y hardware de código abierto en todos los desarrollos de esta tesis. Esta particularidad permite la adopción de las metodologías propuestas por las empresas de agua, independientemente de su tamaño o recursos financieros, permitiendo adaptar todo el sistema o sólo una parte de él al funcionamiento de la empresa

Design and management of image processing pipelines within CPS: Acquired experience towards the end of the FitOptiVis ECSEL Project

Cyber-Physical Systems (CPSs) are dynamic and reactive systems interacting with processes, environment and, sometimes, humans. They are often distributed with sensors and actuators, characterized for being smart, adaptive, predictive and react in real-time. Indeed, image- and video-processing pipelines are a prime source for environmental information for systems allowing them to take better decisions according to what they see. Therefore, in FitOptiVis, we are developing novel methods and tools to integrate complex image- and video-processing pipelines. FitOptiVis aims to deliver a reference architecture for describing and optimizing quality and resource management for imaging and video pipelines in CPSs both at design- and run-time. The architecture is concretized in low-power, high-performance, smart components, and in methods and tools for combined design-time and run-time multi-objective optimization and adaptation within system and environment constraints

Design and management of image processing pipelines within CPS : Acquired experience towards the end of the FitOptiVis ECSEL Project

Cyber-Physical Systems (CPSs) are dynamic and reactive systems interacting with processes, environment and, sometimes, humans. They are often distributed with sensors and actuators, characterized for being smart, adaptive, predictive and react in real-time. Indeed, image- and video-processing pipelines are a prime source for environmental information for systems allowing them to take better decisions according to what they see. Therefore, in FitOptiVis, we are developing novel methods and tools to integrate complex image- and video-processing pipelines. FitOptiVis aims to deliver a reference architecture for describing and optimizing quality and resource management for imaging and video pipelines in CPSs both at design- and run-time. The architecture is concretized in low-power, high-performance, smart components, and in methods and tools for combined design-time and run-time multi-objective optimization and adaptation within system and environment constraints.Peer reviewe

Smart Urban Water Networks

This book presents the paper form of the Special Issue (SI) on Smart Urban Water Networks. The number and topics of the papers in the SI confirm the growing interest of operators and researchers for the new paradigm of smart networks, as part of the more general smart city. The SI showed that digital information and communication technology (ICT), with the implementation of smart meters and other digital devices, can significantly improve the modelling and the management of urban water networks, contributing to a radical transformation of the traditional paradigm of water utilities. The paper collection in this SI includes different crucial topics such as the reliability, resilience, and performance of water networks, innovative demand management, and the novel challenge of real-time control and operation, along with their implications for cyber-security. The SI collected fourteen papers that provide a wide perspective of solutions, trends, and challenges in the contest of smart urban water networks. Some solutions have already been implemented in pilot sites (i.e., for water network partitioning, cyber-security, and water demand disaggregation and forecasting), while further investigations are required for other methods, e.g., the data-driven approaches for real time control. In all cases, a new deal between academia, industry, and governments must be embraced to start the new era of smart urban water systems

Integrated topological representation of multi-scale utility resource networks

PhD ThesisThe growth of urban areas and their resource consumption presents a significant global challenge. Existing utility resource supply systems are unresponsive, unreliable and costly. There is a need to improve the configuration and management of the infrastructure networks that carry these resources from source to consumer and this is best performed through analysis of multi-scale, integrated digital representations. However, the real-world networks are represented across different datasets that are underpinned by different data standards, practices and assumptions, and are thus challenging to integrate. Existing integration methods focus predominantly on achieving maximum information retention through complex schema mappings and the development of new data standards, and there is strong emphasis on reconciling differences in geometries. However, network topology is of greatest importance for the analysis of utility networks and simulation of utility resource flows because it is a representation of functional connectivity, and the derivation of this topology does not require the preservation of full information detail. The most pressing challenge is asserting the connectivity between the datasets that each represent subnetworks of the entire end-to-end network system. This project presents an approach to integration that makes use of abstracted digital representations of electricity and water networks to infer inter-dataset network connectivity, exploring what can be achieved by exploiting commonalities between existing datasets and data standards to overcome their otherwise inhibiting disparities. The developed methods rely on the use of graph representations, heuristics and spatial inference, and the results are assessed using surveying techniques and statistical analysis of uncertainties. An algorithm developed for water networks was able to correctly infer a building connection that was absent from source datasets. The thesis concludes that several of the key use cases for integrated topological representation of utility networks are partially satisfied through the methods presented, but that some differences in data standardisation and best practice in the GIS and BIM domains prevent full automation. The common and unique identification of real-world objects, agreement on a shared concept vocabulary for the built environment, more accurate positioning of distribution assets, consistent use of (and improved best practice for) georeferencing of BIM models and a standardised numerical expression of data uncertainties are identified as points of development.Engineering and Physical Sciences Research Council Ordnance Surve

Atti del XXXV Convegno Nazionale di Idraulica e Costruzioni Idrauliche

La XXXV edizione del Convegno Nazionale di Idraulica e Costruzioni Idrauliche (IDRA16), co-organizzata dal Gruppo Italiano di Idraulica (GII) e dal Dipartimento di Ingegneria Civile, Chimica, Ambientale, e dei Materiali (DICAM) dell’Alma Mater Studiorum - Università di Bologna, si è svolta a Bologna dal 14 al 16 settembre 2016. Il Convegno Nazionale è tornato pertanto ad affacciarsi all’ombra del “Nettuno”, dopo l’edizione del 1982 (XVIII edizione). Il titolo della XXXV edizione, “Ambiente, Risorse, Energia: le sfide dell’Ingegneria delle acque in un mondo che cambia”, sottolinea l’importanza e la complessità delle tematiche che rivestono la sfera dello studio e del governo delle risorse idriche. Le sempre più profonde interconnessioni tra risorse idriche, sviluppo economico e benessere sociale, infatti, spronano sia l’Accademia che l’intera comunità tecnico-scientifica nazionale ed internazionale all’identificazione ed alla messa in atto di strategie di gestione innovative ed ottimali: sfide percepite quanto mai necessarie in un contesto ambientale in continua evoluzione, come quello in cui viviamo. La XXXV edizione del Convegno di Idraulica e Costruzioni Idrauliche, pertanto, si è posta come punto d’incontro della comunità tecnico-scientifica italiana per la discussione a tutto tondo di tali problematiche, offrendo un programma scientifico particolarmente ricco e articolato, che ha coperto tutti gli ambiti riconducibili all’Ingegneria delle Acque. L’apertura dei lavori del Convegno si è svolta nella storica cornice della Chiesa di Santa Cristina, uno dei luoghi più caratteristici e belli della città ed oggi luogo privilegiato per l’ascolto della musica classica, mentre le attività di presentazione e discussione scientifica si sono svolte principalmente presso la sede della Scuola di Ingegneria e Architettura dell’Università di Bologna sita in Via Terracini. Il presente volume digitale ad accesso libero (licenza Creative Commons 4.0) raccoglie le memorie brevi pervenute al Comitato Scientifico di IDRA16 ed accettate per la presentazione al convegno a valle di un processo di revisione tra pari. Il volume articola dette memorie in sette macro-tematiche, che costituiscono i capitoli del volume stesso: I. meccanica dei fluidi; II. ambiente marittimo e costiero; III. criteri, metodi e modelli per l’analisi dei processi idrologici e la gestione delle acque; IV. gestione e tutela dei corpi idrici e degli ecosistemi; V. valutazione e mitigazione del rischio idrologico e idraulico; VI. dinamiche acqua-società: sviluppo sostenibile e gestione del territorio; VII. monitoraggio, open-data e software libero. Ciascuna macro-tematica raggruppa più sessioni specialistiche autonome sviluppatesi in parallelo durante le giornate del Convegno, i cui titoli vengono richiamati all’interno del presente volume. La vastità e la diversità delle tematiche affrontate, che ben rappresentano la complessità delle numerose sfide dell’Ingegneria delle Acque, appaiono evidenti dalla consultazione dell’insieme di memorie brevi presentate. La convinta partecipazione della Comunità Scientifica Italiana è dimostrata dalle oltre 350 memorie brevi, distribuite in maniera pressoché uniforme tra le sette macro-tematiche di riferimento. Dette memorie sono sommari estesi di lunghezza variabile redatti in lingua italiana, o inglese. In particolare, la possibilità di stesura in inglese è stata concessa con l’auspicio di portare la visibilità del lavoro presentato ad un livello sovranazionale, grazie alla pubblicazione open access del volume degli Atti del Convegno. Il volume si divide in tre parti: la parte iniziale è dedicata alla presentazione del volume ed all’indice generale dei contributi divisi per macro-tematiche; la parte centrale raccoglie le memorie brevi; la terza parte riporta l’indice analitico degli Autori, che chiude il volume

Atti del XXXV Convegno Nazionale di Idraulica e Costruzioni Idrauliche

La XXXV edizione del Convegno Nazionale di Idraulica e Costruzioni Idrauliche (IDRA16), co-organizzata dal Gruppo Italiano di Idraulica (GII) e dal Dipartimento di Ingegneria Civile, Chimica, Ambientale, e dei Materiali (DICAM) dell’Alma Mater Studiorum - Università di Bologna, si è svolta a Bologna dal 14 al 16 settembre 2016. Il Convegno Nazionale è tornato pertanto ad affacciarsi all’ombra del “Nettuno”, dopo l’edizione del 1982 (XVIII edizione). Il titolo della XXXV edizione, “Ambiente, Risorse, Energia: le sfide dell’Ingegneria delle acque in un mondo che cambia”, sottolinea l’importanza e la complessità delle tematiche che rivestono la sfera dello studio e del governo delle risorse idriche. Le sempre più profonde interconnessioni tra risorse idriche, sviluppo economico e benessere sociale, infatti, spronano sia l’Accademia che l’intera comunità tecnico-scientifica nazionale ed internazionale all’identificazione ed alla messa in atto di strategie di gestione innovative ed ottimali: sfide percepite quanto mai necessarie in un contesto ambientale in continua evoluzione, come quello in cui viviamo. La XXXV edizione del Convegno di Idraulica e Costruzioni Idrauliche, pertanto, si è posta come punto d’incontro della comunità tecnico-scientifica italiana per la discussione a tutto tondo di tali problematiche, offrendo un programma scientifico particolarmente ricco e articolato, che ha coperto tutti gli ambiti riconducibili all’Ingegneria delle Acque. L’apertura dei lavori del Convegno si è svolta nella storica cornice della Chiesa di Santa Cristina, uno dei luoghi più caratteristici e belli della città ed oggi luogo privilegiato per l’ascolto della musica classica, mentre le attività di presentazione e discussione scientifica si sono svolte principalmente presso la sede della Scuola di Ingegneria e Architettura dell’Università di Bologna sita in Via Terracini. Il presente volume digitale ad accesso libero (licenza Creative Commons 4.0) raccoglie le memorie brevi pervenute al Comitato Scientifico di IDRA16 ed accettate per la presentazione al convegno a valle di un processo di revisione tra pari. Il volume articola dette memorie in sette macro-tematiche, che costituiscono i capitoli del volume stesso: I. meccanica dei fluidi; II. ambiente marittimo e costiero; III. criteri, metodi e modelli per l’analisi dei processi idrologici e la gestione delle acque; IV. gestione e tutela dei corpi idrici e degli ecosistemi; V. valutazione e mitigazione del rischio idrologico e idraulico; VI. dinamiche acqua-società: sviluppo sostenibile e gestione del territorio; VII. monitoraggio, open-data e software libero. Ciascuna macro-tematica raggruppa più sessioni specialistiche autonome sviluppatesi in parallelo durante le giornate del Convegno, i cui titoli vengono richiamati all’interno del presente volume. La vastità e la diversità delle tematiche affrontate, che ben rappresentano la complessità delle numerose sfide dell’Ingegneria delle Acque, appaiono evidenti dalla consultazione dell’insieme di memorie brevi presentate. La convinta partecipazione della Comunità Scientifica Italiana è dimostrata dalle oltre 350 memorie brevi, distribuite in maniera pressoché uniforme tra le sette macro-tematiche di riferimento. Dette memorie sono sommari estesi di lunghezza variabile redatti in lingua italiana, o inglese. In particolare, la possibilità di stesura in inglese è stata concessa con l’auspicio di portare la visibilità del lavoro presentato ad un livello sovranazionale, grazie alla pubblicazione open access del volume degli Atti del Convegno. Il volume si divide in tre parti: la parte iniziale è dedicata alla presentazione del volume ed all’indice generale dei contributi divisi per macro-tematiche; la parte centrale raccoglie le memorie brevi; la terza parte riporta l’indice analitico degli Autori, che chiude il volume