Przyspieszony rozwój przemysłowy Europy oraz w szczególności naszego regionu prowadzi do narastania istniejących od dawna problemów środowiskowych. Jednym z takich problemów jest zapewnienie ciągłego, adekwatnego do wzrastającego zapotrzebowania, zaopatrzenia w wodę. Istotną rolę w rozwiązaniu problemu odgrywa optymalizacja zarządzania zasobami wodnymi. Celem takiego zarządzania jest kontrolowanie jakości i dostaw oraz zapobieganie stratom wody. Optymalizacja zużycia wody w zakładach przemysłowych i gospodarstwach domowych to kolejne wyzwanie współczesności. Ważnym narzędziem pozwalającym na realizację tych celów są systemy zarządzania zasobami wodnymi.

Element instalacji czujnika pozwalającego na monitorowanie przepływu, ciśnienia i temperatury wody w gospodarstwach domowych

System zarządzania zasobami wodnymi został opracowany w ramach projektu ISS-EWATUS (ang. Integrated Support System for Efficient Water Usage and Resources Management). Projekt finansowany w ramach 7. Programu Ramowego, działanie ICT-2013.6.3 – ICT for water resources management, był przygotowany i koordynowany przez pracowników Instytutu Informatyki na Wydziale Informatyki i Nauki o Materiałach UŚ. Czas realizacji projektu obejmował okres od 1 lutego 2014 do 31 stycznia 2017 roku.

Projekt ISS-EWATUS był realizowany przez międzynarodowe konsorcjum instytucji, w którego skład wchodziły: Instytut Informatyki, Wydział Informatyki i Nauki o Materiałach, Uniwersytet Śląski w Katowicach (koordynator projektu), Instytut Ekologii Terenów Uprzemysłowionych, Rejonowe Przedsiębiorstwo Wodociągów i Kanalizacji w Sosnowcu Spółka Akcyjna; z Wielkiej Brytanii: Loughborough University i Brunel University; z Hiszpanii: Universidad Pablo de Olavide; z Grecji: Centre for Research and Technology Hellas (CERTH), Wodociągi Miejskie w Skiathos DEYASK, DOTSOFT SA; z Holandii: VU University Amsterdam.

Dla pracowników Uniwersytetu Śląskiego praca w projekcie przebiegała dwukierunkowo. Jako koordynator Uniwersytet Śląski odpowiadał za organizację pracy konsorcjum i reprezentował je przed Komisją Europejską. Poza tym pracownicy Uniwersytetu Śląskiego uczestniczyli w pracach badawczych i implementacyjnych. Funkcję kierownika projektu pełniła dr Ewa Magiera. Zastępcą kierownika odpowiedzialnym za jakość badań naukowych był dr inż. Wojciech Froelich. Rozpowszechnieniem informacji o projekcie i jego rezultatach kierowała dr Małgorzata Gajos-Gržetić. Nad sprawami finansowymi całego konsorcjum czuwała mgr Ewelina Doluk z Działu Projektów UŚ.

Głównym celem projektu ISS-EWATUS było opracowanie zintegrowanego systemu zarządzania zasobami wodnymi w miejskich sieciach wodociągowych i gospodarstwach domowych. Pilotowe realizacje systemu przeprowadzono w Sosnowcu oraz w Grecji na wyspie Skiathos.

W ciągu pierwszych dwunastu miesięcy realizacji projektu zakończono instalacje sprzętu. Zamontowano czujniki pozwalające na monitorowanie przepływu, ciśnienia i temperatury wody w czterdziestu gospodarstwach domowych. Gromadzenie danych następowało i jest kontynuowane w sposób ciągły. Dane przesyłane przez internet gromadzone są w zcentralizowanej i zaprojektowanej dla potrzeb projektu bazie danych. Również w pierwszym roku trwania projektu zamontowano czujniki zbierające dane o przepływie i zawory sterujące ciśnieniem wody w miejskich sieciach wodociągowych.

W drugim roku trwania projektu zaimplementowano wszystkie podsystemy tworzące system ISS-EWATUS. Są one dedykowane dla gospodarstw domowych (system wspomagania decyzji dla domowych użytkowników wody, platforma społecznościowa promująca oszczędzanie wody) i miejskich przedsiębiorstw wodociągowych (system monitorowania zużycia, regulacji i optymalizacji dostaw wody, system wspomagający adaptacyjne ustalanie cen wody).

W ostatnim, trzecim roku trwania projektu przeprowadzono walidację i ocenę efektywności działania systemu. Przeprowadzono badania porównawcze wykazujące istotne zmniejszenie strat oraz zużycia w każdym z powyżej wymienionych aspektów.

Architektura systemu ISS-EWATUS

System wspomagania decyzji dla domowych użytkowników wody

Na potrzeby mobilnego systemu wspomagania decyzji wspierającego oszczędzanie zużycia wody w gospodarstwach domowych zaprojektowano następujące moduły systemu: 1) moduł informacyjny udostępniający użytkownikowi informacje o codziennym zużyciu wody dla poszczególnych miejsc instalacji czujników (toaleta, wanna, zlew kuchenny); 2) moduł generowania porad dotyczących oszczędności wody. Jako narzędzie pomocnicze opracowano algorytm predykcji dziennego zapotrzebowania na wodę; moduł dziennika wodnego (ang. water diary) pozwalającego konsumentom na wprowadzenie dodatkowych informacji dotyczących zużycia wody (czas, przeznaczenie).

Platforma społecznościowa

Ważną częścią projektu ISS-EWATUS jest platforma społecznościowa skupiająca osoby zainteresowane tematem oszczędzania wody. Platforma dostępna jest pod adresem internetowym: www.watersocial.org.

Platforma społecznościowa promuje racjonalne zużycie wody. W celu zachęcenia i zwiększenia zaangażowania uczestników powstałej społeczności wykorzystano mechanizmy grywalizacji (ang. gamification), czyli elementów i mechanizmów gier komputerowych. Dzięki aktywnemu uczestnictwu użytkowników platformy polegającemu na zdobywaniu punktów i sprawności uzyskano ich większe zaangażowanie i entuzjazm w stosunku do tematów związanych z efektywnym korzystaniem z zasobów wody.

System monitorowania zużycia, regulacji i optymalizacji dostaw wody

Podstawowym celem miejskiego systemu wspomagania zarządzania było zmniejszenie strat wody w miejskiej sieci wodociągowej. W pierwszej kolejności zaprojektowano i zainstalowano system zbierania danych o parametrach przepływu i ciśnienia wody w sieci wodociągowej. Dane zostały zebrane w scentralizowanej bazie danych. W celu ich wizualizacji zaimplementowano interakcyjny system informacji oparty na mapie rozważanego terenu. Aplikacja ta ma charakter otwarty, działa w środowisku sieci internet, pozwalając użytkownikowi na wizualizację i analizę danych w dowolnie wybranym obszarze.

Opracowane oprogramowanie umożliwia identyfikację nagłych wycieków wody wynikłych wskutek awarii. Realizowane jest to za pomocą analizy danych napływających w czasie rzeczywistym. W szczególnych przypadkach system pozwala na zgłaszanie wycieków przez mieszkańców. W obydwu przypadkach na mapie miasta zaznaczane są miejsca zaistniałych awarii.

Poza takimi awariami sieci, jak pęknięcia rur, usterki zaworów lub pomp, istotny wpływ na utratę wody mają wycieki ukryte (ang. background leakages). Tego typu wycieki wynikają z niskiej jakości rur, ich przerdzewienia lub są efektem zużywających się elementów sieci wodociągowej. Wycieki ukryte nie podlegają zwykle naprawom. Najprostszym sposobem zlikwidowania tego typu wycieków jest wymiana całości orurowania określonego fragmentu sieci wodociągowej. Tego typu działanie jest jednak bardzo kosztowne i długotrwałe, poza tym nigdy nie prowadzi do całkowitego uszczelnienia sieci.

Cechą charakterystyczną wycieków ukrytych jest ich zależność od ciśnienia wody. W przypadku gdy jest ono duże, poprzez nieszczelności sieci wypływa znaczna część pompowanej wody. Poprzez zmniejszenie ciśnienia w chwilach mniejszego zapotrzebowania na wodę, np. w nocy, możliwe jest zmniejszenie wycieków ukrytych. W ramach miejskiego systemu wspomagania decyzji projektu ISS-EWATUS zrealizowano adaptacyjny system kontroli ciśnienia wody. Opracowano system ciągłego monitorowania zapotrzebowania na wodę i dostosowanie ciśnienia w sieci do zapotrzebowania. W ten sposób uzyskano redukcję wycieków ukrytych.

Istotnym elementem systemu kontroli ciśnienia wody są opracowane w ramach projektu algorytmy przewidywania zapotrzebowania na wodę. Poza krótkoterminowymi zmianami zapotrzebowania wynikającymi ze zmiennej aktywności zakładów przemysłowych oraz zmieniającego się zapotrzebowania gospodarstw domowych uwzględniono czynniki długoterminowe, takie jak opady, temperatura powietrza lub zwiększony ruch turystyczny w okresie letnim. Prace w tym zakresie prowadzone były na Uniwersytecie Śląskim oraz przez partnerów w Grecji i Hiszpanii. Istotnym elementem systemu kontroli ciśnienia wodą są modele hydrauliczne opracowane w Instytucie Ekologii Terenów Przemysłowych w Katowicach.

Dodatkowo miejski system zarządzania wodą pozwala na optymalizację dostaw wody z różnych źródeł, uwzględniając różne czynniki, np. aktualny stan zanieczyszczenia. W celu realizacji tej funkcji opracowano wielokryterialny system optymalizacji oparty na algorytmie ewolucyjnym. Prace nad tym problemem prowadzono na Uniwersytecie Pablo de la Olavide w Sevilli. Większość prac implementacyjnych wykonywał grecki partner CERTH.

System wspomagający adaptacyjne ustalanie cen wody

Adaptacyjny model cenowy uwzględnia strukturę cen w gospodarce wodnej, przewiduje zużycie wody i generowanych przychodów dla różnych systemów opłat.

Opracowano aplikację uławiającą wyliczenie adaptacyjnych cen wody w zależności od jej zużycia. Narzędzie jest w stanie ocenić możliwy spadek zużycia wody wskutek zmiany taryf wodnych. Ocenia także przystępność przewidywanych taryf oraz skutki finansowe proponowanych zmian dla dostawców wody. Narzędzie jest przeznaczone dla podmiotów podejmujących decyzje wprowadzania opłat za zużycie wody.

Wdrożenie i prezentacja rezultatów projektu

Rezultaty projektu ISS-EWATUS wdrożono pilotażowo w dwóch różnych miejscach – w Sosnowcu w Polsce i na wyspie Skiathos w Grecji.

Rezultaty projektu zostały zaprezentowane w trakcie dwóch spotkań 1 i 2 września 2016 roku na Skiathos w Grecji oraz 30 i 31 stycznia 2017 roku w rektoracie Uniwersytetu Śląskiego w Katowicach. W obu spotkaniach oprócz konsorcjum, zaproszonych przedstawicieli sieci wodociągowych, wzięli również udział uczeni z różnych zagranicznych ośrodków naukowo-badawczych.

Osiągnięcia naukowe projektu ISS-EWATUS zostały opublikowane w czasopismach naukowych oraz były prezentowane podczas licznych międzynarodowych i krajowych konferencji. Opublikowano 33 artykuły, uczestnicy konsorcjum uczestniczyli w 43 konferencjach (kongresy, fora, sympozja, festiwale nauki) i przedstawili 66 prezentacji.

Warto zaznaczyć, iż realizacja projektu ISS-EWATUS zaowocowała szeroką współpracą międzynarodową, nie tylko w ramach konsorcjum. ISS-EWATUS jest członkiem konsorcjum ICT4water (www.ict4water.eu), skupiającym kilkanaście międzynarodowych projektów o podobnej tematyce. Przedstawiciele koordynatora projektu, czyli Instytutu Informatyki, uczestniczyli aktywnie w wielu spotkaniach, np. w ICT Proposer Days w Lizbonie (stoisko ICT4water w trakcie ICT Proposer Days, Lizbona, 2015).