Metodologia innovativa per la pianificazione, la progettazione e la gestione delle reti di acquedotti

Nel progetto e nella gestione di un sistema acquedottistico, si presenta con frequenza la necessità di raggiungere obiettivi diversi, spesso conflittuali tra di loro.

Nel passato problemi "complessi" legati alla pianificazione, progettazione e gestione di reti acquedottistiche venivano affrontati utilizzando l'esperienza dei progettisti e dei gestori ovvero utilizzando tecniche di ottimizzazione a singolo obiettivo che considerano una sola funzione obiettivo f(x) per la quale ricercare il max o il min valore, variando l'insieme delle variabili decisionali "x", nel rispetto di assegnati vincoli.

La riformulazione di problemi multi-obiettivo come problemi a singolo obiettivo veniva effettuata aggregando insieme i diversi obiettivi attraverso combinazioni pesate "a priori", ovvero trasformando tutti gli obiettivi, tranne uno, in vincoli.

Conseguentemente, in qualche modo, era determinata una classificazione a priori degli obiettivi introducendo necessariamente nelle decisioni elementi soggettivi.

EnginSoft ha sviluppato un sistema di "Ottimizzazione multiobiettivo" per le reti di acquedotti basato sull'applicazione di tecnologie software all'avanguardia, desunte dal settore industriale. Il risultato è un sistema che può essere utilizzato come potente strumento progettuale e gestionale, consentendo di ottenere risultati estremamente interessanti che si concretizzano in un sensibile contenimento dei costi di investimento e di gestione e in un più efficiente ed efficace utilizzo della risorsa disponibile.

Le metodologie di ottimizzazione multi-obiettivo, sulle quali è basato il sistema, si differenziano da quelle dell'ottimizzazione a singolo obiettivo in quanto i diversi obiettivi vengono considerati contemporaneamente assegnando a ciascuno di essi ugual peso. La loro interazione dà origine a insiemi di soluzioni non dominate, dette anche soluzioni ottime di Pareto.
Prendere in considerazione obiettivi multipli nel progetto, nella pianificazione o nella gestione di un sistema fornisce al processo decisionale i seguenti vantaggi (Cohon, 1978):

• viene identificato un insieme più ampio di possibili soluzioni alternative;
• viene assegnato un ruolo più appropriato ai diversi soggetti del processo decisionale: l'analista che genera le possibili soluzioni alternative, il responsabile delle decisioni che utilizza queste soluzioni alternative per fare delle scelte motivate;
• risulta più realistica la modellazione del sistema.

Il sistema risulta costituito dall'ambiente integrato di progettazione e ottimizzazione multi-obiettivo modeFRONTIER e da una serie di moduli appositamente implementati per l'applicazione alle reti acquedottistiche.

Tra questi si evidenziano il modulo di simulazione della domanda idrica istantanea nei nodi della rete PRPdemand ed il modulo COKRI che, attraverso l'applicazione di tecniche geostatistiche è in grado di stimare, a partire da misure di carico in un numero ridotto di nodi della rete, i valori del carico nei nodi non monitorati, incrementando le informazioni fornite al codice di ottimizzazione.

Il codice per la modellazione idraulica della rete utilizzato dal sistema è EPANET2.

Il workflow di modeFRONTIER nella fase 1

Il workflow di modeFRONTIER nella fase 2

Il workflow di modeFRONTIER nella fase 3

L'ambiente integrato modeFRONTIER permette la contemporanea gestione di:

• molteplici obiettivi (anche contraddittori);
• vincoli progettuali.

Il sistema manifesta le sue migliori potenzialità applicato ad un settore come quello delle reti di distribuzione d'acqua contraddistinte in molti casi da impianti obsoleti e afflitte da problemi di scarsità di risorsa rispetto ai crescenti livelli della domanda, accentuati dalle, in genere, elevate perdite idriche.

Gli obiettivi da ottimizzare simultaneamente in un sistema acquedottistico sono molteplici ma generalmente riconducibili a:

• costi di investimento;
• costi di gestione e mantenimento;
• affidabilità del sistema;
• efficienza del servizio;
• qualità della risorsa idrica distribuita.

Le possibili applicazioni del sistema sono elencate di seguito.

PROGETTO/RIABILITAZIONE DELLE RETI
Attraverso il sistema proposto viene minimizzato il costo totale dell'intervento massimizzando contemporaneamente l'efficienza del sistema intesa come la probabilità che i carichi in tutti i nodi garantiscano le condizioni di servizio.

POSIZIONAMENTO E GESTIONE OTTIMALE DI ORGANI DI REGOLAZIONE STATICA O DINAMICA NELLE RETI
Attraverso il sistema proposto viene risolto il problema del posizionamento ottimale e della regolazione ottimale di organi di sezionamento (saracinesche) ovvero di valvole all'interno delle reti di distribuzione idrica urbana.
Lo scopo è quello di contenere, in tutte quelle situazioni caratterizzate da esuberanza dei carichi di servizio, l'entità delle perdite distribuite in rete. Obiettivi da raggiungere sono la minimizzazione del carico in rete e la minimizzazione del costo di investimento massimizzando contemporaneamente l'efficienza del sistema intesa come la probabilità che i carichi in tutti i nodi garantiscano le condizioni di servizio.

RIABILITAZIONE DELLE RETI
Attraverso il sistema proposto viene definito dove, come e quando intervenire. In particolare le variabili decisionali sono rappresentate dalle condotte da riabilitare e dalle tecniche da utilizzare (sostituzione, riparazione, relining, ecc.); i vincoli dai fondi disponibili.

Con riferimento ad un determinato orizzonte temporale la sequenza ottimale di azioni di riabilitazione è sviluppata quale tentativo di minimizzare il costo totale dell'intervento massimizzando l'affidabilità della rete nell'arco dell'intero orizzonte temporale considerato.

GESTIONE DEI SOLLEVAMENTI EVENTUALMENTE PRESENTI IN RETE
Attraverso il sistema proposto viene ottimizzato il ciclo di funzionamento delle pompe presenti in uno o più impianti di sollevamento presenti nella rete con l'obiettivo di minimizzare i costi di funzionamento e di mantenimento nel rispetto dei vincoli idraulici imposti dai livelli nei serbatoi e dalla domanda idrica nei nodi.

Ulteriori applicazioni potranno riguardare la gestione delle emergenze e delle criticità e il posizionamento ottimale di strumenti di monitoraggio dei carichi, delle portate circolanti e dei parametri di qualità della risorsa.

Per ulteriori informazioni:
Ing. Marco Perillo
info@enginsoft.it