Un modèle hydraulique de réseau d'eau potable en temps réel

L'informatique, une réponse aux besoins des exploitants

Dans leur démarche pour une eau potable de qualité distribuée à moindre coût, les exploitants bénéficient de l’évolution de l’informatique, pour trouver réponse aux contraintes de gestion, planification, conception, exploitation et maintenance.

Aujourd’hui, dans toute structure moderne d’exploitation d'un réseau d’eau potable, un besoin s'exprime pour une approche systématique des problèmes, une maîtrise des systèmes complexes, et une utilisation d’outils adaptés aux contraintes de la distribution de l'eau. Nombre d'outils informatiques traitent efficacement ces opérations :

• la cartographie informatisée est un précieux guide dans la gestion des immobilisations et de la maintenance du réseau ;
• la modélisation du réseau, hydraulique et qualité, offre une vision globale du réseau, et apporte des solutions à la fourniture d'un service sans défaut de l’usine de traitement au robinet de l’abonné ;
• la gestion technique centralisée assure le suivi permanent des installations.

Le contexte actuel d’une raréfaction de la ressource et d'une énergie chère a conduit nombre d’exploitations à mettre en place des systèmes de télégestion. Dans cette même logique de maîtrise des équipements, les services techniques se dotent d'outils de modélisation hydraulique.

Ainsi, c'est la totalité de leurs réseaux qui, en pressions, débits, qualité de l'eau, autant de paramètres importants, sont renseignés instantanément.

Mais trop souvent abordée de manière écla-

(*) SAFEGE Ingénieurs Conseils

(**) APSIDE Technologies

Stratégie du réseau

En tête, la mise en place d’outils informatiques souffre d’une absence d’homogénéité des équipements et d’interfaces de communications.

Si lier le système de télégestion à un outil d’archivage est chose courante, étendre ce lien à la modélisation du réseau l’est beaucoup moins. Rapprocher supervision et modélisation au sein d’un même poste central relevait d’une utopie pour nombre d’exploitants voici encore quelques mois. Tel est pourtant le propos de cet outil.

Initié par United Water Corporation, second distributeur d’eau privé des États-Unis, ce projet a séduit par son caractère innovant. Très vite, SAFEGE a su se faire écho auprès d’autres exploitants et exprimer la richesse d’un tel outil. Sensibilisés par cette approche, la Lyonnaise des Eaux et la Société des Eaux de Marseille se sont jointes au projet, en créant un partenariat technique et financier.

• * En préambule au développement du logiciel, une étude économique et technique s’appuyant sur la consultation de près de 110 exploitants dans différents pays d’Europe et d’Amérique du Nord a permis de synthétiser les différentes fonctionnalités attendues du produit. Si quelques divergences sont apparues entre les différents pays et cultures, dans l’ensemble, ont émergé :
• * en premier lieu, l’importance d’une parfaite “sociabilité” du logiciel et la nécessité de sa complète intégration dans le cadre habituel de l’opérateur, à savoir son outil de supervision ;
• * en second lieu, la nécessité que le logiciel se présente comme l’analyse en temps réel du comportement du réseau et la validation des stratégies de commande du réseau en regard de la pression et de la qualité de l’eau. Il doit être à la fois un outil d’évaluation mais aussi de formation destiné à l’opérateur.

Aussi, quatre axes ont été envisagés pour le développement du logiciel :

• * le super capteur totalement automatique, pour fournir à l’opérateur une vision instantanée du réseau tant en pression-débit qu’en qualité ;
• * l’outil d’apprentissage de la conduite du réseau, capable d’effectuer des simulations à partir des données temps réel pour valider la stratégie de pompage et les différentes manœuvres de vannes ;
• * le super-automate de conduite globale de l’exploitation, pour prévoir le comportement du réseau à partir de simulations en mode dynamique à courte échéance ;
• * l’aide à la gestion des situations de crise, capable de détecter les dysfonctionnements hydrauliques et avertir l’exploitant lors des dérives des trajectoires idéales des niveaux réservoirs ou des pressions.

Objectif ambitieux, mais projet réaliste, puisque chaque phase du développement faisait appel à des fonctionnalités éprouvées. À ce jour, les deux premiers axes sont réalisés. Le logiciel est en cours de validation sur le réseau de l’Agglomération de BOISE (capitale de l’IDAHO – U.S.A.), et devrait l’être à très court terme sur la ville de MARSEILLE.

Processeur de gestion des données de simulations

Ce processeur se charge de l’acquisition depuis le superviseur des informations nécessaires à la simulation et du filtrage de celles-ci. Il évalue enfin les besoins en eau à l’instant courant. Globalement, le logiciel utilise pour sa modélisation un ensemble de données subdivisé en données structurelles (propres à la structure du réseau, de ses équipements et à la répartition des abonnés) et en données conjoncturelles (propres à l’instant courant). Le jeu de données structurelles constitue la base sur laquelle se greffe celui des données conjoncturelles qui en fait configure le modèle pour être en adéquation avec l’état actuel, c’est-à-dire celui fourni par la télégestion du réseau.

Les données structurelles

Les données structurelles sont subdivisées en arcs (caractéristiques des tuyaux, clapets, vannes, régulateurs de pression et pompes), en nœuds (pouvant être un point représentatif où les consommations sont agrégées, une jonction de deux arcs, une source d’alimentation ou un réservoir) et en caractéristiques de réservoirs. Pour des raisons de rapidité d’exécution et de pérennité du modèle, mais aussi de potentiel humain, les données structurelles ne sont pas directement modifiables en ligne et ne peuvent l’être que par un intervenant chargé de la modélisation.

Les données conjoncturelles : données réelles, données virtuelles

Les données conjoncturelles concernent les états de commande et de fonctionnement de tous les appareils. Elles sont issues du système de télégestion. Toutefois, le dispatcheur a la possibilité de modifier ces données relatives à l’état du réseau afin de simuler la commande qu’il souhaite appliquer. Pour éviter tout conflit, nous avons développé deux modes de simulation : automatique pour les données réelles, et manuel pour les données réelles modifiées par l’opérateur (dites “virtuelles”), d’où deux moteurs parallèles de calcul.

Spécificités des demandes en eau

À partir des informations sur l’état hydraulique du réseau (niveaux de réservoirs, nombre de groupes de pompes en marche, état des régulateurs), il est nécessaire d’estimer les besoins en eau par type de consommateurs ou zone de consommation.

Cette tâche est indispensable pour pouvoir réaliser une simulation temps réel. Cependant, elle est loin d’être facile, car les consommateurs ne sont pratiquement jamais comptés en temps réel, exceptés les plus importants (gros industriels, ventes en gros, etc.).

Pour résoudre ce problème, nous avons ajusté les besoins par zone. Cette méthode repose sur la mesure de débit dans les conduites principales desservant une zone et les marnages des réservoirs qui lui sont associés. Si l’on considère, par exemple, une zone alimentée par trois conduites principales comportant deux réservoirs, il est possible d’estimer la consommation totale sous la forme :

Qconduite1 + Qconduite2 + Qconduite3 = Variation du stockage réservoir + Besoins

Pour ajuster la consommation dans le modèle, nous avons fait l’hypothèse que la distribution des consommations restait inchangée et que le facteur d’ajustement était égal à la demande estimée divisée par la demande nominale.

La logique floue, un outil de filtrage des données d’entrée

Le logiciel doit devenir l’Outil d’Assistance à la Gestion des installations. Aussi doit-on s’assurer qu’aucune erreur ne puisse être commise dans l’acquisition de la donnée sans qu’un diagnostic automatique ne le signale ou propose une solution par défaut. Des informations aberrantes peuvent, avec un algorithme correct, conduire à des calculs infaisables ou erronés : “GIGO = garbage in, garbage out” !

Ces contraintes ont été traitées par un module paramétrable pour chaque information et chaque site. Écrit en un langage de programmation largement diffusé et convivial (Visual Basic), le logiciel intègre un fonctionnement à base de logique floue.

Peu connue en Europe, mais largement usitée dans certains pays comme le Japon, la logique floue pourrait se décrire comme l’algorithme du “à peu près” ou la difficile mise en équation du “p’t’être bien oui, p’t’être bien que non”, en fait la logique humaine transcrite dans un ordinateur. Ces contraintes de sûreté traitent tout risque de conflit ou d’absence de donnée par l’édition des règles de priorité et des informations de repli. Par cette logique, la vraisemblance d’une mesure de pression peut être associée à la marche de pompe, conjuguée à une mesure sur un autre point représentatif, ou encore à un niveau réservoir. Chaque information apporte ainsi son poids à la représentativité de la mesure à vérifier.

Le moteur de calcul

Les capacités du noyau de Piccolo restent inchangées. Outre les modules hydrauliques, les modules qualité peuvent tout à fait être implémentés. Comme la version bureaux d’études, l’opérateur peut sélectionner son contexte de consultation des données, soit sous forme schématique du réseau pour les débits, pressions, chlore.

Temps de réponse et simulations multitâches

Concevoir cet outil dans un contexte temps réel imposait a priori des temps de traitements compatibles avec un contexte d’exploitation. Le moteur de calcul de Piccolo, développé depuis 1986, permet des temps de calcul extrêmement rapides (il résout par exemple, en moins de 15 secondes sur un Pentium 120 MHz, une simulation d’un réseau de 20 000 arcs).

Cette rapidité, il la doit essentiellement à sa méthode itérative globale de résolution, l’algorithme “hybride” de Hamam et Brameller. Contrairement à d’autres méthodes classiques de résolution comme Hardy-Cross, dont le temps de calcul croit de manière exponentielle avec le nombre d’arcs, Piccolo ne voit évoluer ses besoins que de manière linéaire et permet d’envisager des simulations temps réel sur des modèles très détaillés.

Fort de ce constat, le logiciel a été conçu dans un environnement Windows NT. Cette rapidité du logiciel, alliée aux possibilités du multitâches, nous a fait intégrer au sein du logiciel deux noyaux pour l’étape actuelle, puis quatre pour les deux axes de développement à venir.

Windows NT a été choisi car il constitue un système d’exploitation robuste reconnu dans le monde industriel. Il offre à la fois la richesse d’un système multitâches préemptif 32 bits et l’ergonomie de Windows. De plus, nombre de logiciels de supervision sont disponibles dans cet environnement. L’interface de communication avec l’outil de supervision s’est effectuée au travers d’un lien DDE dans le cas de Boise (avec l’outil Fix-Intellution) et pourra évoluer vers OLE-Automation. Ces choix sont des liens standards dans l’environnement Windows et, de fait, offrent une ouverture vers d’autres outils de supervision.

Ergonomie

Outre la fenêtre de consultation des informations hydrauliques, Piccolo Real Time présente, dans une fenêtre d’activités, tous les événements ayant été pris en compte dans le moteur de calcul. S’inscrivent les informations dont les données ont été filtrées, mais aussi toute autre forme d’incident.

Processeur d’évaluation des résultats de simulation

Le processeur d’évaluation des résultats de simulation est en charge de la présentation des résultats. Outre cette fonction de restitution des résultats vers le superviseur, il génère des alarmes à partir des résultats de Piccolo. Peuvent être détectés par exemple un ensemble de nœuds où la pression s’avère inférieure à un seuil spécifique à cet étage de pression, ou encore des vitesses trop faibles dans une canalisation, une divergence trop importante entre un résultat et une mesure fournie par un capteur. Ces alarmes sont elles aussi transférées au superviseur et, de fait, sont éditées sur l’imprimante fil de l’eau du poste central ; elles génèrent éventuellement un appel à l’astreinte.

Mise en place à Boise et Marseille

Bien que les besoins ayant abouti au choix de Piccolo R.T. diffèrent d’un site à l’autre, les objectifs s’avèrent converger très rapidement. Comme l’exprimaient en mai 1996 nos partenaires de la Société des Eaux de Marseille, l’objectif attendu de Piccolo Real Time est de “Mettre à la disposition des exploitants du réseau d’eau potable de Marseille un outil leur permettant de suivre, en continu et en tout point, l’eau distribuée tant d’un point de vue de la quantité que de la qualité…”.

En effet, avec près de 42 installations de stockage, 22 stations de surpression, 1 970 kilomètres de conduite et 3 stations de trai

Actuellement, l'alimentation en eau potable de la seconde ville française (800 000 habitants) ne peut s’envisager qu’avec une gestion efficace de cet important réseau interconnecté. Soucieuse d'offrir en permanence une eau de qualité, la Ville de Marseille s’est dotée d'outils puissants pour une complète maîtrise de ses installations, outils intégrant de fines régulations hydrauliques installées dans les automatismes de distribution.

La Ville de Marseille entend poursuivre cette démarche en élaborant une politique technique ambitieuse au niveau des réseaux. Elle souhaite accompagner la mise en place de postes de rechloration sur le réseau et ajuster les injections à partir d’informations issues tant des capteurs sur le réseau que des résultats de modélisation qualité issus de Piccolo Real Time.

Ancrée sur les contreforts des Rocheuses, Boise est beaucoup moins soumise aux contraintes de qualité. Alimentée par la Snake River, la capitale de l’Idaho et ses 300 000 habitants profitent d’une eau de qualité. La difficulté de gestion vient essentiellement des interactions entre installations (32 stations de pompage, 26 réservoirs) mais surtout des 61 forages et de leurs effets sur certains étages de pression. L'exploitant, United Water Idaho, précisait ainsi en septembre 1994 son plus vif intérêt pour un Piccolo Real Time (connecter une télégestion avec un logiciel de simulation permettra une meilleure compréhension des phénomènes hydrauliques. Les opérateurs pourront évaluer les conséquences de différentes commandes avant même d’agir sur les installations).

Les contraintes techniques

À chaque présentation du projet, de nombreux interlocuteurs s’interrogent sur les moyens à mettre en œuvre pour intégrer cet outil au sein de leur exploitation.

Un système de télégestion

En premier lieu, posséder un système de télégestion temps réel, c’est-à-dire reliant chaque installation à un poste central via des liens permanents comme des lignes spécialisées/privées ou un réseau radio. De manière simpliste, un poste central est informé en permanence et de manière quasi instantanée d'un changement d'état d'une installation (arrêt de pompe, niveau d'un réservoir, débit dans une conduite).

Connaître l'ossature de son réseau

Dans les deux sites installés, Boise et Marseille, les exploitants possèdent chacun un outil cartographique de leur réseau. Pour faciliter la mise en œuvre du modèle à Boise, nous avons lié l'outil de cartographie (Arc*Info en l’occurrence) avec Piccolo par un logiciel passerelle qui convertit chaque information cartographique en donnée structurelle Piccolo. Une fonction de simplification du réseau intégrée dans la passerelle a éliminé toutes conduites inférieures à un diamètre minimum, diamètre utilisé pour des conduites considérées comme non représentatives dans le réseau de Boise.

Caler le modèle

Nombre de paramètres comme la rugosité des conduites et les répartitions des consommations ont été initialisés par la passerelle. Une campagne de mesures sur le réseau a ensuite permis un calage fin du modèle détaillé. Cette campagne s’est effectuée avec des équipements dédiés à la mesure, c’est-à-dire présentant des tolérances très réduites. Ce détail a son importance, car la finesse du calage est déterminée par les caractéristiques des capteurs permanents utilisés pour la télégestion.

Reparamétrer le logiciel de supervision

La mise en œuvre de Piccolo R.T. ne bouleverse que très peu le paramétrage de l’outil de supervision. Outre les boutons de commandes spécifiques au logiciel Piccolo, boutons comme la création d'une fuite ou d'un zoom graphique, il est nécessaire de créer des tables de données réelles, virtuelles et résultats. Le paramétrage de l’interface graphique s’effectue ensuite par un adressage indexé sur chacune des tables.

Interfacer la supervision à Piccolo

L’interfaçage des informations nécessite la création et le paramétrage d’une table de références croisées indiquant le nom de la variable Superviseur et le nom Piccolo. Pour le projet de Boise, ce sont environ 500 informations qui sont ainsi transmises via le serveur DDE au logiciel Piccolo.

Dans le sens diffusion des résultats, environ 150 informations et 10 familles d’alarmes sont fournies au superviseur.

En outre, il est nécessaire de paramétrer le calcul des bilans pour l’établissement des consommations et l’analyse des résultats.

Intégrer le filtre des données

Comme décrit dans le paragraphe Filtrage des alarmes, ce paramétrage peut se limiter à la définition des tests nécessaires aux opérations de filtrage ou comprendre la programmation d’algorithme de traitement des données. Ce module est écrit en Visual Basic et communique avec l’application Piccolo R.T. par le protocole OLE-COM.

En attendant la version Dynamique

En 1994, l’AWWA (American Water Works Association) éditait une brochure très complète sur l'informatique appliquée aux métiers de l’eau. En préambule à cette très riche recherche, les auteurs imaginaient un conte où la magie de l’informatique libérait l’exploitant de tâches complexes et fastidieuses. Sous certains traits, Piccolo R.T. se dessinait. En conclusion à cet ouvrage, un

Rapide tour d’horizon de la recherche ciblait trois axes prioritaires de la modélisation :

• la simulation temps réel,
• l’optimisation et la fiabilité de fonctionnement,
• la détection de dysfonctionnement hydraulique.

Fruit de cette approche, divers projets ont permis de mesurer la complexité de mise en œuvre de tels outils.

Avec près de 220 licences utilisées sur tous les continents, nombre d’ingénieurs ont su faire confiance à Piccolo. Outil puissant de modélisation des réseaux de fluides (eau potable, eau surchauffée/froid), Piccolo est le chef de file d’un ensemble logiciel avec Pendulo pour les coups de bélier, Ganessa pour l’optimisation des coûts énergétiques, Fitnet pour l’allocation automatique de consommations.

Piccolo R.T. se veut une synthèse de ces divers projets et entend les intégrer progressivement en phasant son développement technique. De belles perspectives s’offrent encore aux utilisateurs de Piccolo pour leur permettre d’assurer la qualité du service. C’est l’outil :

• de mise à jour en continu d’un modèle de réseau d’eau maillé,
• de connaissance du réseau avec, à tout instant, le débit, la pression en tous points,
• d’apprentissage de la conduite du réseau, pour l’évaluation d’une manœuvre, d’un scénario de production à partir de la situation actuelle,
• d’analyse des dysfonctionnements, avec une réponse instantanée à une simulation de casse, de défense incendie, et la visualisation graphique des résultats.

C’est aussi le moyen d’anticiper des conditions de mauvais fonctionnement (vidange excessive d’un réservoir, vitesses ou pressions trop importantes ou trop faibles). Mais surtout c’est une porte ouverte vers une gestion temps réel et prospective de la qualité (chlore résiduel, temps de séjour).

Piccolo Real Time statique, c’est aujourd’hui, et Piccolo R.T. Dynamique est pour demain, courant du second semestre 1997 pour tout vous dire.