Projet ANR-11-SECU-0006 – SMaRT-OnlineWDN : Boîte à outils pour la gestion en temps réel de la sécurité et pour la fiabilité des réseaux de distribution d’eau
Programme : CONCEPTS SYSTEMES ET OUTILS POUR LA SECURITE GLOBALE (CSOSG)
Année de financement : 2011
Coordinateur du projet : Monsieur Olivier PILLER (Institut national de recherche en sciences et technologies pour l'environnement et l'agriculture)
Partenaires : Gestion Territoriale de l'Eau et de l'Environnement; Institut national de recherche en sciences et technologies pour l'environnement et l'agriculture; Eurometropole de Strasbourg; VEOLIA EAU D'ILE DE FRANCE SNC; VEOLIA RECHERCHE ET INNOVATION
Montant : 952999.0 euros
Date de début : 2011
Durée : 36 mois
Résumé : Modélisation en temps réel et réseau de capteurs pour l'identification de source de contamination et la gestion des risques des réseaux de distribution d’eau.Mots-clefs :1. Réseaux2. Sécurité3.Temps réel4. Réseau de capteurs5. Modèle6. Analyse des risques
SMaRT-OnlineWDN un projet de recherche industrielle pour gérer la sécurité en temps réel des réseaux de distribution d'eau potable.Les réseaux de distribution d'eau potable sont des infrastructures à risques exposées aux contaminations délibérées ou accidentelles. Jusqu'à présent, aucun système de surveillance n’est capable de protéger un réseau avec une rapidité suffisante. Dans un avenir proche, les services d’eau potable vont installer sur leurs réseaux des capteurs de la qualité de l'eau produisant un flux continu et considérable de données à traiter. L'objectif principal du projet de consortium SMaRT-OnlineWDN est le développement d'une boîte à outils de gestion de la sécurité en temps réel pour les réseaux de distribution d'eau qui soit fondée sur des mesures tant de la qualité de l'eau que de la quantité. Pour prendre les décisions appropriées et des contre-mesures, les opérateurs auront besoin de disposer de modèles fiables en ligne pour prédire à la fois l'hydraulique et la qualité de l'eau, et de méthodes d'identification des sources de contamination se fondant sur l'historique des données. L’acquisition de cet énorme flux de données et son traitement sont de réels challenges.
Surveillance de paramètres physico-chimiques et modélisation temps réel des écoulements pour identifier les sources de contamination dans le réseau de distribution.Les quatre objectifs de travail suivants ont été définis : 1) Obtenir un modèle de simulation en temps réel de l’état hydraulique et de la qualité de l'eau ; 2) Déterminer un choix optimal de l’emplacement des capteurs pour un système d’alerte précoce et pour caler le modèle de simulation ; 3) Identifier en temps réel des sources de contamination ; 4) Analyser les risques, identifier et évaluer les impacts (réels et ressentis). Huit tâches ont été nécessaires pour réaliser la boîte à outils. Tâche 1 : Spécification pour la boîte à outils de gestion de la sécurité ;Tâche 2 : Capteurs intelligents et génération d’alarmes dans des réseaux de distribution d’eau potable ;Tâche 3 : Emplacement optimal de capteurs pour l’hydraulique et la qualité de l’eau ; Tâche 4 : Modèle de transport d‘un contaminant dans un réseau d’eau. Des simulations CFD sont confrontées à des tests au laboratoire pour étudier le phénomène de dispersion hydrodynamique, et la loi de mélange au niveau des embranchements en té et des croix. Un code unidimensionnel qui est abordable pour un calcul sur des réseaux de grande échelle est déduit des résultats CFD.Tâche 5 : Implémentation d’un modèle de simulation  en ligne ce qui inclut la mise à jour des conditions aux limites et des états des équipements ou paramétrisation, l’agrégation automatique du réseau pour simplifier les calculs et le calage temps réel de la demande avec un focus sur la sécurité du réseau de distribution d’eau ;Tâche 6 : Identification des sources de contamination, contre-mesures et gestion des risques ;Tâche 7 : Analyse des risques, évaluation des impacts et perception ;Tâche 8 : Tests d’application à l’échelle technique et en situation réelle.
Résumé de la soumission : Les réseaux de distribution d'eau potable sont des infrastructures à risques, exposées à la contamination délibérée ou accidentelle. Jusqu'à présent, aucun système de surveillance n’est capable de protéger un réseau avec une rapidité suffisante. De puissants systèmes de capteurs en temps réel sont actuellement développés et les prototypes sont capables de détecter de petites variations dans la qualité de l'eau. Dans un avenir proche, les services publics d'eau vont installer sur leurs réseaux des capteurs de la qualité de l'eau produisant un flux continu et considérable de données à traiter. Pour prendre les décisions appropriées et des contre-mesures, les opérateurs auront besoin de disposer : 1) de modèles fiables en ligne pour prédire à la fois l'hydraulique et la qualité de l'eau ; 2) de méthodes d'identification des sources de contamination se fondant sur l'historique des données. L’acquisition de cet énorme flux de données et son traitement sont de réels challenges.L'objectif principal du projet SMaRT-OnlineWDN est le développement d'une boîte à outils de gestion de la sécurité en temps réel pour les réseaux de distribution d'eau qui soit fondée sur des mesures tant de la qualité de l'eau que de la quantité. Son champ d'application va de la détection d'une contamination intentionnelle, y compris l'identification des sources et l’aide à la décision des contre-mesures efficaces, à l’amélioration du fonctionnement et du contrôle en conditions tant normales qu’anormales (double avantage). Les informations détaillées concernant les sources de contamination (localisation et intensité) sont déduites d’un modèle en temps réel, qui est automatiquement calé à l’aide des mesures. Dans ce projet, les travaux techniques sont complétés par une analyse sociologique, économique et de gestion. L’utilisation des sciences sociales et économiques combinées avec les mathématiques appliquées, le génie civil et de l'environnement et la mécanique des fluides forme une approche pluridisciplinaire. Pour ces travaux, quatre objectifs principaux de recherche sont définis : 1) un modèle de simulation en temps réel de l’état hydraulique et de la qualité de l'eau, 2) un choix optimal de l’emplacement des capteurs se servant du modèle de simulation, 3) l’identification en temps réel des sources de contamination 4) l'analyse des risques, l'identification et l'évaluation des impacts (réels et ressentis).Cette collaboration de recherche franco-allemande associe des utilisateurs finaux (opérateurs : BWB-Berlin en Allemagne, de la CUS-Strasbourg, Veolia-Vedif en Ile de France), des instituts de recherche technique et socio-économiques (Fraunhofer IOSB, TZW, Irstea, ENGEES) et des partenaires industriels du côté Français comme Allemand (Veolia-Veri, 3S Consult). SMaRT-OnlineWDN est un bon exemple de recherche théorique au service des besoins pratiques des services publics d’eau potable. Parmi les principaux résultats attendus, les outils logiciels des partenaires Irstea et 3S Consults de simulation seront complétés pour une utilisation en temps réel. Les trois opérateurs bénéficieront des résultats et des technologies de traitement des données.
Résultats : Les faits marquants et principales avancées sont les suivants :
- Placement optimal de capteurs multisondes pour un système d’alerte précoce
o	 200 capteurs multisondes placés sur le réseau du SEDIF,
o	Les nœuds “carrefour” du modèle de simulation, obtenus par simplification du graphe du réseau, sont des candidats idéaux pour le placement de capteurs.
- Génération d’alarme
o	 Un module logiciel a été élaboré qui est basé sur des index calculés par ACP. La classification en événement de contamination repose sur l’analyse de plusieurs indicateurs physico-chimiques pour chaque sonde.
- Modélisation en temps réel (avec mise à jour toutes les 10 minutes) rendue possible
o	 Simulation de réseau AEP de grande taille grâce à la simplification du graphe du réseau,
o	Calage temps réel de la demande.
- Identification de sources de contamination par énumération des emplacements potentiels
o	La méthode utilise les informations binaires des capteurs pour remonter jusqu’au sources potentielles de contaminations. 
- Modélisation du Transport
o	Il a été montré que le mélange imparfait se produisait pour certaines configurations,
o	  Un réseau pilote miniature a été monté à TZW avec les statistiques des embranchements en croix et des intersections en N et en T sur des réseaux réels,
o	 Des résultats de simulation CFD ont été validés sur l’expérimentation, et un module de calcul pour les lois de mélanges a été délivré (table de correspondance + et interpolation par krigeage pour les entrées pas dans la table).
- Analyse des risques adaptés aux contaminations intentionnelles (chimiques ou biologiques) d’un réseau d’alimentation en eau potable. 
o	 La méthode est caractérisée par l’utilisation de la logique floue et l’agrégation multi-décisionnelle sur quatre niveaux. 
- Perception et mobilisation sociale. L’étude s’est concentrée sur deux concepts principaux : Le rôle de la confiance dans l’eau du robinet consommée et la capacité d’alerter en cas de contamination.
Perspectives : Les résultats de SMaRT-OnlineWDN peuvent de plus être étendus pour un fonctionnement optimal des réseaux. Des économies d’énergie et baisses des émissions de CO2 sont des tâches hautement prioritaires pour les prochaines générations. L’optimisation du fonctionnement des pompes en temps réel peut être également réalisée par l’application de techniques temps réel.
L’utilité de SMaRT-OnlineWDN pour un service d’eau potable ne fait pas de doute. Il est question d’améliorer l’observabilité de la qualité d’eau, comme des quantités (pression, débit) dans le réseau de distribution avec une approche quasi temps réelle. L’outil sert à déclencher une alerte précoce mais aussi à aider dans la prise de décision en cas d’événement de contamination. De plus, cela permet une meilleure compréhension des procédés physiques et biochimiques dans les systèmes de conduites. L’outil peut également être utilisé hors-ligne (déconnecté) pour entraîner les équipes à l’aide de simulations. Trois opérateurs de réseaux d’eau bénéficieront des résultats et de la technologie de traçabilité, la CUS et VEDIF en France et BWB (Berlin) en Allemagne.
L’implémentation de très larges réseaux de capteurs autorisera la traçabilité de l’eau, mais en contrepartie demandera un très fort investissement des opérateurs et des collectivités. Même si des capteurs sans fil sont maintenant disponibles, plusieurs questions stratégiques restent à résoudre, plus spécifiquement : Combien de capteurs doivent être installés pour atteindre un niveau de traçabilité donné, de l’usine de traitement d’eau potable, au robinet du consommateur ? Où sont les meilleurs emplacements ? Peut-on faire fonctionner un tel système en temps réel pour une détection d’événement ? Ce projet  fournit des réponses à ces questions et contribue à développer les concepts temps réels et à créer de nouveaux services autour des réseaux de capteur pour la qualité de l’eau et la traçabilité de l’eau.
Publications et brevets : Ce projet de recherche industriel a donné lieu à la production de près de 15 articles dans des journaux internationaux et nationaux à comité de lecture et plus de 30 présentations à des conférences internationales.
Les outils logiciels des partenaires Irstea et 3S Consult ont été complétés pour une utilisation en temps réel pour la sécurité des réseaux. Le module de transport de Porteau (©Irstea) a été étendu pour prendre en compte une loi de mélange imparfait au niveau des embranchements en croix et en double T. Il est également possible de réaliser un placement optimal de capteurs multisondes physico-chimiques et d’identifier les sources potentielles de pollution à partir du modèle de transport et des détections positives ou négatives au niveau des capteurs. Le logiciel Sir 3S complète la gestion temps réel par une solution utilisant la technique d’interopérabilité des systèmes industriels : OPC. Les trois opérateurs du consortium bénéficient des résultats et de la technologie de traçabilité, la CUS et VEDIF en France et BWB (Berlin) en Allemagne. A moyen terme, cette technologie pourra impacter l’ensemble des services des eaux.