DATA DI NASCITA DEL PROGETTO

2020

TEAM DEL PROGETTO

Ing. Giuseppe Giorgianni – Project Manager

Ing. Valeria Lukaj – Responsabile Ricerca e Sviluppo e developer

Ing. Francesco MArtella – Business Analist e developer

PARTNER

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BREVE DESCRIZIONE DEL PROGETTO

Digitalizzazione delle reti idriche con lo scopo di ridurre gli sprechi d’acqua e avere una gestione efficace attraverso sistemi intelligenti di monitoraggio, gestione e misura, di conoscenza a supporto delle decisioni e consapevolezza dei consumi.

DESCRIZIONE DETTAGLIATA DEL PROGETTO

Oggigiorno si sente sempre più parlare di Smart City e digitalizzazione dei servizi nelle pubbliche amministrazioni. I concetti di Smart City e digitalizzazione della Pubblica Amministrazione stanno diventando il seme del cambiamento sia nel modo di pensare e sia in quello di operare per i cittadini, dirigenti della pubblica amministrazione e anche di aziende pubbliche e private. Inoltre, i cambiamenti climatici impongono un accurato uso delle risorse naturali tra cui l’acqua fondamentale nelle nostre vite.

La digitalizzazione e la gestione della rete idrica in modo innovativo e altamente sicuro sono un elemento chiave per migliorare la gestione delle risorse idriche, permettendo di sviluppare sistemi intelligenti di monitoraggio, gestione e misura, di conoscenza a supporto delle decisioni e anche una maggiore consapevolezza dei consumi e del valore dell’acqua.

Lo scopo di waterCheck è di affrontare e risolvere le problematiche di innovazione e sicurezza alquanto sfidanti, partendo da uno studio approfondito di come proporre l’innovazione attraverso la tecnologia digitale le reti idriche cittadine, concentrandosi su 5 obiettivi principali:

• rappresentazione della rete idrica e dei flussi in real-time su una mappa digitale, utile nell’identificare disservizi e malfunzionamenti in tempo reale. Qui il Fattore Tempo ha un ruolo nevralgico;
• analisi accurata di una rete idrica alquanto complessa al fine di estrapolare indicazioni importanti sulla sua struttura di distribuzione. Questa è la base per proporre una soluzione utile alla misurazione digitale dei flussi idrici in cui è possibile posizionare nella rete un numero limitato di smart meter ma in posizioni convenienti. Qui il Fattore Economico ha un ruolo determinante;
• il concetto di blockchain federate per l’archiviazione dei dati sulla manutenzione dei dispositivi IoT installati dall’organizzazione che gestisce la rete;
• il monitoraggio della rete idrica attraverso device IoT trusted e certificati.
• L’utilizzo di smart meter per permettere di ridurre i costi relativi alla gestione di tali infrastrutture necessarie per la rilevazione a distanza dei dati di consumo (smart metering) o di funzionamento dei servizi (sensori di monitoraggio e controllo) e rendere disponibili ai clienti finali informazioni sui consumi dei diversi servizi in modo integrato.

La rappresentazione della rete idrica su una mappa digitale è stata possibile a partire da uno studio condotto sul progetto di una rete idrica realizzato utilizzando il software open source EPANET. Esportando il modello progettuale nel formato “inp”, è stato possibile estrarre informazioni utili sulla rete idrica come elementi del tipo: id di tubi, id di giunzioni e serbatoi, portata massima e lunghezza dei tubi, coordinate spaziali delle giunzioni, e via discorrendo. Attraverso l’uso di opportune strutture dati e algoritmi, è stato possibile convertire le coordinate spaziali riportate in EPANET in coordinate geospaziali secondo lo standard WGS84 utilizzato anche da Google. Le coordinate geospaziali sono state quindi salvate su database NoSQL ed è stato possibile rappresentare efficientemente la rete idrica su mappe di Google utilizzando le più note tecnologie per la programmazione web. Inoltre, le giunzioni visualizzate sulla mappa possono essere associate a componenti esterni reali come smart meter, certificandone il funzionamento su mappa anche attraverso QR Code ad essi associati. La rappresentazione digitale ottenuta permette l’applicazione alla rete di algoritmi di network flow per lo studio e il management dei flussi.

Sono stati condotti test per studiare il flusso tra i vari punti della rete. A tale scopo, sono stati sviluppati alcuni algoritmi per rappresentare la rete attraverso specifiche strutture dati in vari casi e diverse ipotesi. Non avendo un ambiente di test reale di dati sono stati simulati sulla base di benchmark esistenti in letteratura, così si è potuto testare lo sviluppo di algoritmi per la rappresentazione grafica dei flussi d’acqua nelle varie giunzioni e distribuzioni.

Lo studio della struttura della rete è stato affrontato in termini di ricerca automatica di più tipi di dorsali idriche e diversi tipi di anelli. In particolare, è stato concepito e realizzato un algoritmo di ricerca capace di identificare dorsali e anelli a partire da un’analisi del flusso massimo dei tubi. Attraverso la variazione del flusso massimo (nella teoria del Network Flow, operando sul Delta Factor) è stato possibile identificare i diversi livelli di distribuzione dell’acqua in città. Anelli e dorsali sono stati rappresentati sulle mappe di Google in base alle variazioni del valore della portata. L’analisi dei dati sugli anelli, basata sulla loro composizione e sul loro perimetro, è stata riportata in grafici tridimensionali al fine di dedurre il posizionamento strategico di un numero limitato di sensori nella rete. Inoltre, sono stati condotti sia test di sistema e sia sull’esecuzione degli algoritmi implementati e i risultati sono stati riportati e commentati sulla base degli obiettivi identificati inizialmente.

Con waterCheck è stato anche ideato il prototipo per un sistema di sicurezza per device IoT, facente uso della tecnologia Blockchain, utilizzato per l’acquisizione e l’archiviazione trusted dei dati di manutenzione. Obiettivo principale è quello di introdurre un concetto di “federazione” tra Blockchain al fine di fornire un servizio innovativo per la manutenzione dei device IoT da parte di tecnici autorizzati dall’organizzazione. Per simulare il concetto di Blockchain federate sono state utilizzate due istanze di Blockchain privata Ethereum.

Partendo dalla considerazione che un device IoT per definizione è considerato un’entità untrusted, esso potrebbe inviare dati falsati al sistema di monitoraggio. Questo potrebbe succedere nel caso di dispositivi posti in aree remote che non trasmettono costantemente e possono essere soggetti a manipolazioni. Per garantire l’integrità e l’autenticità dei dati acquisiti viene proposta una soluzione innovativa basata su un sistema di certificazione che utilizza lo standard .X509 e viene gestito quindi da una Certification Authority. La CA, nel sistema proposto, è in grado di certificare i device IoT per l’acquisizione dei dati, e i tecnici manutentori autorizzati alle operazioni di convalida, installazione e associazione dei device IoT nelle giunzioni.

Viene proposta una soluzione in cui un device IoT può acquisire e inviare dati solo se è stato validato da un tecnico autorizzato.  Attraverso un meccanismo basato su QR_Code è possibile convalidare e associare un device IoT alla giunzione di interesse.

Per controllare gli accessi al sistema dei tecnici e dei device è stato utilizzato il sistema IAM di FIWARE, basato sui ruoli e token di tipo Oauth2. Il device IoT per accedere ad una rete internet sicura ed inviare i dati acquisiti, deve essere dotato di un certificato rilasciato dalla CA. Per criptare i dati acquisiti e le informazioni sulle manutenzioni dei dispositivi, viene utilizzato il protocollo X3DH, che, grazie al calcolo di una chiave segreta condivisa, garantisce l’integrità e l’autenticità dei dati criptati in assenza di connessione internet. I dati criptati, in assenza di connessione, verranno archiviati su un database SQLite in locale al device,  e inviati solo in presenza di una connessione internet ritenuta sicura.

È stata effettuata un’analisi dei rischi al fine di comprendere a quali attacchi informatici il sistema proposto potrebbe essere esposto. Inoltre, sono stati condotti test per comprendere la fattibilità del sistema e verificare il raggiungimento degli obiettivi prefissati.

Il risultato ottenuto è un MVP che necessita un ulteriore analisi e sviluppo per quanto riguarda la user experience nella parte di visualizzazione su mappa e management dei sensori. La parte di sensoristica invece costituisce la base per uno sviluppo futuro di sensori costruiti per avere una migliore esperienza nelle reti idriche.

L’adozione degli smart meters è necessaria, data la necessità dei vari Enti di gestione di promuovere l’introduzione di tecnologie avanzate in grado di facilitare la lettura e il controllo delle utenze raggiungendo un migliore efficienza gestionale per flessibilità, raggiungibilità e sostenibilità economica nella gestione della rete.

Con le operazioni connesse alla campagna di sostituzione massiva, è possibile rilevare:

• allacci abusivi
• palazzine completamente sprovviste di contatori
• situazioni di anomali posizionamenti dei contatori.

Grazie a questo sistema, infine, si potrà segnalare consumi anomali di acqua ad alcuni utenti distratti, che avevano inavvertitamente lasciato aperti dei rubinetti.

ELEMENTI DI INNOVAZIONE

• Possibilità di rappresentare digitalmente una rete idrica complessa partendo da progetti esistenti o semplicemente realizzabili. waterCheck enfatizza la multidisciplinarietà; gli esperti del settore devono progettare la rete idrica che poi sarà digitalizzata. Nessuno può e deve sentirsi escluso dalla digitalizzazione dei processi.
• Analisi di BigData e possibilità di implementazione di AI sia per il management dei flussi che per le manutenzioni.
• Introduzione di concetti di cyber security e blockchain per la gestione dei dati e la salvaguardia dei lavoratori addetti alla manutenzione della rete e telelettura e gestione efficace delle Utenze.

CUSTOMER NEEDS

WaterCHECK nasce dalle esigenze di tecnici operanti nel settore delle reti idriche che sentono la necessità di avere oggi più che mai uno strumento di supporto decisionale e di controllo che li aiuti a gestire meglio le risorse idriche.

I responsabili della manutenzione hanno bisogno di strumenti che li aiutino a rilevare in modo veloce le perdite e che garantiscano i loro interventi dimostrando in modo inequivocabile il loro lavoro. Uno strumento di management e controllo inoltre permette alle aziende di risparmiare notevoli risorse economiche nella ricerca di perdite sul territorio. Telelettura e gestione efficace delle utenze aiutano, altresì, gli Enti in una più efficace gestione.

BUSINESS MODEL

Negli scenari evolutivi della gestione delle reti idriche la leva tecnologica è utilizzata come strumento chiave per raggiungere una maggior efficienza del business e il miglioramento dei livelli di servizio. WaterCHECK permette la reingegnerizzazione dei processi e la copertura di requisiti specifici del business, finalizzata a strutturare un vero e proprio Enterprise Data Model. I benefici attesi sono: la reingegnerizzazione dei processi; il miglioramento dei tempi di risposta per le operazioni massive complesse e dei tempi decisionali attraverso l’utilizzo della soluzione in-memory; la semplificazione e rapidità nell’espletamento delle pratiche commerciali con i clienti.

SCALABILITY & REPLICABILITY

waterCheck è uno strumento digitale composto da diversi componenti hardware e software ma che ha come requisito base per la sua funzione un progetto della rete idrica realizzato da esperti del settore. Questa caratteristica rende scalabile e ripetibile il sistema e il business in quanto partendo da delle dashboard di base è possibile replicare il sistema in cloud aggiungendo risorse hardware. Inoltre le soluzioni eventualmente customizzate richiede solo l’eventuale aumento di sviluppatori. Ai clienti di WaterCHECK oltre al progetto in formato digitale delle rete sarà richiesta solo la validazione del sistema finale.

SVILUPPO SOSTENIBILE

WaterCHECK si inquadra nell’ambito dello sviluppo sostenibile in quanto mira a ridurre gli sprechi d’acqua e ottimizzare l’impiego di personale del settore. Il progetto permette di individuare subito le perdite evitando sprechi d’acqua ed evitando ai tecnici di ricercare le fuoriuscite girando o scavando a vuoto producendo CO2. Inoltre con WaterCHECK saranno ottimizzate le risorse in modo da fornire acqua in modo regolare ed a bisogno ad un utenza più vasta possibile.