UNIVERSITÀ DI PISA
Facoltà di Ingegneria
Corso di Laurea Magistrale in Ingegneria Informatica
TESI DI LAUREA
Progettazione di un servizio innovativo per la
rilevazione delle perdite idriche occulte
mediante una Smart Grid
RELATORI
CANDIDATOProf. Enzo Mingozzi
Davide Pellegrino
Prof. Alessio Bechini
Ing. Marcello Donato
Davide Pellegrino [2/146]
Indice
1
Introduzione ... 5
1.1
Water Management ... 6
2
Smart Leak Detection ... 10
2.1
Classificazione delle perdite ... 11
2.1.1
L’andamento delle perdite occulte sulla rete idrica ... 11
2.2
Le metodologie di leak detection ... 13
2.2.1
Metodologie software-based ... 14
2.2.2
Metodologie hardware-based ... 14
2.2.3
Pre-localizzazione ... 14
2.2.3.1
Pre-localizzazione software-based ... 14
2.2.3.2
Pre-localizzazione hardware-based ... 15
2.2.4
Localizzazione ... 18
2.2.4.1
Localizzazione hardware-based ... 18
2.3
Soluzioni Smart ... 21
2.3.1
Protocollo Wireless M-Bus... 24
2.3.1.1
Modalità di funzionamento... 25
2.3.1.2
Formato dati ... 26
2.3.1.3
Definizione dei campi dei frame ... 28
3
TI-LeD Telecom Italia Leak Detection ... 32
3.1
Descrizione del servizio ... 33
3.1.1
Specifiche dei noise loggers ... 36
3.1.2
La logica della doppia maglia ... 36
3.1.2.1
Requisiti del servizio ... 37
3.1.2.2
I vantaggi della doppia maglia ... 41
3.2
Use case ... 42
3.2.1
Ipotesi di progetto ... 42
3.2.1.1
Ipotesi per la rete di sensori ... 43
3.2.1.2
Ipotesi per la rete di gateway ... 44
3.2.2
Driver di progetto ... 44
3.2.2.1
Driver per la rete di sensori ... 44
Davide Pellegrino [3/146]
3.2.3
Use Case San Vito Lo Capo ... 49
3.2.3.1
Caratteristiche della rete idrica ... 49
3.2.3.2
Ipotesi specifica del progetto ... 51
3.2.3.3
Driver specifico del progetto ... 53
3.2.3.4
Progetto ... 53
3.3
Piattaforma software ... 58
3.3.1
Attori coinvolti ... 59
3.3.2
Analisi dei requisiti ... 59
3.3.2.1
Funzionalità offerte ... 59
3.3.2.2
Requisiti funzionali e non funzionali ... 70
3.3.2.3
Casi d’uso ... 74
3.3.3
Specifiche del sistema ... 82
3.3.3.1
Iscrizione al servizio ... 82
3.3.3.2
Autenticazione al portale ... 85
3.3.3.3
Visualizzazione mappa ... 87
3.3.3.4
Rilevazione perdita ... 90
3.3.3.5
Attivazione maglia stretta ... 93
3.3.3.6
Richiesta di manutenzione di un noise logger –
Batteria ………..96
3.3.3.7
Richiesta di manutenzione di un noise logger – Errore
rete ...………101
3.3.3.8
Visualizzazione lista dei ticket... 109
3.3.3.9
Visualizzazione storico di un noise logger ... 110
4
Proof of Concept ... 112
4.1
Elementi hardware e software ... 113
4.1.1
Piezoelettrico ... 113
4.1.2
Arduino ... 114
4.1.3
Modulo WM-Bus ... 114
4.1.4
Board EVK ... 115
4.1.5
Gateway ... 115
4.1.6
Maglia rete idrica ... 116
4.1.7
Server TLI ... 117
4.2
Architettura del PoC ... 118
4.2.1
Collegamento piezoelettrici - Arduino ... 118
Davide Pellegrino [4/146]
4.2.3
Connessione Gateway – Server ... 120
4.3
Programmazione Arduino ... 121
4.3.1
Virtualizzazione di una porta UART ... 122
4.3.2
Configurazione del modulo ME50-169 ... 122
4.3.3
Acquisizione dei valori misurati dai sensori ... 125
4.3.4
Trasmissione dati ... 126
4.3.4.1
Struttura dei frame ... 127
4.3.4.2
Invio frame ... 128
4.4
Funzionamento del PoC ... 130
5
Conclusioni ... 144
Davide Pellegrino [5/146]
1 Introduzione
La presente tesi è stata sviluppata durante un’attività di consulenza svolta all’interno del programma formativo Junior Consulting, promosso dal CONSEL (Consorzio ELIS di Roma) che racchiude in sé le più grandi aziende italiane. Tale programma prevede la selezione di laureandi provenienti da tutte le università italiane ed afferenti a diverse discipline, che suddivisi in team, ciascuno supervisionato da un team leader, hanno il compito di sviluppare un progetto commissionato da una delle aziende del Consorzio. Inoltre, parallelamente all’attività lavorativa, il programma prevede diversi corsi di formazione personale al fine di arricchire il bagaglio culturale e professionale del laureando.
Il seguente elaborato è il frutto del lavoro commissionato dal TI-Lab (Telecom Italia Lab) di Torino, e precisamente dal dipartimento Services Platforms Innovation; compito di tale reparto è la ricerca e la realizzazione di servizi innovativi sia per il cittadino che per il mondo business. I principali progetti sui quali Telecom sta lavorando vertono sul tema delle Smart Cities, area che mira allo sviluppo di tecnologie che permettano una migliore qualità della vita per il cittadino ed al contempo una massimizzazione dei profitti per le aziende che adottano tali soluzioni.
L’intento di Telecom Italia è di realizzare in futuro un’infrastruttura di rete, denominata
Capillary Network, in grado di supportare diversi servizi in ambito Smart Cities. In
particolare, con il termine Capillary Network si intende una rete urbana capillare, composta da apparati di comunicazione wireless che operino da concentratori/gateway, atta alla raccolta dei dati rilevati da sensori dislocati nei centri abitati, nonché al controllo dei sensori stessi. L’azienda è a lavoro su diversi servizi che potrebbero sfruttare tale rete di comunicazione: tra i più recenti c’è il progetto S.In.Te.S.I. (Sistema Integrato Tecnologie
Servizio Idrico) proposto da SMAT (Società Metropolitana Acque Torino S.p.A.), in
collaborazione con la Cap Holding S.p.A. (azienda idrica di Milano), per l’ambito “Gestione delle risorse idriche” del bando indetto dal MIUR (Ministero dell’Istruzione, dell’Università e della Ricerca) sul tema “Idee progettuali per Smart Cities and
Communities and Social Innovation”. Inoltre Telecom Italia ha già partecipato alle
consultazioni con l’AEEG (Autorità per l’Energia Elettrica ed il Gas) al fine di individuare un protocollo standard per le comunicazioni tra sensori ed apparati di rete; in questa sede l’azienda ha supportato l’adozione del protocollo WM-Bus (Wireless Metering-Bus) perché ritiene che, a valle delle sperimentazioni effettuate per il gas metering ed il water metering, esso possa essere utilizzato in scenari multi servizio che includono una varietà di servizi differenti. Infatti tale protocollo ha dimostrato di poter garantire la banda necessaria in tali scenari, consentendo un’ottima efficienza energetica su apparati alimentati a batteria.
Al fine perciò di diversificare la tipologia di servizi da poter offrire attraverso la propria Capillary Network, Telecom Italia ha richiesto di progettare un servizio innovativo, che sfruttando questa infrastruttura di rete ed integrandosi con i risultati delle precedenti sperimentazioni sul metering, fosse in grado di supportare la ricerca delle perdite lungo le condutture della rete idrica.
Nei successivi capitoli verranno discusse le diverse fasi che hanno portato alla definizione del nuovo servizio di rilevazione delle perdite: inizialmente verranno presentati i risultati dell’analisi di mercato svolta in fase preliminare, che ha permesso l’individuazione delle diverse metodologie e dei relativi sensori attualmente usati per la rilevazione delle perdite.
Davide Pellegrino [6/146] In seguito verrà discusso il servizio che è stato ideato, mettendo in evidenza i driver utilizzati e la sua applicazione su un caso reale, presso San Vito lo Capo (TP). Inoltre verrà analizzata la fase di progettazione per la piattaforma software atta alla gestione dei dati provenienti dai sensori disposti sul territorio. Infine verrà descritto un PoC (Proof of Concept) che è stato realizzato al fine di dimostrare il funzionamento del servizio nel suo complesso.
Prima di procedere con tale trattazione, verrà discusso il contesto nel quale si inserisce il progetto e le motivazioni che spiegano il crescente interesse delle aziende a sviluppare servizi per la getione efficiente delle risorse idriche.
1.1 Water Management
La crescita della popolazione mondiale, lo sviluppo economico generalizzato, i processi di surriscaldamento e desertificazione, hanno reso evidente il problema della gestione delle
risorse idriche (water management) al fine di affrontare la scarsità relativa di tali risorse
rispetto ai bisogni crescenti dell’uomo.
Risulta quindi chiaro come, a livello globale, una gestione efficace e rigorosa dell’acqua sia diventata di primaria importanza, soprattutto per quanto riguarda la riduzione degli sprechi.
In Italia è ormai consolidata l’attenzione da parte delle istituzioni al problema della ricerca delle perdite e della loro eliminazione o riduzione dalle reti idriche di adduzione e distribuzione, in quanto esse rappresentano uno spreco valutato in termini d’impatto economico, sociale, ambientale e nutrizionale. Il primo passo infatti, risale al DM LLPP 8
gennaio 1997, n.99 – Regolamento sui criteri e sul metodo in base ai quali valutare le perdite degli acquedotti e delle fognature. In tale documento è stato introdotto il
concetto di bilancio idrico annuale della rete basato sulle voci di bilancio suggerite a livello internazionale dall’IWA (International Water Association) e riportate in Tabella 1.1 [1]: Volume annuo d’acqua immesso nella rete Consumi idrici autorizzati Consumi autorizzati fatturati
Consumo fatturato misurato (inclusa
l’acqua esportata in altri sistemi idrici) Acqua
fatturata
Consumo fatturato non misurato
Consumi autorizzati non fatturati (per es.
Vigili del Fuoco)
Consumo non fatturato misurato
Acqua non fatturata
Consumo non fatturato non misurato
Perdite idriche
Perdite apparenti
Consumo non autorizzato (furti)
Imprecisione di misurazione dei contatori dell’utenza
Perdite fisiche/reali
Perdite nelle reti di adduzione e/o di distribuzione
Perdite e sfiori dai serbatoi utilizzati per lo stoccaggio idrico
Perdite dalle prese di servizio dell’utenza fino contatori
Davide Pellegrino [7/146] L’approccio mostrato in Tabella 1.1 tiene conto delle molteplici componenti d'utilizzo dell'acqua e consente di determinare in modo corretto le perdite, così da finalizzare la ricerca delle stesse. Si osserva soprattutto che le perdite idriche non possono essere assimilate alla semplice differenza tra il volume immesso in rete e quello fatturato, e devono essere suddivise in perdite apparenti e perdite fisiche/reali.
Riguardo all’incidenza delle perdite fisiche sul volume d’acqua non fatturato, l’IWA mette a disposizione un bilancio idrico standard (Tabella 1.2) per una rete composta da 603 km
di tubature con 65 m di pressione e 16.359 allacciamenti utente [2].
Elemento del bilancio
idrico standard IWA Megalitri/anno confidenza del 95% Intervallo di Deviazione standard
Volume annuo d’acqua immesso
nella rete 6117 +/-2% 61
Consumo autorizzato
fatturato 5200 +/-1% 26
Acqua non fatturata 917 +/-15% 69
Consumo autorizzato
non fatturato 80 +/-50% 20
Perdite idriche 837 +/-17% 71
Perdite apparenti 111 +/-50% 23
Perdite fisiche/reali 726 +/-20% 74
Legenda: derivati Valori
Tabella 1.2 – Un bilancio idrico standard fornito dall’IWA
I valori in tabella sono ottenuti utilizzando software specifici per il calcolo del bilancio idrico. Tali software forniscono, per ciascuna delle varie voci di bilancio, la deviazione
standard e l’intervallo di confidenza del 95% relativi al valore calcolato.
La Tabella 1.2 mostra una situazione in cui il volume d’acqua non fatturato è pari a circa il 15% del volume annuo immesso nella rete (con variabilità tra il 12% ed il 18% ), di cui circa il 79% (con variabilità tra il 66% e l’93%) è dovuto alle perdite fisiche/reali. Ciò evidenzia che le perdite fisiche costituiscono gran parte dell’acqua non fatturata.
La più recente spinta istituzionale si è avuta con il DL 3 Aprile 2006, n.152, Art.146 comma 1.a:
"Le regioni prevedono norme e misure volte a favorire la riduzione dei consumi e l’eliminazione degli sprechi ed in particolare a migliorare la manutenzione delle reti di adduzione e distribuzione di acque a qualsiasi uso destinate al fine di ridurre le perdite."
Nonostante ciò, nel 2009 il Co.N.Vi.R.I. (Commissione Nazionale di Vigilanza delle Risorse Idriche) ha emesso un rapporto in cui ha constatato che:
“Il regolamento per la valutazione delle perdite nelle reti acquedottistiche, emanato con D.M. dei Lavori Pubblici n. 99 nel 1997, si prefiggeva di stabilire in maniera univoca le grandezze da misurare in modo da creare nel tempo una banca dati omogenea e perciò facilmente analizzabile. Obbligo dei gestori era la trasmissione annuale dei risultati delle rilevazioni eseguite. Il regolamento è rimasto fino ad oggi [2009] sostanzialmente
Davide Pellegrino [8/146]
disapplicato.
La situazione verificatasi sottende sia una scarsa capacità di controllo da parte delle istituzioni deputate, che una conoscenza non accurata dei bilanci idrici da parte dei gestori.
Dall’analisi dei dati raccolti, si evince una realtà allarmante legata, oltre che a valori di perdite elevati, a un generalizzata scarsa consapevolezza della risorsa erogata da parte delle aziende incaricate della gestione delle reti.”
Dall’indagine effettuata dal Co.N.Vi.R.I., pubblicata nel 2009 e ottenuta interpellando direttamente i gestori della rete idrica presenti sul territorio italiano, complessivamente il volume d’acqua non fatturato sul volume totale immesso nelle reti idriche nazionali è risultato pari al 37,3 %. Le perdite così individuate ammonterebbero a circa 2 miliardi di
metri cubi l’anno [3], pari a circa 2,5 miliardi di euro l’anno [4]. Si osservi, però, che tale
dato è stato ricavato non tenendo conto dell’approccio definito in Tabella 1.1, ma limitandosi ad una valutazione delle perdite basata solo sul volume d’acqua non
fatturato (l’acronimo anglosassone è NRW – Non-Revenue Water). Tale discordanza
rispetto alla metodologia proposta in Tabella 1.1 è scaturita dalla mancata applicazione in ambito italiano, fatta eccezione per l’Hera (multiutility attiva in Emilia-Romagna, con sede a Bologna) [5], di tecniche per la rilevazione delle perdite fisiche sulla rete idrica, e quindi dall’impossibilità di separare le perdite effettive dal volume d’acqua non fatturato. Ad ogni modo, per quanto non consenta di individuare esattamente i costi associati alle sole perdite fisiche, la NRW rappresenta un indicatore che rende agevole ed immediato il confronto tra diverse realtà nazionali ed internazionali.
Alla luce di ciò, lo scenario globale emerso nel 2010 è stato il seguente [4]:
Figura 1.1 – Percentuale media di NRW su indagine svolta dalla Althesys nel 2010
Da questa immagine è evidente la criticità della situazione italiana non solo rispetto alla media europea, ma anche rispetto alla media mondiale dei paesi sviluppati.
Nella situazione appena descritta, il comportamento di alcune delle principali water
Davide Pellegrino [9/146] Figura 1.2 – NRW (m3/km/giorno) tra il 2009 ed il 2011 di alcune delle principali water utilities italiane
Più lunga è la rete gestita, più complesso è contenere il fenomeno delle perdite fisiche. Pertanto per confrontare aziende diverse è opportuno tenere conto della lunghezza della rete. Tra le utilities considerate in Figura 1.2, Hera è l’unica a dichiarare di aver adottato tecniche per la rilevazione delle perdite fisiche, giustificando con ciò i suoi bassi valori della NRW a fronte comunque di una rete molto estesa. Quindi in Figura 1.2 il miglioramento ottenuto tra il 2009 ed il 2011, laddove presente, potrebbe essere frutto esclusivamente di interventi di manutenzione ordinaria o di stime più accurate della NRW.
Davide Pellegrino [10/146]
2 Smart Leak Detection
In base a quanto esposto precedentemente, risulta evidente la necessità per le water
utilities di adottare metodologie di ricerca delle perdite sulla rete idrica al fine di ridurre gli
sprechi della risorsa acqua e quindi anche le perdite economiche. In particolare è necessario riuscire ad individuare quelle che, in Tabella 1.1, sono state definite perdite
fisiche/reali.
Di seguito con il termine leak detection si intende l'insieme delle tecniche utilizzate per l'individuazione delle perdite idriche in una condotta in pressione.
Si osservi che una rete idrica si compone sempre di una rete di adduzione, a monte, seguita da una rete di distribuzione. Quest’ultima è ulteriormente costituita da un rete esterna agli edifici e da diverse reti interne agli edifici (reti d’utenza).
Figura 2.1 – Schema di una rete idrica
È importante notare che, a seconda del tipo di rete sulla quale si vuole effettuare la leak
detection, cambiano le metodologie di ricerca delle perdite da adottare. Tipicamente però, la competenza e quindi l’interesse delle water utilities riguardano la rete di
distribuzione e terminano laddove iniziano le reti d’utenza, poiché ciascun utente è
direttamente responsabile di tutto ciò che si sviluppa a valle del contatore d’utenza. Nel seguente capitolo verrà effettuata una panoramica generale sullo stato dell’arte della leak detection per tali tratti di rete, classificando le diverse tipologie di perdita ed analizzando le metodologie e sensori per la loro ricerca. Successivamente verrà analizzato il tema della rilevazione delle perdite nella sua declinazione “smart”, tema centrale di questa tesi, con un approfondimento sul protocollo di comunicazione adottato dalla maggior parte di tali soluzioni.
Davide Pellegrino [11/146]
2.1 Classificazione delle perdite
Le perdite fisiche su una rete idrica possono essere classificate come segue:
Background leaks: piccole perdite dovute ad una non perfetta tenuta delle giunzioni e/o a fenditure di piccole dimensioni lungo le condotte. Inevitabili fino alla sostituzione del componente danneggiato.
Reported Burst leaks: perdite visibili in seguito all’affioramento in superficie e/o in seguito a interruzioni del servizio idrico.
Unreported Burst leaks: perdite dovute a fessure individuabili solo mediante specifiche attività di ricerca, perché non visibili superficialmente.
Le Background leaks sono solitamente riconosciute come perdite intrinseche della rete e quindi inevitabili.
Le Reported Burst leaks, data la loro evidenza e criticità, non rappresentano un problema in termini di rilevazione, in quanto sono individuate e gestite in tempi brevi.
Le Unreported Burst leaks, come descritto in precedenza, sono le più difficili da individuare, ma un loro monitoraggio costante potrebbe aiutare nella prevenzione delle
Reported Burst leaks.
A valle di questa classificazione risulta chiaro che, per una gestione efficace della rete e della risorsa idrica, è necessario concentrarsi sulla ricerca delle Unreported Burst leaks, anche note come perdite occulte. Infatti è questa la tipologia di perdite che, se individuata e risolta, consentirebbe una migliore gestione della rete idrica ed una riduzione degli sprechi, con una conseguente riduzione dei costi per la water utility.
2.1.1 L’andamento delle perdite occulte sulla rete idrica
Sulla base dei dati raccolti a partire dagli anni ’90 su più di 3000 km di rete di adduzione distribuiti in oltre 25 paesi del mondo, è emersa la situazione rappresentata in Figura 2.2, relativa all’occorrenza media delle perdite occulte ogni 100 km di rete [7].
Davide Pellegrino [12/146] Figura 2.2 – Occorrenza media delle perdite occulte ogni 100 km di rete di adduzione in diverse aree
geografiche
In particolare si osserva una maggiore criticità sulle reti di adduzione europee: ciò deriva soprattutto dall’età di tali infrastrutture che, per motivi storici, risulta sicuramente maggiore di quelle presenti nel resto del mondo.
Una relazione tra l’età delle rete idrica e l’occorrenza media delle perdite occulte su di essa è stata ricavata sempre sulla base dei suddetti dati raccolti in campo ed è rappresentata in Figura 2.3 [7].
Figura 2.3 – Andamento dell’occorrenza media delle perdite occulte ogni 100km di rete in funzione dell’ età delle condotte
Come è possibile notare, in funzione dell’età delle condotte, si hanno tre diversi andamenti dell’occorrenza media delle perdite occulte ogni 100 km di rete.
In particolare:
Davide Pellegrino [13/146] adduzione, riorganizzati, in base al periodo di realizzazione, in 1.500 km di rete (distribuiti in varie aree geografiche).
In arancione e in verde invece, sono rappresentati gli andamenti stimati per una rete di distribuzione in due diverse condizioni operative, rispettivamente 50m ed 80m di pressione della colonna d’acqua: nel primo caso è considerata un’occorrenza delle perdite occulte pari a 0,65 perdite/100km/anno, mentre nel secondo caso pari a 1,04 perdite/100km/anno [7].1
L’andamento rilevato (in blu) conferma una relazione lineare tra l’età delle condotte e l’occorrenza delle perdite occulte. Si osserva, inoltre, che il tasso reale di crescita delle perdite nel tempo risulta addirittura superiore di quello stimato per entrambi i valori di pressione considerati; ciò evidenzia una tendenza delle perdite occulte (unreported burst
leaks) ad accumularsi nel tempo senza divenire visibili (reported burst leaks). Quest’ultima
osservazione sottolinea ulteriormente la necessità di rilevare le perdite occulte al fine di ridurre le perdite idriche, e quindi economiche.
2.2 Le metodologie di leak detection
Le metodologie di leak detection attualmente disponibili possono essere sintetizzate attraverso il seguente schema:
Figura 2.4 - Metodologie di leak detection
Tutte le metodologie di leak detection offrono il vantaggio di ridurre i tempi di intervento, in quanto possono rilevare una perdita prima che essa diventi significativa, ma differiscono per il livello di precisione nell’identificazione del punto esatto e nel tipo di sensori, e sistemi informatici di supporto, utilizzati.
1Il fatto di considerare un andamento stimato per 80 m di pressione, che è una pressione tipica delle reti di adduzione piuttosto che delle reti di distribuzione, nasce dalla volontà di confrontare i dati rilevati (che si riferiscono alle reti di adduzione) con le curve stimate (che si riferiscono ad una rete di distribuzione).
Davide Pellegrino [14/146]
2.2.1 Metodologie software-based
Tali metodologie sfruttano parametri, quali pressione, portata e livelli, provenienti da sensori già presenti sulla rete. Tramite software, esse operano un confronto tra i dati raccolti in tempo reale e modelli matematici predittivi ottenuti attraverso l’elaborazione di dati storici.
È evidente che, nel caso di reti idriche obsolete sprovviste di sensori automatici per quanto riguarda la misura dei suddetti parametri, le metodologie software-based richiederebbero necessariamente l’intervento umano nella lettura dei dati e quindi soffrirebbero dell’impossibilità di ottenere un monitoraggio in tempo reale.
Rispetto al semplice monitoraggio dei valori di pressione, portata e livelli lungo la rete idrica, l’utilizzo di modelli predittivi offre una notevole riduzione del numero di falsi-positivi, ovvero di quei casi in cui, a causa di fenomeni temporanei, si ipotizza erroneamente la presenza di una perdita su un tratto di rete.
2.2.2 Metodologie hardware-based
Queste metodologie sfruttano i dati forniti da sensori posizionati lungo la rete idrica
installati appositamente per effettuare leak detection, cosa che richiede sicuramente uno
sforzo economico da parte delle water utilities.
Si osservi però, che tali installazioni possono essere anche solo temporanee, e in tal caso richiedono inevitabilmente un intervento umano.
Allo stesso tempo, indipendentemente dalla durata dell’installazione, se si utilizzano sensori in grado di trasmettere in maniera automatica i dati raccolti, le metodologie
hardware-based offrono il grande vantaggio di consentire un monitoraggio approfondito ed in
tempo reale.
2.2.3 Pre-localizzazione
La pre-localizzazione delle perdite consiste nella individuazione di aree critiche della rete idrica in cui è elevata la probabilità di presenza di perdite.
Per quanto sia relativamente semplice da realizzare ed esistano diverse tecniche per fare pre-localizzazione, essa presenta lo svantaggio di non riuscire a rilevare con precisione il punto in cui è presente una perdita.
2.2.3.1 Pre-localizzazione software-based
Le tecniche che rientrano in tale categoria sono:
Bilancio di volume;
District metering.
Entrambe le tecniche operano un confronto tra il volume d’acqua entrante e quello uscente e/o erogato alle utenze; in caso di discordanza tra i due volumi, viene rilevata la probabile presenza di una perdita sul tratto considerato. Non si ha la certezza della perdita in quanto, soprattutto nel caso del district metering, la differenza misurata potrebbe derivare anche da anomalie temporanee lungo la rete, come variazioni di pressione e/o livelli.
Davide Pellegrino [15/146]
2.2.3.1.1 Bilancio di volume
Il Bilancio di volume si basa sulla misura della differenza tra i volumi entranti e i volumi uscenti per un particolare segmento di condotta.
Figura 2.5 – Schema di principio del bilancio di volume
2.2.3.1.2 District Metering
Il District metering si basa sulla suddivisione della rete idrica in distretti:
Figura 2.6 – Schema di principio del district metering
Per ciascun distretto si monitora il flusso in ingresso e lo si confronta con quello effettivamente erogato alle utenze e/o agli snodi a valle. In questo senso, il flusso in ingresso viene misurato attraverso l’utilizzo di un district meter; il flusso in uscita da un distretto invece, è dato dalla somma dei volumi d’acqua misurati dai district meters afferenti ad eventuali distretti a valle di quello considerato, più i volumi erogati agli utenti e misurati dai contatori d’utenza.
Ciò è necessario perché il district metering non effettua il monitoraggio del flusso su una singola condotta, ma su intere porzioni della rete idrica.
2.2.3.2 Pre-localizzazione hardware-based
Davide Pellegrino [16/146]
Acustica;
Pre-localizzazione Elettroacustica;
Termografia.
2.2.3.2.1 Acustica e Pre-localizzazione elettroacustica
La tecnica acustica e quella di pre-localizzazione elettroacustica si basano sul principio per cui l'acqua che fuoriesce da una condotta in pressione genera un rumore. Tale rumore si propaga lungo la rete idrica, sia lungo le pareti delle tubature sia all’interno del flusso d’acqua, nonché attraverso gli strati di terreno sovrastanti.
Lungo le tubature la capacità del rumore di propagarsi dipende dalla pressione del flusso d’acqua, dal diametro delle condotte e dal materiale con cui esse sono realizzate. Attraverso gli strati di terreno invece, il rumore si propagherà più o meno facilmente a seconda della composizione del suolo. Pertanto la scelta e la dislocazione dei sensori da utilizzare andrà effettuata in base alla sensibilità dei sensori stessi e tenendo conto delle caratteristiche della rete idrica o del suolo.
La pre-localizzazione acustica e quella elettroacustica utilizzano strumenti che, posti lungo gli elementi infrastrutturali della rete idrica (valvole, idranti, ecc.), sono in grado di amplificare i suoni relativi ad una perdita, consentendone la rilevazione.
Per fare pre-localizzazione acustica si utilizzano le aste geofoniche, come mostrato in Figura 2.7.
Figura 2.7 – Esempio di utilizzo di un’asta geofonica (l’operatore pone l’orecchio sul lato svasato di un’asta geofonica inserita nel terreno in prossimità di una tubatura)
L’asta geofonica consiste in un’asta di acciaio a punta della lunghezza tipicamente di 1.50 m, con in testa un sistema auricolare di ascolto, che viene posta a contatto di tubature o idranti. Si basa sul principio della amplificazione meccanica della vibrazione che, prodotta da una perdita, si propaga lungo le pareti della tubazione; è influenzata dalle sorgenti esterne di rumore e pertanto deve essere utilizzata da personale esperto e in ore notturne.
Per fare pre-localizzazione elettroacustica si utilizzano, invece, i noise loggers, come mostrato in Figura 2.8.
Davide Pellegrino [17/146] Figura 2.8 – Un noise logger (sulla sinistra) e due diverse unità riceventi fisse
I noise loggers sono dei sensori elettronici che, apposti magneticamente sulle tubature o su altri elementi metallici della rete idrica (tipicamente in pozzetti o su aste di manovra), rilevano in maniera completamente automatica il rumore prodotto da una perdita; sono in grado di registrare tale rumore, analizzarlo e filtrarlo da altri rumori di fondo che si propagano nelle condotte. Nel caso di tubature in pvc devono necessariamente essere applicati ad elementi metallici della rete (es. idranti, saracinesche e valvole).
L’installazione dei noise loggers può essere temporanea o permanente, adattandosi così a diverse esigenze. A seconda dei modelli, i dati rilevati da questi sensori possono essere recuperati manualmente o in maniera automatica. Nel primo caso, dopo un certo tempo di raccolta dati, i noise loggers vengono prelevati da un operatore che ne estrarrà le informazioni. Nel secondo caso, invece, i dati rilevati vengono inviati da ciascun sensore direttamente ad un’unità ricevente che può essere fissa oppure mobile. In quest’ultima soluzione, il ricevitore può essere montato su un automezzo o trasportato a mano, consentendo pertanto, seppur con un intervento umano, di monitorare in tempi molto brevi porzioni anche estese della rete idrica.
Essendo apposti esternamente alle tubature, sia l’asta geofonica che i noise loggers sono in grado di rilevare solo le vibrazioni di rumore che si propagano lungo le pareti delle condotte. Nel caso di condotte in pvc e/o di diametro molto grande, le suddette vibrazioni decadono molto rapidamente; pertanto, se in tali contesti si utilizzano dei noise
loggers, a parità di sensibilità degli strumenti, sarà necessario diminuire la distanza tra due
sensori successivi rispetto a quanto andrebbe fatto per tubature metalliche e/o di diametro contenuto.
2.2.3.2.2 Termografia
La termografia si basa sull’acquisizione di immagini nell’infrarosso in grado di mostrare variazioni di temperatura e quindi concentrazioni di umidità causate da perdite lungo le condutture.
Davide Pellegrino [18/146] Figura 2.9 – Esempio di immagine termografica
Questa tecnica rientra nell’ambito della pre-localizzazione in quanto l’accumulo di umidità intorno alle tubature potrebbe risultare molto esteso e quindi non consentire la perfetta localizzazione di una perdita. La termografia si presta soprattutto alla rilevazione delle perdite all’interno di edifici, in quanto in ambienti esterni si potrebbero avere variazioni di temperatura non dovute necessariamente ad una perdita.
2.2.4 Localizzazione
La localizzazione delle perdite consiste nell’individuazione del punto esatto della perdita. Tipicamente essa si concentra all’interno di un’area critica determinata in una fase preventiva di pre-localizzazione; ciò però non esclude la possibilità di effettuare direttamente la localizzazione.
Nonostante a livello accademico siano stati effettuati diversi studi nell’ambito della localizzazione software-based, attualmente sono disponibili solo tecniche di localizzazione
hardware-based. Pertanto è chiaro che, ad oggi, il grosso vantaggio offerto dalle
metodologie hardware-based è la possibilità di localizzare esattamente le perdite, mentre quelle software-based consentono solo la pre-localizzazione.
2.2.4.1 Localizzazione hardware-based
Le tecniche che rientrano in tale categoria sono:
Localizzazione elettroacustica;
Correlazione;
Gas injection;
Georadar.
Sia la tecnica localizzazione elettroacustica che quella di correlazione si basano sempre sul principio per cui l'acqua che fuoriesce da una condotta in pressione genera un rumore che si propaga lungo la rete idrica, come esposto nel Paragrafo 2.2.3.2.1.
2.2.4.1.1 Localizzazione elettroacustica
La tecnica di localizzazione elettroacustica utilizza apparecchiature elettroniche per l’analisi dei rumori emessi dalle perdite lungo la rete idrica.
Davide Pellegrino [19/146] Figura 2.10 – Esempio di localizzazione elettroacustica tramite geofono
Tale tecnica fa uso di geofoni elettronici, ovvero di strumenti costituiti da un microfono a campana che viene apposto direttamente al suolo e, tramite un amplificatore di suoni munito di filtri acustici, è in grado di rilevare solo le frequenze tipiche del rumore prodotto dalle perdite idriche. Tali strumenti richiedono l’utilizzo da parte di un operatore che, spostando il geofono lungo il percorso di una tubatura, ascolterà un rumore più intenso laddove è presente una perdita.
2.2.4.1.2 Correlazione
Per localizzare il punto esatto di una perdita tramite la tecnica della correlazione, si utilizzano due sensori posti lungo una tubatura; rilevato il rumore relativo ad una perdita, essi lo comunicano ad un dispositivo (correlatore) che, misurando il ritardo con cui i due sensori hanno ricevuto il rumore, identifica la posizione della perdita rispetto al sensore più vicino (il sensore rosso nel caso in Figura 2.11).
Figura 2.11 – Schema di principio del correlatore
I sensori utilizzati dalla tecnica della correlazione possono essere di due tipi:
noise loggers;
idrofoni.
A differenza dei noise loggers, gli idrofoni rilevano il rumore che, prodotto da una perdita, si propaga all’interno del fluido e non lungo le pareti delle tubature; per questo motivo essi devono essere posti a contatto con l’acqua, richiedendo un’installazione (tipicamente in corrispondenza di pozzi di ispezione) più invasiva e quindi complessa. Per il resto gli idrofoni presentano le stesse funzionalità dei noise loggers.
Nell’ambito della tecnica della correlazione, gli idrofoni possono essere preferiti ai noise
loggers laddove le caratteristiche della rete siano tali che la distanza tra i punti in cui
Davide Pellegrino [20/146] compatibili con la sensibilità dei noise loggers. Infatti, a parità di pressione, diametro e materiale delle tubature, la capacità del rumore prodotto da una perdita di propagarsi all’interno del flusso d’acqua è superiore a quella di propagarsi lungo le pareti delle tubature (specialmente in condotte in pvc), benché il suono viaggi più lentamente all’interno del fluido.
Per topografie piuttosto articolate della rete idrica è anche possibile usare più di due sensori connessi ad uno stesso correlatore; ciò consente di ottenere una precisione più spinta nella rilevazione della posizione della perdita. Infatti, indipendentemente dalla topografia della rete, la correlazione tra più di due segnali acustici consente di filtrare meglio i rumori di fondo che si propagano nelle condotte e quindi aumentare la precisione con cui viene individuata la perdita.
L’utilizzo di un correlatore svincola l’operatore dall’analisi della vibrazione vera e propria che si propaga lungo la tubazione, fornendo una maggiore accuratezza in merito alla localizzazione della perdita.
2.2.4.1.3 Gas Injection
La tecnica del gas injection si effettua immettendo nelle tubature vuote un gas (tipicamente l’elio); successivamente si procede con opportuni strumenti alla rilevazione, lungo il percorso delle tubature, di eventuali concentrazioni di tale gas che indichino quindi la presenza di una perdita sulla rete idrica.
Figura 2.12 – Schema di principio della tecnica gas injection
Tale tecnica presenta lo svantaggio di richiedere necessariamente l’interruzione del sevizio idrico al fine di svuotare le tubature; pertanto essa si presta esclusivamente alla rilevazione delle perdite all’interno di edifici.
2.2.4.1.4 Georadar
Il georadar effettua la localizzazione delle perdite tramite un dispositivo radar in grado di rilevare l'umidità del terreno e pertanto la presenza di una perdita lungo la rete idrica.
Davide Pellegrino [21/146] Figura 2.13 – Schema di principio dell’utilizzo del georadar
La localizzazione di una perdita attraverso un georadar è resa possibile dalla capacità dello strumento di ottenere dei dati dai quali estrarre, a valle di un’elaborazione, un’immagine 3D del sottosuolo che consenta di individuare le tubature ed eventuali accumuli di umidità intorno ad esse. Sensori di questo tipo sono ad uso esclusivamente manuale e quindi richiedono sempre l’utilizzo da parte di un operatore.
2.3 Soluzioni Smart
Dopo aver trattato le diverse tecniche per la rilevazione delle perdite, in questo capitolo vengono esposte le soluzioni, presenti sul mercato, che si prestano ad una gestione smart delle ricerca delle perdite occulte, al fine di identificare la metodologia che più si adatta per la definizione del nuovo servizio.
Esaminando le soluzioni che utilizzano tecniche software based è emerso che solamente 5 aziende, a livello internazionale, sfruttano tali metodologie. Queste soluzioni, di per sé, sono completamente autonome in quanto i sensori disposti lungo le condutture inviano i dati mediante una rete di comunicazione predisposta a tale scopo. Lo schema di principio è il seguente:
Davide Pellegrino [22/146] Figura 2.14 – Schema di principio delle soluzioni software-based
Come riassunto in Figura 2.14, la rete idrica da monitorare viene suddivisa in aree (distretti) attraverso l’utilizzo di district meters già presenti sulla rete; tali sensori sono connessi ad un sistema di controllo e comunicazione (SCADA – Supervisory Control and Data Acquisition) che, sfruttando la rete mobile (2G o 3G) o fissa, invia i dati rilevati (in termini di portata, pressione e livelli) ad un elaboratore. Quest’ultimo effettua un confronto tra i dati raccolti in tempo reale ed un modello predittivo basato sull’analisi dei dati storici: se da tale confronto emerge un’anomalia, l’elaboratore invia, tramite un’interfaccia web-based, una segnalazione alla centrale operativa della water utility indicando qual è l’area in cui è probabile la presenza di una perdita.
Ovviamente tale soluzione è smart, ma ha come svantaggio quello di effettuare esclusivamente la pre-localizzazione delle perdite.
Per quanto riguarda invece le soluzioni hardware based, al termine della fase di scouting sono state individuate 26 aziende, di cui 16 italiane e 10 straniere, che offrono un servizio di ricerca delle perdite.
Di esse 1 azienda offre solo soluzioni per la pre-localizzazione, 7 offrono solo soluzioni per la localizzazione e 18 offrono entrambi i tipi di soluzioni. In questo contesto sono stati ricavati due grafici (Figura 2.15 e Figura 2.16), uno relativo alle tecniche di pre-localizzazione e l’altro relativo a quelle di localizzazione, che riassumono il numero di soluzioni individuate per ciascuna tecnica, sia in Italia che all’estero:
Davide Pellegrino [23/146] Figura 2.15 – Tecniche di pre-localizzazione hardware-based in Italia e all’estero
Figura 2.16 – Tecniche di localizzazione hardware-based in Italia e all’estero
Come precedentemente specificato, tra tutte le soluzioni considerate ci si è concentrati sull’individuare quelle che risultano smart, ovvero tali da operare senza richiedere alcun intervento da parte di un operatore umano, se non ovviamente in fase di installazione e di manutenzione; in questo senso non sono state ritenute smart quelle soluzioni che, nonostante utilizzino sensori in grado di rilevare e comunicare in maniera automatica, necessitano di un’unità ricevente mobile trasportata a mano o montata su un veicolo. Per quanto riguarda le metodologie di pre-localizzazione hardware-based, le uniche
Davide Pellegrino [24/146] soluzioni smart individuate utilizzano la tecnica elettroacustica. In particolare esse sono 8
delle 22 individuate e tutte adoperano come sensori i noise loggers.
Per quanto riguarda invece le metodologie di localizzazione, le uniche soluzioni smart individuate utilizzano la tecnica della correlazione. In particolare esse sono 2 delle 20
individuate e, come sensori, vengono sempre adoperati dei noise loggers2.
Risulta evidente dunque che, per un servizio di rilevazione smart delle perdite che si basi sulle tecniche hardware based, la scelta dovrà ricadere sull’utilizzo dei noise logger in quanto sono gli unici predisposti a tale scopo.
In realtà esistono sul mercato anche delle soluzioni che presentano caratteristiche in comune sia con le software based, dato che utilizzando software di predizione per l’operazione di ricerca, sia con le hardware based, perchè sfruttano le rilevazioni effettuate da della sensoristica installata appositamente. Tali soluzioni prendono il nome di
ibride; esse effettuano sia la pre-localizzazione che la localizzazione della perdita ma
presentano diversi svantaggi in quanto soluzioni proprietarie. Infatti vengono utilizzati protocolli proprietari per la comunicazione tra sensori e centrale operativa, e questo non permette di affiancare tali soluzioni ad altri servizi che utilizzano standard differenti (ad esempio il water metering).
In riferimento ai protocolli di comunicazione, dall’analisi di mercato sopra riportata è emerso che, escludendo le soluzioni che adottano versioni proprietarie e che quindi non possono essere considerate ai fini del progetto, la maggior parte delle aziende propone sistemi di ricerca delle perdite basate sul protocollo WM-Bus (Wireless Metering-Bus). Queste considerazioni, supportate dal fatto che, come precedentemente detto, Telecom Italia è interessata allo sviluppo di soluzioni che sfruttino le proprietà di tale protocollo, ha portato ad utilizzare proprio il WM-Bus per lo scambio dei dati tra i sensori e la rete.
Di seguito verranno esposte le principali caratteristiche di tale protocollo al fine di fornire una trattazione esaustiva sull’argomento.
2.3.1 Protocollo Wireless M-Bus
Il protocollo Wireless M-Bus (WM-bus) è l’evoluzione radio dell’oramai consolidato M-bus (Metering bus). L’M-bus è lo Standard Europeo per il metering, ovvero la lettura da remoto dei meter (contatori) di energia, acqua e gas.
Il WM-bus è specificato nell’EN 13757-4 [8] ed è dedicato alla banda di frequenze ISM
(Industrial, Scientific and Medical) 169, 433 e 868 MHz.
Esso presenta uno stack protocollare nel quale figurano i soli layers 1, 2 e 7 della pila ISO/OSI (Figura 2.17).
Figura 2.17 – Stack protocollare WM-bus
2 Tali soluzioni fanno uso entrambe di sensori ZoneScan 820 che, come verrà esplicitato nel seguito, possono operare sia in modalità noise logger che in modalità correlazione.
Davide Pellegrino [25/146]
2.3.1.1 Modalità di funzionamento
Il protocollo prevede sei possibili modalità di scambio dati con i meter:
Mode T: Frequent Transmit;
Mode R2: Frequent Receive;
Mode S: Stationary;
Mode C: Compact;
Mode N: Narrowband VHF;
Mode F: Frequent receive and transmit.
2.3.1.1.1 Mode T
In questa modalità i meter inviano automaticamente i dati, periodicamente o stocasticamente. Il bit rate caratteristico della trasmissione dei dati dai meter verso altri dispositivi è di 100 Kbps, mentre la comunicazione nella direzione opposta è di 32.768 kbps.
Sono previsti due sottomodi:
Mode T1, per la comunicazione unidirezionale: in tal caso i meter non si
preoccupano della presenza o meno di ricevitori, ma inviano i dati e tornano nella modalità power-save senza attendere una risposta;
Mode T2, per la comunicazione bidirezionale: in tal caso i meter inviano i dati e, per
un breve intervallo di tempo successivo alla trasmissione, restano in attesa di un frame di risposta. Se non viene ricevuta alcuna risposta il meter torna nella modalità power-save, altrimenti viene instaurato un collegamento tra il meter ed il gateway.
2.3.1.1.2 Mode R2
Nel Mode R2 il meter non invia spontaneamente le informazioni. Esso si sveglia periodicamente in modalità di ricezione e attende di ricevere il frame di wake-up da parte del concentratore. Se tale frame non viene ricevuto il meter torna nella modalità di riposo, in caso contrario viene creato un collegamento tra meter e concentratore con bit rate di 4.8 kbps.
2.3.1.1.3 Mode S
Il bit rate di questo Mode è di 32,768 kbps. Esso prevede due sottomodi:
Mode S1, che opera esattamente come il Mode T1 ma usa un differente radio link;
Mode S2, che funziona in modo simile al Mode T2 ma con differente physical link.
2.3.1.1.4 Mode C
Questo Mode opera in modo simile al Mode T, ma usa un diverso schema di codifica (Non Return to Zero - NRZ). La comunicazione dai meter verso i concentratori avviene a 100 kbps, mentre nella direzione opposta si raggiungono i 50 kbps.
Anche in questo caso sono previsti due sottomodi:
Mode C1, per la comunicazione unidirezionale dai meter verso i concentratori;
Davide Pellegrino [26/146]
2.3.1.1.5 Mode N
Il Mode N usa la banda stretta a 169 MHz e prevede due sottomodi:
Mode N1,per le comunicazioni unidirezionali;
Mode N2, per le comunicazioni bidirezionali;
e prevede la definizione di diversi canali, ognuno con differenti bit rate e modulazioni.
2.3.1.1.6 Mode F
Il seguente modo è di tipo bidirezionale a 2,4 kbps alla frequenza di 433 MHz; la comunicazione può essere inizializzata sia dal meter (come nel Mode T2) che dal concentratore (usando un messaggio di wake-up in modo simile a come viene fatto nel Mode R2).
2.3.1.2 Formato dati
Per ciò che concerne il formato dei dati che vengono trasmessi lungo il collegamento radio tra meter e concentratori, la EN 13757-4 [8] prevede due differenti strutture di pacchetto, definite come formato A e formato B.
Il formato A prevede un frame strutturato come mostrato in Figura 2.18.
Figura 2.18 – Struttura frame Formato A
Il Preamble permette la sincronizzazione tra i devices trasmettitore e ricevitore, e la EN 13757-4 [8] impone un limite minimo alla sua lunghezza, in funzione dello specifico Mode:
Mode S: nel caso di preambolo corto la lunghezza è di 6 bytes, nel caso di
preambolo lungo la lunghezza è di 72 bytes;
Mode T: 6 bytes;
Mode R2: 12 bytes;
Mode C: 8 bytes;
Mode N: la lunghezza del preambolo dipende dalla modulazione (4 bytes per la
GFSK, 8 bytes per la 4GFSK);
Mode F: 12 bytes.
Per quanto riguarda la struttura di Block 1, Block 2 e Block n, essa è illustrata, rispettivamente, in Figura 2.19, Figura 2.20 e Figura 2.21,
Davide Pellegrino [27/146] Figura 2.20 – Struttura Block 2
Figura 2.21 – Struttura Block n dove Block 2 e Block n sono opzionali.
Un frame può essere costituito da più blocchi di tipologia n, ed il loro numero dipende dalla lunghezza del campo Data-field.
Il Postamble, infine, è una corta sequenza di bit che viene posta alla fine dei frame solamente nei Mode S, T e R2.
Per quanto riguarda il formato B, esso può essere opzionalmente adottato nei Mode C, N e F, ed i frame che utilizzano tale formato sono composti dai seguenti blocchi:
Figura 2.22 – Struttura frame Formato B
Il Preamble, come per il precedente formato, è necessario per la sincronizzazione tra trasmettitore e ricevitore; esso presenta una lunghezza di 8 byte per il Mode C, di 4 o 8 byte per il Mode N (in funzione della modulazione) e di 12 byte per il Mode F.
I blocchi successivi al Preamble (Block 1, Block 2 e Block 3) hanno la struttura illustrata in Figura 2.23, Figura 2.24 e Figura 2.25 rispettivamente.
Figura 2.23 – Struttura Block 1
Figura 2.24 – Struttura Block 2
Davide Pellegrino [28/146] I blocchi 2 e 3 sono opzionali mentre il blocco 3 è presente esclusivamente se la lunghezza del campo Data-field del Block 2 è più grande del numero di bytes disponibili. Il campo CRC del Block 2 è calcolato come concatenazione di Block 1 e Block 2.
2.3.1.3 Definizione dei campi dei frame
Indipendentemente dal formato in cui sono strutturati, nei frame sono presenti i seguenti campi:
L-field (Length field): indica la lunghezza del frame; la differenza tra il formato A ed
il B consiste nel fatto che nel primo questo campo non include la lunghezza del
CRC-field, mentre nel secondo la include;
C-field (Control field): indica la tipologia del contenuto informativo del blocco
(richiesta, invio, attesa di risposta, ACK, ecc.);
M-field (Manufacturer ID field): indica l’ID di fabbricazione del dispositivo che
procede con la trasmissione;
A-field (Address field): indica l’indirizzo del dispositivo che trasmette ed è composto
dall’identificativo (4 byte), version code (1 byte) e device type code (1 byte);
CI-field (Control Information field): contiene la Control Information che specifica il
tipo di protocollo usato nel livello superiore;
CRC-field: è il Cyclic Redundancy Check.
Il Wireless M-bus usa una trasmissione di tipo unbalanced (definita nella IEC 60870-5-2), dove cioè solo il dispositivo primario può avviare la comunicazione.
Un’ulteriore dettaglio è presente per il C-field, che viene descritto di seguito:
Figura 2.26 – Struttura C-field
All’interno di questa struttura i bit 4 e 5 dipendono dal valore del bit 6 (PRM): quando il PRM è settato ad 1, i bit 4 e 5 sono interpretati come i campi FCV (Frame Count Valid) e
FCB (Frame Count Bit), rispettivamente, altrimenti gli stessi bit trasportanoi campi DFC (Data Flow Control) e ACD (ACcess Demand).
In particolare:
RES: è un bit riservato e dovrebbe essere posto a 0;
PRM: indica se il frame viene inviato dalla stazione primaria alla secondaria (quando è posto ad 1) o viceversa (quando è settato ad 0); il ruolo dei meter e dei concentratori come stazioni primarie o secondarie viene definito dalla specifica applicazione;
FCB: permette di rilevare la duplicazione dei frame;
FCV:indica se nei frame inviati dalla stazione primaria è adottato il meccanismo di rilevamento di duplicazione (quando è posto ad 1) o meno (quando è posto a 0).
Davide Pellegrino [29/146]
ACD: se settato ad 1, indica che i dati disponibili alla stazione secondaria hanno alta priorità, e potrebbero essere richiesti dalla stazione primaria;
DFC: se posto ad 1, segnala che la stazione secondaria non è disponibile per la ricezione di frame inviati dalla stazione primaria; questo bit può quindi essere usato come meccanismo di controllo del flusso di dati, permettendo di prevenire fenomeni di overflow sulla stazione secondaria;
Function: contiene un codice che identifica la tipologia di frame inviato; esso varia in funzione della direzione di comunicazione (dalla stazione primaria alla secondaria o viceversa).
2.3.1.3.1 Extended Link Layer
Quando il campo CI assume valori quali 0x8C, 0x8D, 0x8E o 0x8F, il primo byte del
Data-field contiene un extended link layer, che è seguito da un altro CI-Data-field e da un application data.
Il formato dell’extended link layer dipende perciò dal valore presente nel campo CI. Nello specifico, quando il valore di CI è 0x8C, il formato è il seguente:
Figura 2.27 – Formato Extended Link Layer per CI-field è pari a 0x8C Nel caso in cui CI vale 0x8D, il formato è:
Figura 2.28 – Formato Extended Link Layer per CI-field pari a 0x8D Se CI è settato a 0x8E, si avrà il seguente formato:
Figura 2.29 – Formato Extended Link Layer per CI-field pari a 0x8E Infine, se CI presenta il valore 0x8F, il formato sarà:
Figura 2.30 – Formato Extended Link Layer per CI-field pari a 0x8F
In tutti i precedenti formati, il campo CC è il Communication Control field ed è strutturato come mostrato di seguito:
Davide Pellegrino [30/146] Figura 2.31 – Formato campo CC
dove, nel dettaglio, i singoli campi indicano:
B-field: quando posto ad 1, indica che il dispositivo che invia implementa una comunicazione bidirezionale;
D-field: controlla il ritardo della risposta, ed indica se è richiesta una risposta veloce (D-field settato) o lenta (D-field a zero);
S-field: se posto ad 1, indica che il frame è sincronizzato;
H-field: se settato ad 1, sta a significare che il frame ha subito ritrasmissioni da parte dei ripetitori;
P-field: se settato ad 1, rappresenta una alta priorità per il frame;
A-field (Accessibility field): è usato in combinazione con il B-field per indicare quando un meter si attiva in ricezione radio dopo aver trasmesso un frame;
R-field (Repeater Access field): è usato dai ripetitori in accordo con quanto previsto dalla EN 13757-5.
Il campo ACC è il numero di accesso ed è usato per rilevare frame duplicati e associare al frame un identificativo di richiesta o risposta.
I campi M2 ed A2 sono usati quando il campo CI assume i valori 0x8E e 0x8F, tipicamente per la trasmissione da un concentratore ad un meter, ed indicano il Manufacturer ID e Address del nodo destinatario del frame. I formati dei campi M2 ed A2 sono rispettivamente gli stessi dell’M-field ed A-field.
Il campo SN (Session Number) è composto da 4 bytes come mostrato in Figura 2.32:
Figura 2.32 – Formato campo SN
ENC-field: specifica il metodo di criptaggio; con bit posto a 0 si indica assenza di criptaggio, mentre quando assume valore 1 sta a significare che è stato applicato il metodo di criptaggio AES-128; altri possibili valori sono riservati per utilizzi futuri. Se è stato implementato l’AES-128 Counter Code, i rimanenti byte del frame, a partire dal PayloadCRC incluso (ma escludendo i campi CRC), saranno criptati;
Time-field: è un contatore di minuti ed è usato insieme al Session–field per accertarsi che la trasmissione criptata sia protetta dai replay attack;
Session-field: è un indice zero-based della sessione di comunicazione i cui valori si riferiscono al minuto indicato dal Time-field.
Il PayloadCRC, infine, è un codice necessario per effettuare il controllo a ridondanza ciclica sulla parte rimanente del frame (escluso il CRC-field).
2.3.1.3.2 Data Header
Davide Pellegrino [31/146] del Data-field deve contenere il Data Header in funzione del valore del campo CI.
Sono definiti due tipi di Data Header:
Corto: è adottato quando il CI-field assume uno dei valori 0x5A, 0x61, 0x65, 0x6A, 0x6E, 0x74, 0x7A, 0x7B, 0x7D, 0x7F e 0x8A; il suo formato è illustrato in Figura 2.33.
Figura 2.33 – Formato Data Header di tipo corto
Lungo: è inserito quando il CI-field assume i valori 0x5B, 0x60, 0x64, 0x6B, 0x6D, 0x6F, 0x72, 0x75, 0x7E, 0x80, 0x84, 0x85; è strutturato come mostrato in Figura 2.34.
Figura 2.34 – Formato Data Header di tipo lungo Dove i singoli campi sono:
Identification Number: rappresenta l’unico identificativo del dispositivo, codificato come 8 digits BCD;
Manufacturer ID: è l’identificativo di fabbricazione del dispositivo;
Version: specifica il numero di versione dell’apparato;
Device Type: esprime le specifiche funzionali del dispositivo;
ACC: è il numero di accesso ed è usato per rilevare frame duplicati e associare al frame un identificativo di richiesta o risposta;
STS: è il byte di stato e simboleggia se il frame è stato inviato dal meter o dal concentratore;
Conf: è la parola di configurazione, il cui scopo principale è quello di indicare il metodo di criptaggio adottato nel frame.
Davide Pellegrino [32/146]
3 TI-LeD Telecom Italia Leak Detection
A valle dell’analisi sui servizi di Smart Leak Detection sopra descritti, è emerso che le metodologie più diffuse per la ricerca delle perdite occulte sulla rete idrica sono quelle di tipo hardware-based, in quanto rispetto alle software-based consentono un maggior grado di dettaglio nell’identificazione del punto della perdita. Esse principalmente utilizzano dei noise loggers posizionati in punti specifici lungo le condotte
Questi sensori implementano la tecnica elettroacustica, basata sul principio per cui l'acqua che fuoriesce da una condotta in pressione genera un rumore che si propaga lungo la rete idrica. Tale rumore viene rilevato e registrato in maniera completamente automatica dai noise loggers che, analizzandolo e filtrandolo da altri rumori di fondo, sono in grado di rilevare una perdita. In particolare, operando a coppie in “modalità correlazione”, essi consentono di localizzare la posizione di una perdita con la precisione
di 1 m[9].
Il principale vantaggio offerto dai noise loggers è la loro facilità di installazione; essi infatti, vanno apposti magneticamente sugli elementi metallici presenti su una qualsiasi rete idrica (valvole, saracinesche o idranti). Ciò consente di applicarli senza effettuare modifiche alla rete e quindi li rende adatti ad ogni infrastruttura preesistente. Inoltre, già attualmente, sono disponibili noise loggers che offrono un canale di comunicazione
bidirezionale attraverso il quale possono essere attivati o programmati da remoto [9] [10].
L’insieme di questi motivi ne ha determinato la diffusione sul mercato, nonché la scelta ai fini dello sviluppo del servizio di Smart Leak Detection commissionato da Telecom Italia. Il servizio è stato così denominato TI-LeD (Telecom Italia - Leak Detection); il principio di funzionamento generale si basa sull’organizzazione dei sensori in una struttura a doppia
maglia, il cui scopo è quello di garantire un doppio grado di precisione nella rilevazione di
una perdita (pre-localizzazione e localizzazione).
Figura 3.1 – Logo del servizio TI-LeD
Nell’architettura TI-LeD, i noise loggers comunicano mediante protocollo WM-bus con una Capillary Network di gateway afferente ad un server Telecom Italia. Tutto ciò permette, attraverso una mobile app o un’interfaccia web, di realizzare un sistema di monitoraggio
Davide Pellegrino [33/146] della rete idrica per la ricerca delle perdite occulte, da offrire direttamente alle water
utilities.
Nei capitoli successivi verrà descritto in maniera dettagliata il servizio proposto con i relativi driver di progetto. Inoltre verrà presentata un’applicazione in un caso reale del servizio, precisamente a San Vito lo Capo (TP), esaminando gli elementi necessari per la sua realizzazione. Infine verrà esposta la fase di progettazione della piattaforma software per la gestione delle informazioni provenienti dai sensori.
3.1 Descrizione del servizio
Il servizio TI-LeD si basa su di una rete di noise loggers, disposti lungo la rete idrica di distribuzione, secondo un’architettura a doppia maglia (Figura 3.2).
Figura 3.2 – Architettura del servizio a doppia maglia: maglia larga (blu) e maglia stretta (bianca) Nello specifico, come osservabile in figura, saranno realizzate una “maglia larga” (dispositivi in blu) costituita da noise loggers atti al monitoraggio real-time della rete idrica, ed una “maglia stretta” (dispositivi bianchi), composta anch’essa da noise loggers che operano in modalità “correlazione” .
La “maglia larga” permetterà di effettuare la pre-localizzazione, in quanto i dispositivi saranno posizionati a distanze tali da permettere di individuare solamente un’area circoscritta della possibile perdita. Invece, la “maglia stretta”, attivata all’evenienza dalla centrale operativa dell’utility, permetterà di effettuare la localizzazione del preciso punto di perdita.
Per implementare il servizio TI-LeD la prima operazione da eseguire è la configurazione dei
noise loggers, ed in particolare per ciascun sensore occorre assegnare un ID univoco,
localizzarlo tramite coordinate GPS e definire gli intervalli e la frequenza di campionamento. A questo punto i sensori vengono posizionati all’interno dei pozzetti lungo la rete di distribuzione come esposto nel paragrafo 3.1.1.
Quindi si deve procedere con la configurazione della maglia larga e della maglia stretta, ma per questa operazione si rimanda al paragrafo 3.1.2 in cui è stata approfonditamente descritta la logica della doppia maglia ideata.
Una volta che i noise loggers sono stati installati saranno “attivi” durante gli intervalli di misura programmati dall’utente o quando abilitati da remoto (relativamente ai sensori della maglia stretta), rimanendo per il restante tempo nella modalità di risparmio
