3.1 A EAL T IME C ONTROL RTC) (R ONITORAGGIO E CONTROLLO IN TEMPO REALE DELLE RETI DI DRENAGGIO URBANO C APITOLO 3 M

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C

APITOLO

3

M

ONITORAGGIO E CONTROLLO IN TEMPO REALE

DELLE RETI DI DRENAGGIO URBANO

(R

EAL

T

IME

C

ONTROL

RTC)

3.1

A

In seguito alla crescente urbanizzazione e industrializzazione, le reti di drenaggio urbano risultano spesso inadeguate anche dopo pochi anni dalla loro realizzazione, dando origine a fenomeni di allagamento sempre più gravi e frequenti. A fianco di questo problema si sta inoltre diffondendo anche quello dell’inquinamento dei corpi idrici ricettori, dovuto all’ inadeguatezza degli scaricatori di piena.

Tali problemi sono stati quasi sempre affrontati attraverso una riprogettazione delle reti e un adeguamento sia della sezione dei collettori che degli scaricatori di piena alle maggiori portate che ad essi pervengono.

Questo tipo di soluzione non è però sempre praticabile, sia per l’elevata quantità di risorse economiche che richiede, sia per la difficoltà di reperire gli spazi sotterranei necessari a contenere i nuovi manufatti soprattutto nelle zone centrali delle città storiche come Volterra.

Recentemente si sta diffondendo, soprattutto all’estero, un nuovo modo di affrontare questi problemi, basato sul controllo e la gestione ottimale della rete.

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3.2

T

Il monitoraggio in tempo reale di una rete di drenaggio consiste nell’insieme delle strumentazioni che permettono l’acquisizione e l’elaborazione delle informazioni sullo stato del sistema contemporaneamente all’evolversi di un evento meteorico. Se inoltre si dispone di strumenti in grado di intervenire sugli organi di regolazione della rete in modo da ottimizzarne il comportamento in funzione dell’evento che si sta manifestando, si dice che la rete è controllata in tempo

reale.

Un sistema di controllo in tempo reale può essere più o meno spinto ed in genere è possibile distinguere le seguenti tipologie:

a) Controllo locale a soglia costante: In questo tipo di controllo, le

informazioni provenienti dagli strumenti di misura e le regolazioni degli organi mobili, vengono effettuate localmente senza essere trasmesse ad un’unità operativa centrale e senza essere coordinati tra di loro. La regolazione degli organi mobili è finalizzata a mantenere costante il valore di una qualsivoglia grandezza o soglia (livello, portata ecc.), la quale viene stabilita dal gestore della rete e non può essere modificata nel corso di un determinato evento.

b) Controllo locale a soglia variabile: Questo tipo di controllo rappresenta lo

step successivo al precedente, e consente di variare il valore delle grandezze da controllare, nel corso di un determinato evento, in funzione di misure locali dello stato della rete.

c) Controllo centralizzato: In questo tipo di controllo, i dati acquisiti in

tempo reale dagli strumenti di misura disposti sull’intera rete vengono inviati ad una centrale operativa, dalla quale è quindi possibile avere una visione d’insieme della risposta del sistema ad un dato evento in corso. Sulla base delle informazioni provenienti alla centrale operativa, vengono inviati i comandi agli organi di regolazione in tempo reale. La decisione su quali siano le regolazioni da effettuarsi, può essere affidata ad un

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operatore che, avendo la visione globale del sistema, agisce in base alla prioria esperienza, oppure può essere affidata ad un software opportunamente programmato, il quale, elaborando i dati di input forniti dagli strumenti di misura, decide quali siano i comandi da inviare ai vari organi di regolazione senza alcun intervento umano.

d) Controllo ottimale del sistema con previsione in tempo reale: In Questo

tipo di controllo, le scelte sui comandi da inviare agli organi di regolazione, sono basate, oltre che sui dati acquisiti dagli strumenti di misura dislocati nei punti nevralgici della rete, anche sulla previsione con un certo anticipo, di come si andrà evolvendo l’evento meteorico in atto. Alla centrale operativa verranno quindi inviati dati di afflusso come dati pluviografici o misure radar, che verranno elaborati unitamente a quelli che individuano lo stato attuale del sistema. Le decisioni sugli interventi da effettuare sono prese in funzione dei risultati ottenuti dai modelli di

simulazione in tempo reale che sono in grado di riprodurre il

comportamento della rete con un certo anticipo, oppure dal confronto dell’evento in atto con una banca dati di eventi di cui è già stata elaborata la procedura di gestione ottimale (sistema esperto). La previsione dell’evoluzione dell’evento è un fattore molto importante, infatti l’ottimizzazione basata solo sullo stato della rete può risultare in alcuni casi addirittura controproducente; a tal proposito si pensi al caso in cui si verifica un nuovo evento meteorico quando, a causa dell’ottimizzazione dell’evento precedente, la rete si trova in condizioni di massimo invaso. Le modalità di controllo a) b) e c) sono dette reattive in quanto reagiscono a modificazioni dello stato della rete già avvenute. La modalità di controllo d) è detta predittiva perché è in grado di predisporre in modo ottimale la rete all’evento che ci si aspetta che si verifichi.

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3.3

A

’

RTC

Gli strumenti necessari per l’attuazione del controllo in tempo reale sono:

¾ I sensori: Sono strumenti in grado di registrare con continuità la grandezza da misurare come per esempio i misuratori di portata e i misuratori di livello. Devono soddisfare ad alcuni requisiti particolari come ad esempio:

- Ampio campo di misura;

- Possibilità di operare con sufficiente precisione anche in condizioni particolarmente avverse;

- Affidabilità, robustezza e resistenza agli agenti chimici e meccanici.

¾ Regolatori: Sono organi in grado di modificare il processo in atto, come per esempio le paratoie mobili, le pompe, le valvole, sbarramenti gonfiabili, sifoni regolati ad aria, soglie mobili ecc.. I requisiti fondamentali di tali organi sono:

- In caso di avaria, il regolatore deve disporsi automaticamente in posizione di sicurezza;

- Affidabilità, robustezza e resistenza agli agenti chimici e meccanici;

- Possibilità di regolazione manuale oltre che automatica; - Facilità di manutenzione e sostituzione.

¾ Unità di controllo: Consiste in un servomeccanismo meccanico o elettromeccanico in grado di comandare il regolatore in modo da ricondurre la variabile da controllare al valore di soglia prestabilito.

¾ Trasduttore: Apparecchio che mette in comunicazione l’unità di controllo con il sensore o con la centrale operativa.

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3.4

I

L’inserimento e lo sviluppo dell’ RTC all’interno di una rete esistente comporta necessariamente anche l’introduzione di costi e rischi talvolta non trascurabili, ma è sicuramente il modo migliore per sfruttarne al massimo le potenzialità.

Come già accennato, gli scopi per cui può risultare utile l’utilizzo di un controllo in tempo reale sono essenzialmente:

- ridurre gli allagamenti,

- ridurre i carichi inquinanti riversati nell’ambiente,

- ridurre i costi associati agli interventi riabilitativi in seguito ad allagamenti e inquinamento.

La tecnologia relativa all’RTC viene ormai sviluppata da diversi anni, questo significa che non può essere ignorata dai gestori delle reti di drenaggio.

L’introduzione ottimale di un sistema di controllo in tempo reale in una rete consiste essenzialmente in 4 fasi, precedute da una fase preliminare di approccio, atta a valutare le aree della rete più adatte alla graduale installazione degli strumenti per l’RTC.

Gli obbiettivi a cui sono finalizzate le 4 fasi sono:

- ricercare la soluzione che comporti i minori costi e i minori rischi,

- permettere al gestore di iniziare l’ottimizzazione della rete senza una particolare strategia di partenza,

- fornire un modello base di monitoraggio che possa essere facilmente affinato nelle fasi successive.

FASE 1: COSTRUZIONE DI UN MODELLO E STUDIO DELL’AREA DI DRENAGGIO

Obbiettivi: La costruzione di un modello fornisce al gestore la conoscenza delle prestazioni della rete;

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Tecnologia necessaria: Lo studio di un area di drenaggio viene effettuata mediante i modelli idraulici di simulazione attualmente disponibili (MOUSE, SWMM ecc.) utilizzando i dati raccolti in brevi periodi di tempo attraverso strumenti semplici (per esempio misuratori di portata mobili);

Costi: Il costo per nodo in questo studio preliminare è relativamente basso;

Rischi: Questo tipo di studio presenta dei rischi elevati solamente se viene usato come base per il progetto di nuove opere o comunque per tutto ciò che comporta spese consistenti. Se lo studio è invece finalizzato ad una valutazione della rete, i rischi sono bassi e i margini di errore accettati sono alti.

FASE 2:MONITORAGGIO A LUNGO TERMINE

Obbiettivi:

- Ottimizzazione della rete: Misure di portata e di livello nei punti chiave della rete per lunghi periodi di tempo permettono al gestore di effettuare le seguenti modifiche per ottimizzare il sistema:

- Rimuovere i “colli di bottiglia” – Gli allagamenti e la crisi di una rete sono molto spesso causati da colli di bottiglia, che possono essere fissi o mobili. Questi possono essere dovuti a intasamenti, variazioni del diametro dei collettori, rottura dei collettori, malfunzionamento di macchinari, come per esempio pompe o paratoie ecc. Queste limitazioni della capacità della rete possono essere individuate attraverso un monitoraggio continuo.

- Individuazione e riduzione delle infiltrazioni – Le infiltrazioni da parte delle acque di falda, in alcuni casi, possono raggiungere e superare il 50% della portata annua di una rete fognaria. Queste acque chiare riducono la capacità dei collettori, delle pompe e degli impianti di depurazione.

- Realizzazione di piccoli interventi – La realizzazione di piccole modifiche nelle strutture di una rete di drenaggio, se effettuate senza la conoscenza della stessa, derivante da un lungo periodo di

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monitoraggio, possono talvolta dare origine a fenomeni di crisi, come per esempio allagamenti, del tutto inaspettati.

- Affinamento del modello;

- Sviluppo e test di nuovi scenari – L’affinamento del modello e i riscontri generati da un monitoraggio a lungo termine possono essere utilizzati per approcci più costosi e rischiosi. Questo potrebbe consistere per esempio nell’identificazione di nuovi punti su cui estendere il controllo.

- Miglioramento della gestione:- Il monitoraggio a lungo termine è considerato da molti gestori di reti di drenaggio urbano come la chiave per il miglioramento della gestione. Questo concetto deriva anche dall’esperienza della gestione di altri tipi di rete (come oleodotti, gasdotti e acquedotti).

In questa fase si ha il monitoraggio a lungo termine delle prestazioni di alcuni punti chiave della rete e l’affinamento del modello.

Il monitoraggio a lungo termine sfrutta in genere una tecnica di registrazione e invio dei dati di tipo telematico. I punti di monitoraggio comprenderanno i collettori principali della rete, i punti critici già noti e altri manufatti come per esempio vasche di prima pioggia già esistenti; tali punti verranno inizialmente individuati in base all’esperienza degli operatori ed alla configurazione della rete. Il periodo di monitoraggio di detti siti può essere di diversi anni ed in molti casi questi diventeranno siti di monitoraggio permanente. In questo modo il modello di simulazione diverrà un “modello vivo” cioè continuamente affinato sviluppato e verificato in base ai dati registrati.

Tecnologia: La tecnologia necessaria in questa seconda fase supera quella descritta nella prima fase. Il monitoraggio a lungo termine richiede infatti alcune caratteristiche non necessarie nella fase iniziale di studio, come per esempio:

- Telelettura – La lettura dei dati tramite un operatore sarebbe molto costosa e talvolta impraticabile. Il trasferimento dei dati in maniera telematica (per esempio tramite linea telefonica) ha dei costi senza dubbio più bassi, garantendo allo stesso tempo standard elevati in termini di efficienza e di acquisizione in tempo reale.

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- Bassa manutenzione - La strumentazione deve essere robusta e richiedere poca energia. I sensori devono essere piccoli e non intrusivi.

- Adattabilità - Dovranno essere usate le strutture esistenti, evitando di realizzare nuovi locali.

- Automazione - Raccolta dati, archiviazione e trasferimento dovranno essere effettuati in maniera automatica senza l’intervento di un operatore.

Il monitoraggio a lungo termine può inoltre comportare un lavoro di indagine atto alla risoluzione di particolari anomalie che nella prima fase vengono risolte forzando alcuni parametri durante la costruzione del modello.

Costi: Il costo per un monitoraggio a lungo termine può essere significativamente più alto rispetto a quello associato ad uno studio preliminare (fase 1)

I costi aggiuntivi trovano però giustificazione nel risparmio sui costi di gestione e manutenzione della rete che si possono ottenere in questa fase.

Tutti gli investimenti e tutte le tecnologie messe in pratica in questa fase possono essere ammortizzate nel tempo; questi possono essere considerati come un capitale investito, in seguito infatti, le misurazioni e le modellazioni potranno essere sfruttate nel controllo in tempo reale.

Rischi: I rischi nel monitoraggio a lungo termine sono limitati. Le modifiche alla rete sono minime e basate su una profonda conoscenza della risposta del sistema. I sistemi di monitoraggio utilizzati sono flessibili, gli strumenti possono essere facilmente rimossi e ricollocati e possono inoltre essere utilizzati successivamente nel sistema di RTC.

Questa seconda fase può essere vista come necessaria per ridurre i rischi delle fasi successive e soprattutto serve a pianificare la strategia necessaria per introdurre L’RTC.

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FASE 3:ACQUISIZIONE DEI DATI IN TEMPO REALE

Obbiettivi: In questa fase, si utilizzano i dati acquisiti in tempo reale per testare e migliorare la strategia per l’RTC, in funzione dei risultati ottenuti da test effettuati sotto varie condizioni di flusso. Di tali dati viene inoltre verificata l’attendibilità e vengono inseriti in modelli diversi per vedere quale sia quello che meglio simula la situazione reale.

Il monitoraggio in tempo reale sarà effettuato solo sui punti più critici della rete; le stazioni di acquisizione dei dati in tempo reale sono in genere solo una frazione di quelli di monitoraggio a lungo termine.

Tecnologia: La strumentazione utilizzata in questa fase necessita dei seguenti requisiti:

- Collegamento alla rete elettrica;

- Necessità di realizzare locali o recinzioni per gli strumenti, laddove non sia possibile installarli nelle strutture esistenti;

- Sistemi di trasmissione dei dati in tempo reale (attraverso linee telefoniche, radiotrasmittenti, ecc.);

- Centrale di elaborazione dei dati acquisiti in tempo reale;

- Software (SCADA = Supervisory Control And Data Acquisition) per l’elaborazione dei dati.

Costi: Ognuno dei requisiti sopra riportati va ad incrementare significativamente i costi rispetto alla fase 2.

Rischi: I rischi sono superiori rispetto alla fase 2, essenzialmente a causa della ridotta flessibilità. Bisogna comunque tener presente che in questa fase si riducono i rischi nella fase successiva.

FASE 4:CONTROLLO IN TEMPO REALE

Obbiettivi: In questa fase si realizza il progetto elaborato nelle fasi precedenti, gli obbiettivi sono quelli già citati all’inizio e cioè: ridurre gli allagamenti, ridurre gli inquinanti, ridurre i costi degli interventi riabilitativi.

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Tecnologia: La strumentazione e il software possono essere modificati con l’aggiunta dei seguenti elementi:

- Controllo a distanza degli strumenti di acquisizione dei dati;

- Controllo a distanza degli strumenti di regolazione (paratoie, sbarramenti, valvole, pompe ecc.);

Costi: I costi sono considerevoli in funzione del numero di installazioni necessarie.

Rischi: Il monitoraggio in tempo reale è adottato proprio per ridurre i rischi di crisi della rete. Se non sono stati commessi errori nelle fasi precedenti (valutazioni errate, errori nell’acquisizione di dati ecc.) i rischi sono bassi e possono essere ulteriormente ridotti pianificando sistemi di intervento atti a prevenire gli allagamenti e in generale la crisi della rete.

Una volta ultimate le 4 fasi ed entrato “a regime” il sistema, è possibile distinguere i seguenti elementi:

Gli obbiettivi del sistema dovranno essere chiaramente concordati tra tutti i gestori interessati, sulla base di un approccio integrato al sistema idrico. Tali obbiettivi dovranno essere ottimizzati in funzione dei dati raccolti dagli strumenti di misura. In base a tale ottimizzazione, il processore centrale implementerà una serie di comandi che invierà ai processori periferici, i quali li applicheranno agli strumenti di regolazione.

Gli strumenti di misura registreranno gli effetti che le regolazioni hanno avuto sulla rete ed invieranno di nuovo i dati al processore centrale dal quale ricomincia la routine.

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Ovviamente il tipo e la densità degli strumenti di misura dovrà essere pianificata attentamente.

ESEMPIO PRATICO

La figura 3.1 illustra una possibile organizzazione di un sistema RTC applicato in numerosi casi1.

fig.3.1 – Schema di funzionamento di un sistema di controllo in tempo reale (da Nelsen et al.)

Nel centro elaborazione dati, il funzionamento del sistema viene monitorato attraverso un software SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition ) che permette inoltre all’ operatore di controllare ed intervenire manualmente sugli strumenti di regolazione (pompe, paratoie, valvole, ecc..) nel caso, per esempio, di eventi eccezionali. Un sistema decisionale (BeSys) si occupa di dirigere le

1

Nelsen A.J.M. , Broks C.A. (1996) – Real time Control of Urban Drainage System: The State of the art in the Netherlands – 7th International Conference on Urban Storm Drainage – ICUSD -Hannover, Germany – pag.100

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operazioni in base alla strategia scelta ed in base ai dati monitorati dagli strumenti di acquisizione (pluviometri, misuratori di livello, misuratori di portata, ecc.). Il Central PLC (Programmable Logic Controller) si occupa della gestione dei dati di input/output, quindi della comunicazione tra i vari sistemi.

Infine gli HOA (Host Operation Actuators) manovrano gli strumenti di regolazione in base alle istruzioni ricevute da SCADA o da BeSys.

3.5

L

Recentemente, oltre alla modellazione del comportamento di una rete in seguito ad un dato evento di pioggia, i dati monitorati dai sistemi di controllo hanno reso possibile anche la valutazione del livello prestazionale della rete stessa, permettendo di individuare gli interventi che ne innalzino l’efficienza.

A tal fine sono stati introdotti degli indicatori di prestazione (PI dall’inglese Performance Indicators) in grado di rappresentare il livello di servizio degli elementi della rete di drenaggio, i cui valori vengono assegnati in base all’elaborazione di dati relativi ad episodi d’insufficienza del sistema ricavati da un monitoraggio di lungo termine, oppure in base ai risultati ottenuti dalla simulazione di un prefissato evento di progetto.

Gli indicatori di prestazione fanno riferimento agli elementi più critici di una rete quali per esempio:

- Il tirante idrico sulla superficie stradale in caso di allagamento; - la frequenza dei sovraccarichi della rete;

- il volume idrico coinvolto negli allagamenti; - il massimo grado di riempimento di un pozzetto; - ecc.

Una volta definiti gli indicatori necessari ai fini dell’analisi, ad ognuno di essi viene associata un’adeguata curva di penalità che consente di quantificare la

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prestazione del singolo elemento della rete. Tale curva traduce in termini di prestazione il livello di servizio dell’elemento, e varia tra le condizioni di “servizio nullo” e “servizio ottimo”. Ad ogni indicatore viene inoltre assegnato un “peso”.

La procedura di costruzione delle curve di penalità e di assegnazione dei pesi viene fatta dall’operatore in base alla propria personale percezione del funzionamento del sistema, in relazione alla sua esperienza, nonché alle caratteristiche ed al contesto in cui il sistema stesso si trova ad operare.

È quindi evidente che i risultati dell’analisi prestazionale della rete non hanno un valore “oggettivo” ma dipendono dalle scelte fatte dall’operatore. Questo potrebbe portare a ritenere scarsamente utile un’analisi di questo tipo, in realtà invece la sua utilità è notevole se finalizzata ad una comparazione tra differenti scenari di funzionamento del medesimo sistema a parità di condizioni assunte per l’analisi. È possibile anche confrontare la prestazione di due diverse reti, a condizione però che le curve di penalità ed i pesi degli indicatori di prestazioni siano gli stessi. Va inoltre aggiunto che, al fine di ottenere una curva di penalità verosimile con il funzionamento degli elementi della rete, è indispensabile far riferimento ad un database affidabile di dati, ottenuti da un monitoraggio a lungo termine.

A titolo di esempio in fig.3.22 si riportano tre curve di penalità relative al PI=massimo grado di riempimento di un pozzetto, tracciate da tre diversi operatori:

fig.3.2 – ( da Notaro et al., 2006)

2

Notaro et al. (2006) – Affidabilità dell’analisi prestazionale di un sistema di drenaggio urbano – XXX° Convegno di Idraulica e Costruzioni Idrauliche – IDRA 2006 – pag.3

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Una volta definite le curve di penalità e stabilito l’evento da considerare (reale o di progetto), si giunge alla valutazione globale della prestazione della rete attraverso un’opportuna funzione come per esempio una media pesata dei singoli PI.