Abordagem computacional prevê operação conjunta de válvulas e bombas
Com o objetivo de maximizar a eficiência hidroenergética dos sistemas de distribuição de água nas cidades, tese desenvolvida pelo engenheiro civil Bruno Melo Brentan no Departamento de Recursos Hídricos da Faculdade de Engenharia Civil, Arquitetura e Urbanismo (FEC) da Unicamp, apresenta uma abordagem computacional para definição do chamado controle ótimo. O estudo mostra os benefícios da operação conjunta de válvulas e bombas, sobretudo quando feita em tempo real, garantindo o pronto atendimento das demandas com a máxima eficiência possível. A pesquisa foi orientada pelo professor Edevar Luvizotto Junior.
Hoje as cidades dispõem de um sistema de abastecimento que conduz a água dos mananciais para as estações de tratamento e, destas, através de adutoras, para os reservatórios que abastecem os consumidores através de uma complexa rede de tubulações. Este processo demanda energia no bombeamento com pressão necessária para que fluido atinja os reservatórios. É fácil imaginar que a pressão de trabalho da rede não precise ser necessariamente constante ao longo do dia, mas deve atender aos limites máximos e mínimos estabelecidos por normas para garantir as vazões demandadas.
O controle da pressão, além de possibilitar a economia de energia, minimiza a perda por vazamentos. Com as bombas de recalque acionadas de acordo com as necessidades das pressões variáveis ao longo do dia, garante-se a maximização de recursos energéticos. Por outro lado, pressões desnecessariamente altas nos períodos de menor consumo aceleram as perdas de água, pois se sabe que as redes de abastecimento subterrâneas, em decorrência do cansaço dos materiais e de outros fatores, apresentam pequenos vazamentos dificilmente localizáveis.
A abordagem utiliza ferramentas de previsão de demanda de água e aperfeiçoa rotinas operacionais buscando o mínimo consumo energético e a máxima eficiência hidráulica. Para tanto apresenta a avaliação de modelos de previsão de demanda baseados em aprendizado de máquinas e análise de séries temporais.
Abastecimento das cidades
Na antiguidade quase todas as civilizações construíram aquedutos para abastecimento das cidades, mas foram em Roma que eles atingiram desenvolvimento extraordinário e, à medida que o Império Romano se expandia, essas construções o acompanhavam. O que sobrou dessas maravilhas arquitetônicas pode ser apreciado até hoje na Itália, França, Espanha, Portugal, Ásia, África. Os aquedutos eram projetados para conduzir a água por gravidade por quilômetros de desníveis minuciosamente calculados.
O abastecimento de água de cidades do porte de Campinas e São Paulo é garantido por sistemas complexos que são operados por centrais de comando a partir das quais se controlam bombas e válvulas. Para realizar as manobras necessárias, os técnicos valem-se do histórico de vazão e das experiências acumuladas, apoiando-se em informações enviadas por sensores que indicam as pressões nas adutoras e o nível dos reservatórios. Nas cidades menores, que empregam sistemas mais antigos, a medida das pressões e dos níveis dos reservatórios é executada diretamente por funcionários. Nos dois casos, a partir dos dados disponíveis, são tomadas as decisões apoiadas nas experiências dos operadores, para garantir o abastecimento adequado.
Nesses procedimentos, as informações recebidas acabam sendo muito pouco exploradas por falta de um sistema para interpretá-las. Elas se mostrariam particularmente importantes nas situações imprevistas, como a de um grande vazamento, quando o próprio operador é afetado emocionalmente e nem sempre toma as decisões mais adequadas a uma situação de emergência. Para maximizar a utilização das informações disponíveis e realizar previsões de demanda e controle ótimo em tempo real, não é difícil imaginar que a tendência seja a utilização de sistemas computacionais nessas operações.
Programas e banco de dados
Com base em todas as informações que o sistema pode gerar e em banco de dados historicamente acumulado e com o auxílio de vários programas computacionais, especificamente criados, foi possível, através de vários softwares que conversam entre si, chegar a um programa inteligente, que permite previsões das demandas e realização do controle ótimo em tempo real. Cabe então ao operador, apoiado agora nas soluções sugeridas pelo sistema computacional, tomar as decisões com mais segurança e eficiência.
Estudos de casos realizados pelo pesquisador indicam uma redução de até 50% no consumo de energia, quando comparados com sistemas sem nenhum controle ou operados com base na experiência. A propósito, Bruno acrescenta: “Ainda não chegamos a implementar o controle automático nas válvulas, mas já geramos uma série de operações que orientam os operadores na tomada das decisões mais acertadas, que levam à redução do consumo de energia e à diminuição das perdas com controle das pressões ao longo do dia”.
Para o autor, o trabalho tem particular importância acadêmica face ao seu caráter interdisciplinar: “Conseguimos conversar com sistemas computacionais e com a matemática aplicada. Apoiamo-nos na inteligência computacional em redes neurais artificiais, no aprendizado de máquinas e em algoritmos de otimização. Trouxemos tudo isso para a engenharia civil porque acreditamos que o futuro dela está na tecnologia da informação e essa interação depende de um diálogo interdisciplinar”.
Essa amplitude de abordagens foi alcançada durante o trabalho de doutorado que teve período de sete meses na Universidad Politecnica de Valencia, Espanha, onde existe um grupo de referência internacional na área de hidroinfórmatica. Nessa oportunidade o pesquisador trabalhou com profissionais da estatística, da matemática, das engenharias hidráulica e de computação. Na sequência ele estagiou durante um mês no Imperial College London, na Inglaterra, desenvolvendo algoritmos de aprendizado de máquinas para previsão de demanda, e ainda 15 dias no IngeniousWare, Kahlsruhe, Alemanha, desenvolvendo parte de algoritmos de otimização.
Em face destas experiências, Bruno inseriu-se em uma rede internacional de colaboração e recebeu convite para trabalhar na pesquisa de redução de perdas e eficiência energética no Centro de Pesquisa em Controle e Automação da Universidade de Lorraine, Nancy, França.
