Sistema híbrido aumenta controle do abastecimento de água

Na Escola de Engenharia de São Carlos (EESC) da USP, pesquisa do engenheiro Narumi Abe propõe uma ferramenta de calibração dos modelos de sistemas de abastecimento de água mais eficiente que os métodos atuais. O método híbrido aproxima os valores das pressões e vazões simuladas com as reais ao combinar redes neurais artificiais com algorítimos genéticos.  O sistema permitiu reduzir o tempo de calibração em um setor de fornecimento em Araraquara (interior de São Paulo), de 12 horas para 26 minutos. A comparação das pressões previstas pelo modelo com os dados do monitoramento da rede permitem localizar e resolver vazamentos, reduzindo o desperdício de água.

Método ajuda a localizar vazamentos na rede de abastecimento de água

“Temos sido contatados por algumas companhias de saneamento nacionais interessadas em implantar essas soluções e por diversos pesquisadores fora do país”, diz o engenheiro. “No Brasil, o custo da água ainda é muito baixo, fazendo com que exista pouco interesse das companhias de saneamento na resolução do problema dos vazamentos e no tratamento das águas residuárias, mas o cenário tende a se modificar com a atual crise hídrica”. O trabalho foi orientado pela professora Luisa Fernanda Ribeiro Reis, do Departamento de Engenharia Hidráulica e Saneamento da EESC, e teve o auxílio do Departamento Autônomo de Àgua e Esgotos (DAAE) de Araraquara.

De acordo com Abe, os modelos de sistemas de abastecimento de água são análogos a sistemas de previsão do tempo, sendo possível prever as pressões nas tubulações, planejar estratégias de bombeamento para atender ao consumo de água nos horários de ponta, calcular o gasto de energia e outros parâmetros elétricos e estimar vazamentos. “Tais modelos somente são úteis se suas simulações produzirem resultados realísticos. A calibração ajusta os modelos matemáticos para que isso ocorra ao otimizar suas diversas variáveis internas”, afirma. “O monitoramento remoto da rede em tempo real é fundamental para fornecer informações ao modelo, como níveis dos reservatórios, vazões e pressões em alguns pontos de interesse”.

O método de calibração proposto na pesquisa utiliza técnicas de redes neurais artificiais, que imitam simplificadamente o modo como o cérebro realiza o aprendizado, combinadas com algoritmos genéticos. “Esses algoritmos visam procurar as melhores soluções, baseados na teoria da evolução, eliminando as mais ruins e preservando as melhores para as gerações seguintes, sendo combinadas e ‘selecionadas’ novamente até que a melhor solução seja encontrada”, explica. “A combinação não é inédita. A novidade é a utilização de técnicas estatísticas que auxiliaram a busca do algoritmo genético, evitando as piores soluções, conhecidas como hipercubo latino”.

Calibração constante
O método híbrido foi testado em quatro setores de fornecimento (bairros) no município de Araraquara e apresentou resultados idênticos ou melhores aos métodos já consagrados na literatura científica, mas com diminuição significativa no tempo de processamento. “Por exemplo, a calibração no setor Iguatemi Zona Alta, que antes era feita em mais de 12 horas, foi finalizada em 26 minutos”, diz. “Em outro setor menor, o novo método proposto calibrou a rede em 2 minutos e 12 segundos, enquanto o método tradicional consumia 2 horas e 37 minutos, no mesmo computador”.

A velocidade no resultado possibilita que os modelos sejam calibrados constantemente com as novas informações obtidas por intermédio do monitoramento em tempo real, fazendo com que as simulações apresentem resultados muito superiores aos modelos calibrados de forma esporádica. “Os métodos de calibração tradicionais utilizam, em geral, algoritmos genéticos ou alguma outra técnica de busca computacional, como busca harmônica, ou mesmo algum método híbrido já existente”, ressalta. “A inclusão do hipercubo latino na calibração híbrida permitiu que calibrações que antes duravam horas ou dias fossem concluídas em poucos minutos”.

A resolução de equações hidráulicas por meio do método, além de fornecer a estimativa da quantidade de vazamentos, pode auxiliar em sua localização, por meio da análise da diferença entre as pressões monitoradas e as pressões previstas pelo modelo, agilizando a correção dos vazamentos. “Além disso, a quantidade de vazamentos possui relação direta com as pressões nas tubulações. Com as simulações, o sistema pode exibir os pontos com altas pressões que necessitam de controle”, observa. “De posse destas informações, os tomadores de decisão da companhia de saneamento podem, por exemplo, instalar válvulas reguladoras de pressões nestes pontos”.

Segundo o engenheiro, a economia de água gerada pelo sistemas depende muito do setor a ser modelado. Dados do Sistema Nacional de informações Sobre saneamento (SNIS), da Secretaria Nacional de Saneamento Ambiental, indicam que as perdas de água por vazamentos variam entre 30% a 70%. “Estudos indicam que o controle da pressão nos sistemas de abastecimento é essencial, pois além de evitar um maior volume de vazamentos, também evita o número de rompimentos nas tubulações”, aponta. “Cabe ressaltar que a água e energia são relacionados. A redução dos vazamentos implica em economia na energia devido a diminuição do bombeamento para adução da água”.

Foto: Marcos Santos / USP Imagens

Mais informações: email narumi@usp.br, com Narumi Abe

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