WATMAN

Analysis and Design of distributed optimal control strategies applied to large-scale WATer systems MANagement, DPI2009-13744.

Descripción del Proyecto

El proyecto WATMAN trata sobre la gestión global de las redes hídricas relacionadas con el sistema urbano de agua (UWC).

En un contexto de creciente conciencia sobre las necesidades de gestión del ciclo del agua: controlar de manera más eficiente los recursos hídricos escasos, proporcionar acceso al agua a más regiones, controlar la calidad del agua potable, hacer frente a eventos extremos como sequías e inundaciones, reducir el impacto del agua utilizada en el entorno receptor, el uso de telemetría y telecontrol en el UWC está aumentando constantemente.

La creciente disponibilidad de hardware de control y sistemas de información no puede, por sí sola, contribuir a hacer frente a estos desafíos. El tema clave es el uso de la información. Se deben desarrollar, a un ritmo similar, estrategias apropiadas de validación de datos, modelado de sistemas hídricos y control. Proyectos anteriores de los solicitantes han tratado sobre el modelado y control predictivo/óptimo de sistemas hídricos. Algunas contribuciones importantes de estos proyectos se han informado, especialmente en el control óptimo de sistemas de agua potable y en el control predictivo óptimo de sistemas de alcantarillado para la prevención de inundaciones y la reducción del impacto ambiental.

El contexto del control predictivo óptimo en sistemas de agua es generalmente uno de problemas a gran escala, debido a:

grandes redes distribuidas espacialmente,
periodos de tiempo de los horizontes de control predictivo,
necesidades de modelado para comportamientos no lineales y retrasos puros, por ejemplo, en las ecuaciones de flujo fluvial.

Además, los sistemas de control del agua están siendo constantemente desarrollados, ampliados y/o parcialmente cerrados para mantenimiento o renovación. Existe una necesidad creciente de sistemas a prueba de fallos que deben, a toda costa, proporcionar un servicio ininterrumpido a los consumidores.

UWC de Barcelona

En este contexto, se espera que el control descentralizado haga una contribución clave a la aplicación de esquemas de control óptimo:

de forma incremental a sistemas de agua bajo implementación/expansión del control,
en modo a prueba de fallos cuando grandes redes se cierran parcialmente para mantenimiento,
en modo tolerante a fallos cuando hay fallos parciales de la infraestructura o de los sistemas de comunicación.

Así, los objetivos del proyecto WATMAN pueden resumirse de la siguiente manera:

Modelado para control/supervisión jerárquica y distribuida
Algoritmos de identificación/partición de modelos para control/supervisión jerárquica y distribuida
Diseño de controladores óptimos/predictivos distribuidos para sistemas hídricos a gran escala
Desarrollo de mecanismos de coordinación/cooperación entre controladores óptimos/predictivos utilizando sistemas multiagentes.
Desarrollo de sistemas de supervisión distribuidos que permitan la validación, reposición e integración de los datos obtenidos de sistemas de telemedición.
Implementación de software de herramientas para modelado distribuido, control y supervisión de redes de agua de varias ciudades.

Casos complejos de estudio están pendientes de ser tratados en WATMAN. La gran y muy compleja red de alcantarillado de Barcelona, con fuertes dinámicas no lineales, cientos de elementos constitutivos e impredecibles condiciones climáticas como la principal fuente de perturbaciones, es uno de los casos contemplados en WATMAN. Resultados previos reportados por los integrantes de SAC ya han evidenciado que esta línea de investigación promete grandes mejoras en la gestión de este tipo de redes UWC. Un segundo caso de estudio consiste en la red de agua potable de Barcelona, que gestiona este preciado líquido desde su recolección en ríos y fuentes subterráneas, y lo suministra a la población del área metropolitana de Barcelona. A pesar de que este sistema también es una red UWC, presenta singularidades que no permiten aplicar los enfoques previamente desarrollados para los sistemas de alcantarillado. Por lo tanto, toda la investigación que se realizará en los temas principales de todo el proyecto deberá ser interpolada y se abrirán nuevos desafíos y caminos de investigación.

Publicaciones más relevantes

S. Tornil-Sin, C. Ocampo-Martínez, V. Puig y T. Escobet. Detección robusta de fallos en sistemas no lineales utilizando estimación de estado basada en membresía de conjuntos y satisfacción de restricciones. Engineering Applications of Artificial Intelligence, 25(1): 1-10, 2012. <10.1016/j.engappai.2011.07.007>
C. Ocampo-Martínez, D. Barcelli, V. Puig y A. Bemporad. Control predictivo jerárquico y descentralizado de redes de agua potable: aplicación al estudio de caso de Barcelona. IET Control Theory and Applications, 6(1): 62–71, 2012. <doi: 10.1049/iet-cta.2010.0737>
S. Montes, V. Puig y J. Blesa. Detección robusta de fallos basada en la generación adaptativa de umbrales utilizando observadores LPV en intervalo. International Journal of Adaptive Control and Signal Processing, 26(3): 258-283, 2011. <DOI: 10.1002/acs.1263>
V. Puig, C. Ocampo-Martínez, J. Romera, J. Quevedo, R. Negenborn, P. Rodríguez y S. de Campos. Control predictivo de sistemas combinados de riego y suministro de agua: aplicación al río Guadiana, 2012 IEEE International Conference on Networking, Sensing and Control, 2012, Beijing, China, pp. 85-90. <doi: 10.1109/ICNSC.2012.6204896>
J.M. Grosso, C. Ocampo-Martínez y V. Puig. Control predictivo neuro-difuso adaptativo multinivel para redes de agua potable, 2012 Mediterranean Conference on Control and Automation, 2012, Barcelona, pp. 1548-1553, IEEE. <doi: 10.1109/MED.2012.6265859>
D. Robles, V. Puig, C. Ocampo-Martínez y L.E. Garza Castañón. Metodología para la evaluación de tolerancia a fallos de actuadores en MPC lineales con restricciones: aplicación a la red de agua de Barcelona, 2012 Mediterranean Conference on Control and Automation, 2012, Barcelona, pp. 518-523, IEEE. <doi: 10.1109/MED.2012.6265690>
V. Puig, C. Ocampo-Martínez y S. Montes. Estrategia jerárquica temporal de control predictivo descentralizado multi-capa para redes de agua potable: aplicación al estudio de caso de Barcelona, 2012 Mediterranean Conference on Control and Automation, 2012, Barcelona, pp. 734-739, IEEE. <doi: 10.1109/MED.2012.6265726>
F J.M. Grosso, C. Ocampo-Martínez y V. Puig. Control predictivo de fiabilidad de servicio con stocks de seguridad dinámicos y monitoreo de salud de actuadores para redes de agua potable, 2012 IEEE Conference on Decision and Control, 2012, IEEE, por aparecer.
R. Sarrate, F. Nejjari y A. Rosich. Ubicación de sensores para maximizar el rendimiento del diagnóstico de fallos en redes de distribución, 2012 Mediterranean Conference on Control and Automation, 2012, Barcelona, pp. 110-115, IEEE.<doi: 10.1109/MED.2012.6265623>