SyGEMe, Système de gestion municipale intégrée du cycle de l eau.

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1 SyGEMe, Système de gestion municipale intégrée du cycle de l eau. G. Cherix a,, T. Bussien b, K. Ghoorbin a, S. Storelli a a Centre de Recherches Energétiques Municipales (CREM), Rue des Morasses 5, CP 256, CH-1920 Martigny b Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne(EPFL), Laboratoire de Systèmes d Information Géographique (LASIG), EPFL ENAC LASIG, Bâtiment GC, Station 18, CH-1015 Lausanne c Depth SA, Ch d Arche 40 B, 1870 Monthey Résumé En suisse, ce sont principalement les collectivités publiques qui ont pour devoir de gérer les flux qui desservent les villes (eau potable / usées, gaz naturel, électricité, chauffage à distance, télévision câblée) et donc d assurer la sécurité et la qualité du service aux usagers. A l heure actuelle, les responsables politiques et techniques ont la possibilité d utiliser des outils spécifiques, mais ils ne disposent pas encore d instruments intégrés de pilotage des réseaux (supports et flux). Cependant, une gestion optimale des réseaux passe par une vision globale et intégrée du système. Fort de ce constat, les experts du Centre de Recherches Energétiques et Municipales (CREM) et de l Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) en collaboration avec les sociétés Depth SA, ESRI Géoinformatique SA, SD Ingénierie et SIG travaillent depuis mars 2007 au développement d un outil de gestion municipal intégré, appliqué dans un premier temps au cycle de l eau (SyGEMe). L objectif de ce projet est de développer un nouveau service à destination des collectivités/exploitants de réseaux qui intègre autour d un système d information géographique (interface d entrée dans le système) : un système de monitoring (mesure des flux en temps réel) et un système expert de gestion de la connaissance. Pour les exploitants, cet outil disponible online devrait permettre : - D analyser en continu le fonctionnement de leur réseau - De recevoir des alarmes en cas de détection de situation hors-norme - De pérenniser leurs connaissances pratiques de gestion des réseaux en ayant accès à un système d information structuré facilitant l enregistrement et l accès aux données et aux expériences métiers. Les étapes de structuration des données et d analyse des processus de gestion des réseaux d eau ont permis de consolider le réseau de services (fonctionnalités) à développer. Dans sa version finale, le système intègrera la documentation et le géoréférencement des objets et des événements. Aux objets usuels, composants le système physique d adduction d eau, on distinguera d une part les capteurs (appareils de mesure), et d autre part les constats et les tâches à l origine des variations de flux (réglages, fuites, ). Le concept SyGEMe se devra donc de fournir une solution intégrée, aussi bien pour la visualisation à partir de la géographie des données et des capteurs, que pour la gestion et l organisation des constats, tâches, notes, contacts et autres informations, afin de les relier aux objets et aux flux du réseau. De manière centralisée, cette solution devrait permettre d'aider l'organisation du travail de l exploitant de réseau, la pérennisation des connaissances qu il acquiert et la collaboration plus efficace avec les autres acteurs (décideurs, centrales téléphoniques, bureaux d ingénieurs). Cet article a pour objectif de présenter en détail la géo-organisation de l information et l architecture système envisagée pour réaliser le concept SyGEMe. 1

2 Introduction A l heure du dérèglement climatique, les scientifiques internationaux travaillent d arrache pied pour simuler le comportement de notre planète. Les modèles développés ont pour objectif de prévoir quelles seront les modifications de température locales et d en déterminer l impact sur les différents écosystèmes. Il ressort d un récent rapport du «groupe d experts intergouvernemental sur l évolution du climat» que les ressources en eau douce et leur gestion seront modifiées par le dérèglement climatique. En particulier dans les régions alpines : «Au cours du siècle, les projections montrent un déclin des ressources en eau stockées dans les glaciers ainsi que dans la couverture neigeuse, réduisant la disponibilité en eau dans certaines régions alimentées par l eau de fonte provenant des grandes chaînes de montagne, où plus d'un sixième de la population mondiale vit actuellement». [1] Fort de cette problématique, les experts du CREM et de l EPFL en collaboration avec différents partenaires industriels travaillent depuis mars 2007 au développement d un outil de gestion municipal intégré du cycle de l eau (SyGEMe). Globalement, ce projet vise à développer un instrument de pilotage et de gestion des réseaux techniques urbains. Dans une première phase, le projet SyGEMe se concentrera sur le développement d une plate-forme Internet destinée à piloter le cycle complet de l'eau (prioritairement l eau potable puis développement aux eaux usées) d'une municipalité. Les innovations qui caractérisent ce projet sont principalement : L intégration dans un même service de données dynamiques fournies par des capteurs (niveau, débit, pression, etc.) et d un système expert de gestion de la connaissance, le tout reposant sur un système d information géographique. La fourniture aux collectivités d un service (application client on-line et mise à jour des données par le bureau / fournisseur de service) plutôt qu un logiciel figé dans le temps et dont la responsabilité de mise à jour est du ressort de l exploitant. Figure 1 - SyGEMe, plateforme de management des réseaux urbains. La mise en œuvre d une série de services indépendants implique l utilisation d une architecture modulaire. Cette dernière doit en effet permettre d obtenir une bonne flexibilité, un haut potentiel évolutif et un haut degré de réutilisation. Cette publication présente en détail la géo-organisation de l information et l architecture système envisagée pour réaliser le concept SyGEMe. 2

3 Fonctionnalités du système et géo-organisation de l information Les étapes de structuration des données et d analyse des processus de gestion des réseaux d eau ont permis de consolider le réseau de services (fonctionnalités) à développer. Le système intègre la documentation et le géo référencement des objets et des événements. Aux objets usuels composants le système physique d adduction d eau, on distingue ici les attributs et les événements liés aux flux, à savoir d une part les capteurs (appareils de mesure), et d autre part les constats et les tâches à l origine des variations de flux (réglages, fuites, ). Figure 2 Maquette d écran représentant géographiquement les objets et les événements (liés soit au réseau soit à un flux) Ainsi un capteur est attribuable aussi bien à un objet (par exemple un débit est attribué à une canalisation) qu à un flux. De même, un événement est attribuable aussi bien à l objet (par exemple un réglage de vanne est attribué à une canalisation) qu au flux sur lequel l événement a une incidence. Cette intégration des objets, des équipements de mesure des flux et des événements permet un accès à la documentation à partir de la géographie certes, mais aussi à partir des courbes de mesures (cf. Figure 2) Ainsi lors de la lecture d une courbe de mesure, la visualisation des événements liés permet d expliquer les variations de flux et inversement toute variation de flux peut expliquer l origine d un événement. De même, l accès à la documentation d une alarme est possible aussi bien à partir du fond géographique que de la courbe de mesure. Cette fonctionnalité permet le repérage géographique et l analyse (cause et effet) d une situation d alarme. Le concept SyGEMe se doit de fournir une solution intégrée, tant pour la visualisation à partir de la géographie de télémesures dynamiques, que pour la gestion et l organisation des constats, des tâches, des notes, des contacts et d autres informations. Cette solution organise le travail de l exploitant de réseau, pérennise les connaissances qu il acquiert et lui permet de collaborer plus efficacement avec 3

4 les autres acteurs (décideurs, centrales téléphoniques, bureaux d ingénieurs), tout ceci de manière centralisée. Les concepts SIG proposés envisagent la construction : De liens entre les éléments du réseau (conduits, vannes, ), les capteurs (équipements de mesure), les flux (eaux, énergies, informations) et les fichiers de données (télémesures, relevés périodiques, tableaux de calcul). De liens temporels (agenda) avec et entre les événements (constats, tâches) et les règles et expériences d exploitation (processus expert et workflows). Ainsi d une part les fonctionnalités géographiques suivantes sont proposées : Géo référencement des éléments du réseau-support (tâche ordinaire du SIG). Géo référencement des capteurs (tâche ordinaire du SIG) et des appareils de mesure et d enregistrement des valeurs captées. Géo référencement des flux en liant le réseau-service au réseau support en vue d intégrer les données des capteurs dans la modélisation dynamique du réseau. Et d autre part les fonctionnalités événementielles suivantes sont proposées : Géo référencement et «agendement» de l ensemble des constats: Une fiche de saisie pour les constats est proposée à l exploitant qui y entre les informations de manière structurée. Cette saisie est réalisée automatiquement par la solution SyGEMe en cas de constat d alarme lié à une télémesure. Le constat est ainsi agendé (tel un rendez-vous) et aisément accessible par l exploitant qui est alerté lors de l émission d un nouveau constat. Chaque constat doit être validé par l exploitant. Lors de la validation, une fiche de saisie «Tâche» est directement proposée, pour validation et échéance. Géo référencement et planification de l ensemble des tâches géoréférencées : A chaque validation de constat, la solution SyGEMe édite automatiquement une fiche «Tâche» sur laquelle figure des informations proposées par le système expert. La tâche est ainsi planifiée et aisément accessible par l exploitant qui est alerté avant son échéance. A l échéance d une tâche, l exploitant l édite et la caractérise comme «réalisée» ou «abandonnée» ou la reporte à plus tard. Enchaînement des événements : La réalisation ou l abandon d une tâche peut amener l exploitant à éditer un nouveau constat ou une nouvelle tâche. Cette opération permet de lier les constats et les tâches entre elles afin de créer des chaînes d événements (appelées «Processus»). Ces «processus» sont alors considérés par le système expert comme des expériences et serviront à l avenir l édition des tâches proposées. Diffusion des événements : L agenda ainsi constitué de constats et de tâches est accessible aux divers acteurs de la gestion du réseau. Tous sont informés de l ensemble des événements et peuvent réagir auprès de l organe décisionnel afin d enrichir l analyse. 4

5 Exemple : Le secrétariat communal reçoit un appel d un usager lui affirmant que l eau de ses robinets est trouble. L opérateur, sur son pc, génère un nouveau constat, y intègre les informations et l édite dans le système. Le technicien d exploitation est alerté de la présence d un nouveau constat dans l agenda SyGEMe, en prend connaissance et valide. Aussitôt, une fiche «Tâche proposée» est éditée. L exploitant en prend connaissance, accepte ou modifie les informations proposées et valide. La tâche est alors agendée à l échéance validée par l exploitant. Exploitation Constats et alarmes Enregistrement du constat / Évènement SyGEMe Évaluation Diagnostic Système Expert Tableau de bord Exploitant Validation Géodonnées Mesures Règles, Expériences Actions Définition de(s) tâche(s) Figure 3 Représentation schématique de la gestion des évènements Catalogue des services SyGEMe L objectif général du service SyGEMe, ou la valeur ajoutée pour l exploitant de réseau qui s abonne à ce(s) service(s), réside dans l amélioration de la qualité de la fourniture d eau potable. Dans le cadre de ce projet, plusieurs services seront développés de façon à pouvoir être fourni indépendamment les uns des autres. Les exploitants pourront contracter soit le «package SyGEMe» soit un ou plusieurs des services proposés, en fonction de leurs équipements et de leurs objectifs. Une partie des services (fonctionnalités) dits obligatoires sont nécessaires à la mise en place du système et sont un pré requis pour tous les autres services, dits optionnels. Il s agit de (i) l accès aux données géographiques et de (ii) l accès aux données de monitoring, le tout en ligne. Il est important de préciser ici que les services obligatoires, ou de base, existent déjà et sont actuellement proposés aux exploitants de réseau par des bureaux d ingénieurs. L innovation de SyGEMe est proposée en intégrant les services existants sur une même plateforme et en développant de nouveaux services innovants, qui peuvent être contractés par l exploitant indépendamment les uns des autres : 5

6 Géomonitoring et émission d alarmes Le service SyGEMe prioritaire consistera à récupérer, analyser et publier (avec géo localisation) des données dynamiques de télémesure qui caractérisent le fonctionnement du réseau. Cette intégration des données de mesures et de la topologie des réseaux permettra d analyser en continu l exploitation des réseaux et d émettre des alarmes lors de situation hors normes. La méthode de suivi du comportement du réseau consistera à interpréter des mesures en continu, par rapport à un profil de consommation validé (cf. figure 4). Premièrement, un profil de consommation théorique doit être désigné à partir de règles de calculs, prenant en compte le nombre d usagers, le nombre de fontaines communales, la quantité d hectares à irriguer, etc. (voire dans un deuxième temps les paramètres locaux, tels que l ensoleillement, la pluviométrie, etc.). Il s agira ensuite de valider ce profil de consommation théorique au moyen de l historique de mesures (p. ex. débits) stockés dans une des bases de données SyGEMe (cf. point 3.4). Cette étape supplémentaire permettra de définir le profil de consommation validé. Enfin, les données validées et mesurées seront comparées (écart, vitesse d écart, historique, etc., annexe I). Cette comparaison aura pour objectif de prévenir une éventuelle avarie du système d adduction en informant par le biais d une alarme l exploitant de réseau. Dans le cas ou l utilisateur contracte le service supplémentaire système expert, le message d alarme devra contenir une éventuelle proposition de diagnostic en plus des données sources. Historique de données Profil théorique Profil théorique local Profil validé Profil mesuré Paramètres types Paramètres locaux Historique Métier (expériences) Écart Analyse Figure 4: Règles pour le suivi des télémesures et l établissement d un diagnostique Stockage et structuration de la connaissance 1. Réseau (dates / durée de vie / longueurs réelles / coûts) Ce service permettra à l utilisateur de disposer d un modèle de données et des structures de tables aptes à organiser l information pertinente concernant le réseau. L utilisation plus ou moins détaillée de ce service permettra d utiliser des services optionnels d analyse des «données réseau» enregistrées (maintenance prédictive ; calcul de coûts ; mise à jour de documentation, etc.) 2. Capteurs (dates / durée de vie / fonction / maintenance / coûts) Ce service permettra à l utilisateur de disposer d un modèle de données et des structures de table aptes à organiser l information pertinente concernant les capteurs. L utilisation plus ou moins détaillée de ce service permettra d utiliser des services optionnels d analyse des «données capteurs» enregistrées (maintenance prédictive ; calcul de coûts ; mise à jour de documentation, etc.) 3. Evènements (Constats / tâches / processus) Ce service permettra à l utilisateur de disposer d un journal de gestion et de stockage d expériences. En bref, ce service a pour objectif de structurer la connaissance liée à l exploitation du réseau en stockant des évènements et en élaborant des processus, composés de suite d évènements, liés les uns aux autres par les utilisateurs et/ou par le système. 6

7 Système expert Le service «système expert» fournira à l utilisateur un pré diagnostic, proposé suite à un problème de fonctionnement du réseau physique d adduction d eau. Il devra être alimenté par des règles d exploitation et des expériences, qui au travers d un moteur d inférence, apte à appliquer les règles saisies, proposera aux utilisateurs des tâches potentielles pour résoudre les problèmes rencontrés. Le package système expert pourra être contracté dans son intégralité ou en partie, selon les modules suivants : 1. Archivage des règles et expériences (workflow) et proposition de diagnostics Ce service permettra à l utilisateur de disposer, de diagnostics de fonctionnement du réseau, proposés à partir d une base de données de règles prédéfinies (workflow). La base de données se compose de fichiers standardisés décrivant chaque cas d utilisation du réseau. Le système expert se basera d une part sur les workflows paramétrés pour le réseau analysé et d autre part sur les évènements enregistrés par les utilisateurs pour proposer des tâches à réaliser. Les propositions de diagnostics seront hiérarchisées selon le pourcentage d occurrence de réussite. 2. Analyse topologique (Network analyse) Ce service fait partie des services natifs d ESRI ArcGIS Server Advanced. Il permet à l utilisateur et au système expert d avoir accès à la topologie du réseau. 3. Modèle hydraulique Ce service permettra à l utilisateur de modéliser le comportement de son réseau (débits maximums) afin de faciliter les étapes de planification communale et d extension du réseau. Le modèle hydraulique (bilan des masses) permettra de plus au système expert d effectuer une vérification / calibration des mesures redondantes. Enfin, une analyse d opportunité de turbinage des eaux potables pourra être réalisée (énergie potentielle). 4. Animation du réseau sur un intervalle temporel Ce service fait partie des services natifs d ESRI ArcGIS Server Advanced. Il permet à l utilisateur de visualiser une animation du réseau (p. ex. : changement d épaisseur de conduites) en fonction de valeurs de mesures stockées dans une base de données. Contrôle qualité 1. Autocontrôle Ce service de suivi rigoureux de la gestion du réseau doit permettre à l utilisateur de respecter les procédures d autocontrôle prescrites par la Société Suisse de l Industrie du Gaz et de l Eau (SSIGE). A partir des données enregistrées dans le système par les utilisateurs, des rapports de gestion du réseau seront édités, conformément aux prescriptions de la SSIGE. 2. Demand side management (suivi des réclamations, etc.) L objectif de ce service est de fournir à l utilisateur des analyses cartographiques et temporelles de la distribution des évènements liés aux utilisateurs (plaintes, réclamations, etc.). Maintenance prédictive En fonction du niveau de détail des métadonnées stockées dans le système, un service d analyse d état du réseau pourra être mis en place. Il permettra à l utilisateur d obtenir des cartes thématiques caractérisant différents aspects tels que le vieillissement du réseau. Ces cartes thématiques pourront être utilisées par l exploitant pour planifier un programme d action de renouvellement du réseau (maintenance prédictive). Publication de documents mis à jour Publication de documentation du système et de rapports types proposés par défaut ou utilisation de «Crystal report» pour publier des rapports spécifiques. 7

8 Architecture système L architecture envisagée pour SyGEMe est de type WSOA (Web Services Oriented Architecture), architecture orientée services implémentée avec des services web. Le choix d une telle structure provient de la flexibilité qu elle sous-tend, de part une architecture modulaire. Ceci permet un haut potentiel évolutif, et un haut degré de réutilisation (par exemple : adaptation à d autres types de réseaux). L interopérabilité, au sens des fonctionnalités transversales qu elle permet, ainsi que la facilité de diffusion, par le biais de l Internet, font d un tel type d architecture un choix intéressant pour répondre aux exigences du projet SyGEMe. Architecture système: WSOA T BD Type : Oracle géodatabase BD Type : Oracle Cubes OLAP Flux propriétaires et/ou XML Services GIS Type : ArcGIS Server Services Télémesures Type : OLAP Autres services Ex : météo BD Type : Oracle BPEL Stockage fichiers workflows WSDL Module Controlleur Services logiques (système expert) Type : Workflows WF Client WEB Type : Ajax Client lourd Interfaces permettant aux utilisateurs d interagir avec le système Fichiers plats T X T Processus automatiques agissant comme client des différents services et comme fournisseur de services aux clients du systèmes Figure 4 : Architecture général du système Le système expert s occupera de l ensemble de la gestion événementielle du réseau, liée aux processus métiers. Il pourra faire appel aux «géoservices» offerts par ArcGIS Server, ainsi qu aux contenus des cubes OLAP (On-line Analytical Processing) des «services de télémesures» et à la base de connaissances du «système expert», afin de faire : les mises à jour automatiques des données du système (ex : transfert des fichiers plats vers le cube OLAP) l analyse des télémesures (ex : création d alarmes automatiques) le stockage de l information des événements du réseau, constats et manuellement par l usager ou automatiquement par le système expert lui-même, dans la base de connaissance. 8

9 Le module contrôleur représente la couche d orchestration de l application web qu est SyGEMe. Il peut être décomposé comme le montre la Figure 5. Le contrôleur consomme des données venant des services web, y compris les «services logiques», et communique aussi avec des bases de données spécifiques pour la gestion des utilisateurs et la gestion des services SyGEMe. Cette structure permettra d interpréter les actions de l usager sur l interface client, d exécuter les commandes nécessaires et de renvoyer les résultats à destination du client web. Ceci implique la séquence des opérations suivantes : 1. Le module 1 construit un objet qui contient les informations nécessaires pour l action de l usager, en fonction du contexte d utilisation, et l envoi soit au module 2 ou Le module 2 authentifie l usager dans le système, crée un objet contenant le schéma d utilisation pour la session en fonction du profil de l utilisateur, et l envoi au module Ensuite, le module 1 communique avec le module 3 pour chaque action de l usager. Ce dernier établit quelles sont les tâches logiques à exécuter et ordonne au module 4 d exécuter les tâches nécessaires. 4. Le module 4 demande finalement au module 5 de créer la page à afficher. Cette boucle continue pour gérer la session d utilisation de l usager, sur le client web. Stockage utilisateurs, droitsutilisateur et abonnementsaux services Sygeme. BD Oracle Stockage des schémasbpel. BD Oracle Export schéma d éxécution des services en BPEL, pour Oracle BPEL Process Manager server Module Controlleur Module lien Utilisateur/schémas des services de la session d utilisation 2 Module calcul des Taches logiques à éxécuter (lien schémas servicesactions - taches logiques) Module Execution des taches 4 Authentification Objet schéma de la session d utilisation 3 Objet tacheslogiques Objet action Appel Affichage Module gestion des actions utilisateur sur le client web 1 Module Creation/Affichage de page pour l utilisateur 5 Donnéesà afficher Client WEB Type : Ajax / HTML Objet élémentsde la page HTML Creation du schéma d éxécution d un service Sygeme. Logicielscandidats: Visual Paradigm, Oracle BPEL designer plugin sur ECLIPSE Web services télémesures, ArcGISserver, Système Expert Figure 5 : Module contrôleur 9

10 Conclusion Ainsi, l intégration d un système de monitoring et d un système expert de gestion de la connaissance sur un SIG permettra de disposer demain d un système intégré de gestion des réseaux d adduction d eau [3]. Le but du projet SyGEMe est d apporter l élément d interrelation des différents systèmes pour développer un outil global, permettant une vision systémique. L objectif de ce service est ainsi de fournir à l exploitant : Une analyse en continu du fonctionnement du réseau Des alarmes si possibles antécédentes à la rupture de l approvisionnement, soit une diminution du temps de réaction pour l exploitant Un système d information structuré facilitant l accès aux connaissances métier liées à l exploitation du réseau Les premiers travaux réalisés ont permis de préciser le concept SyGEMe, en définissant l architecture générale du système et en identifiant le réseau de services qui devront être développés. L architecture envisagée pour SyGEMe est de type WSOA (Web Services Oriented Architecture), architecture orientée services implémentée avec des services web. Le réseau de services à disposition des exploitants sera centré sur le monitoring des flux et l émission d alarmes en cas de détection de situation hors norme. Le stockage d évènements liés à une géo localisation (espace) et à une courbe de mesure (temps) permettra d alimenter le système expert de gestion de la connaissance. L analyse des évènements et des résultats de télémesures stockés dans l historique permettra enfin de réaliser un premier diagnostic suite à l émission d une alarme (diminution du temps de réaction suite à une avarie). Enfin, les informations fournies par les services «reporting» de SyGEMe permettront aux collectivités d optimiser les connaissances dynamiques de leurs réseaux et de faciliter les échanges intercommunaux (p. ex. création d un marché régional de l eau potable). L interconnexion des réseaux d adduction d eau à l échelle régionale permettrait en effet d améliorer la sécurité d approvisionnement en eau potable d optimiser la production d énergie électrique en favorisant le turbinage de l eau potable et en minimisant les pompages dans la nappe phréatique. Références : [1] Groupe d experts intergouvernemental sur l évolution du climat : «Bilan 2007 des changements climatiques : Impacts, adaptation et vulnérabilité», Traduction provisoire et non-officielle n engageant pas le GIEC, réalisée par les délégations de la Belgique et de la France, 18 avril 2007 [2] Les autorités fédérales de la Confédération Suisse : «Lutte contre les changements climatiques : 1.5% de gaz à effet de serre en moins par an», Département fédéral de l environnement, des transports, de l énergie et de la communication, Bern, [3] S. Storelli, CREM, Centre de Recherches Energétiques et Municipales, Martigny, Suisse : «Un projet pilote implémenté à Evolène (Valais Suisse)», Géomatique Expert N 52 Août-Septembre 2006 [4] Cherix, G.; Storelli, S.; Bussien, T.; Lindemann, D. ; (2007). SyGEMe: Définition des spécifications et analyse des interactions entre les besoins métier, l architecture du système et la définition de fonctionnalités innovantes. Géomatique Expert - N 58 - août septembre 2007 (p ). 10