Jumeau numérique pour le système de gestion des eaux de Toronto et de York

Pour prévoir l’usure cumulative d’un réseau à long terme à l’aide de données en temps réel, l’équipe de WSP¹ a fourni à la Ville de Toronto et à la région de York un jumeau numérique accéléré pour leur système de gestion des eaux et le plus grand ensemble de modèles d’analyse de débit des phénomènes transitoires jamais conçu, qui fonctionne avec le logiciel HAMMER de la société Bentley.

Emplacement

Toronto, Ontario, Canada

Client

Toronto Water et la municipalité régionale de York (région de York)

Valeur

1,5 M$

Statut

Terminé

En ville, beaucoup de nos infrastructures hydrauliques vieillissent rapidement, et les systèmes de gestion des eaux nécessitent d’être gérés de manière proactive, d’être entretenus de façon préventive et de faire l’objet d’une approche d’atténuation des risques conçue pour l’avenir. La Ville de Toronto et la région de York comprennent que les infrastructures vieillissantes peuvent causer davantage de risques de fuites et de bris, et qu’il faut donc porter une grande attention aux régimes transitoires hydrauliques. À grande échelle, le type de choc hydraulique qu’on appelle « coup de bélier » entraine des dommages catastrophiques pour les infrastructures ou une détérioration graduelle importante, réduisant ainsi leur durée de vie et augmentant les coûts liés aux réparations et à la main-d’œuvre.

Sélectionnée en tant que principale consultante par Toronto Water, et travaillant avec HydraTek comme sous-traitant, WSP a prédit l’usure cumulative à long terme du réseau hydraulique grâce à un système de jumeau numérique qui permet d’évaluer les activités quotidiennes du réseau et d’assurer la gestion urgente de l’eau. Toronto Water est une division de la Ville de Toronto chargée de faire fonctionner le système de distribution de l’eau depuis le lac Ontario vers le nord pour approvisionner la région de York. Le système comprend de nombreuses stations de pompage et un vaste réseau de distribution qui alimentent 7,3 millions de résidents. WSP a étudié les systèmes qui desservent environ 4 millions de résidents sur 2 400 km².

1 WSP was the lead consultant, with HydraTek as sub-consultant.

km² surface couverte

2 400

zones de pression

17

habitants concernés

4 M

millions de litres d’eau fournis par jour

2 250

Notre approche

Il est moins coûteux de gérer la dégradation des infrastructures de manière proactive que de réagir à un événement, comme un bris de canalisation. Les jumeaux numériques permettent de prendre des décisions plus éclairées et de mieux distribuer les ressources publiques qui sont limitées afin d’offrir un système plus fiable et perfectionné au fil des ans qui respecte notre approche Conçu pour l’avenirMC compte tenu de sa résilience et de sa capacité à appuyer le changement, la répartition et la croissance de la population.

Pour permettre de gérer efficacement les risques associés aux systèmes hydrauliques de Toronto Water, WSP a déployé des modèles d’analyse de débit des phénomènes transitoires avec un jumeau numérique « accéléré » et des capteurs de pression de 128 Hz. De cette manière, les interactions causées par les ondes de pression qui se déplacent à la vitesse du son peuvent être mesurées, simulées et donc contrôlées avec précision. Plus de 300 scénarios d’analyse de débit des phénomènes transitoires ont été simulés afin de mesurer et de réduire les risques associés aux situations d’urgence, comme les pannes d’électricité, les incidents liés aux vannes de réglage ou les problèmes d’ouverture et de fermeture des bornes-fontaines pendant les incendies. Par la suite, les pressions transitoires extrêmement fortes et faibles simulées dans le système ont été corrélées aux données associées aux ruptures de conduite et cartographiées afin de mettre en évidence les zones qui comportent le plus de risques.

WSP a aussi mis à jour les modèles de système de gestion des eaux et les mesures de pression qui y sont associées pour garantir un rendement 24 heures sur 24, 7 jours sur 7. Pour réaliser les tests, elle a utilisé des capteurs de contrôle et d’acquisition de données SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition) et des capteurs de pression transitoire qui ont enregistré des données à des intervalles d’un centième de seconde afin de recueillir des données dynamiques en temps réel sur la réponse aux coupures d’électricité. Ces interfaces Web et Internet des objets permettent de calibrer les modèles de manière opérationnelle, afin d’appuyer la maintenance préventive et de réduire la fréquence des bris de canalisations et la fermeture des routes due aux réparations urgentes.

Évaluation des risques quantifiée à une installation de pompage clé et aux canalisations principales dans la région de York.

Améliorer le suivi et la modélisation pour réduire les risques

Les jumeaux numériques permettent aux exploitants d’obtenir plus qu’un aperçu des actifs à un instant précis en disposant des données pertinentes à jour en temps réel. Le fait d’avoir accès immédiatement à ces données aide les exploitants et les ingénieurs à prendre des décisions opportunes et éclairées pour ce qui est de la maintenance, de l’optimisation des activités, des réparations et de la résolution de problèmes. Cela permet aussi aux experts de tenir compte de l’ensemble du système d’approvisionnement en eau quand ils planifient des mises à niveau, cherchent le meilleur moyen de faire des réparations ou améliorent le réseau et font face à des situations inhabituelles. Sans ces outils, les prédictions simples et conservatrices entrainent des coûts d’exploitation et des investissements plus élevés, car elles ne permettent pas aux ingénieurs d’évaluer dans quelle mesure le réseau s’autoprotège, étant donné que les boucles peuvent diviser et dissiper l’énergie transitoire.

Pour concevoir un modèle de ce type, il est essentiel de disposer d’une plateforme et d’une méthode capables d’effectuer des millions de calculs précis en quelques secondes. Le logiciel HAMMER de Bentley, conçu à l’origine par EHG (maintenant WSP-Hydraulics), a utilisé la méthode des caractéristiques (MOC) pour calculer la pression transitoire par rapport à la ligne piézométrique aux intersections et aux points intermédiaires du réseau.

Les modèles perfectionnés sont maintenant des actifs d’information que les ingénieurs hydrauliques internes de Toronto Water et de la région de York entretiendront et qui permettront de répondre aux questions opérationnelles comme la façon de faire croitre le système. Au cours des prochaines années, les modèles seront aussi étendus et mieux connectés pour n’en former qu’un, ce qui permettra de représenter le système à grande échelle le plus précisément possible afin de repérer les zones problématiques.

Qu’est-ce qu’un jumeau numérique ?

Un jumeau numérique est la réplique virtuelle d’un actif qui intègre des données en temps réel pendant son fonctionnement. Il permet de visualiser de manière immersive et intégrée des données qui étaient auparavant cloisonnées et d’utiliser des techniques d’analyse numérique modernes, comme le suivi de l’état de l’actif et les analyses prédictives afin de planifier le fonctionnement continu des infrastructures.

La technologie utilisée pour les jumeaux numériques progresse rapidement. Les plus récents peuvent fournir des données plus vite que jamais. Certains jumeaux numériques sont conçus pour prédire les changements graduellement, mois après mois ou année après année. Comme les jumeaux numériques accélérés peuvent prédire les changements dans le réseau presque instantanément, ils permettent d’apporter des réponses rapides à des problèmes urgents.