Trasformazione digitale per gli acquedotti: dal gemello digitale al servizio idrico digitale. L’applicazione alla rete idrica di Bari.

1. Digital water
Trasformazione digitale per gli acquedotti: dal gemello digitale al servizio idrico digitale.
L’applicazione alla rete idrica di Bari.
Orazio Giustolisi
Professore Ordinario di Gestione dei Sistemi Idraulici
Politecnico di Bari
Venerdì 5 maggio2023| AcquedottoPugliese,Bari

2. Digital water
1. Origini, driver e trend della trasformazione digitale
2. Il Digital Twin (gemello Digitale) innovativo, la modellizzazione avanzata e
sistemi GIS
3. Alcune componenti della trasformazione digitale:
• Machine learning o Data modelling
• Ottimizzazione Evolutiva o Information-Based
• Teoria delle reti complesse
4. Il concetto di Digital Water Service (Servizio Idrico Digitale)
5. Esempi di Servizio Idrico Digitale: Bari, «grappolo» centri di consumo del
Salento, Risanamento 4 e Bogotà
Trasformazione digitale per gli acquedotti: dal
Gemello Digitale al Servizio Idrico Digitale.
L’applicazione alla rete idrica di Bari e altro

3. Digital water
Introduzione
• La gestione delle infrastrutture idriche in Italia sta attraversando
un momento di sostanziale mutamento sotto la spinta di molteplici
eventi concomitanti e di diverse opportunità di innovazione. La
transizione digitale è l’evento tecnologico che potrà supportare e
razionalizzare l’azione tecnica per raggiungere una gestione degli
acquedotti e dei sistemi irrigui sempre più sostenibile, sia dal punto
di vista socioeconomico che ambientale
• È necessario interpretare il futuro e non subirlo, altrimenti
inseguiremo il cambiamento senza renderlo un’opportunità
• Conoscere e comprendere la storia della trasformazione digitale è
irrinunciabile per partecipare al disegno del nuovo mondo e
raggiungere, anche e non solo, «vera» qualità alla spesa pubblica

4. Digital water
Cos'è la trasformazione digitale nei sistemi idrici e
quali sono i driver? (1/2)
• Non è il semplice collegare strumenti "classici" come scatole nere per l'interoperabilità
/ integrazione con tecniche GIS, WEBGIS, BIM, IA
• Non è scoprire uno strumento «magico» per risolvere tutti i problemi tecnici senza
considerare il comportamento fisico dei sistemi
• Non è annullare l'istruzione standard e modelli basati sulla fisica o la conoscenza del
comportamento del sistema
• Non è riscoprire il mondo tecnico esistente o la ricerca scientifica
• Non è il «real-time» nell’analisi e gestione dei sistemi idraulici senza considerare la
loro costante di tempo effettiva vincolata dalla celerità di propagazione
dell’informazione (in altre parole il comportamento di massa dell’acqua)
• Non è la sola esportazione di paradigmi tecnici di altri campi nei sistemi idrici senza
considerarne la specificità e le esigenze di adattamento

5. Digital water
Cos'è la trasformazione digitale nei sistemi idrici e
quali sono i driver? (2/2)
• E’ la sfida e l'opportunità di sviluppare nuovi strumenti e di migliorare quelli classici
• E’ la sfida di fondere i diversi concetti e strumenti avanzando anche quelli delle scienze
classiche nati nello scorso millennio per migliorare le soluzioni tecniche
• E’ la sfida di immaginare e creare nuovi servizi utilizzando l'interoperabilità
l’evoluzione dei linguaggi di programmazione, la realtà aumentata, ecc.
• E’ immaginare il mondo in cui la capacità e velocità di trasmissione dei dati, di
archiviazione, di analisi rapida, e la potenza di calcolo saranno cresciute a dismisura
• E’ scoprire nuovi paradigmi e opportunità per migliorare i processi attuali e per
risolvere nuovi problemi tecnici, aumentando la razionalità, la replicabilità, la
scalabilità, l'efficienza, l'efficacia e la flessibilità
• E’ una nuova formazione che unisce il classico e la novità per migliorare la capacità
problem solving all'interno di nuovi paradigmi
• E’ un ponte per il futuro prossimo: l’era quantistica

6. Digital water
Origini della trasformazione digitale (1/2)
• È necessario comprendere la storia degli strumenti associati alla trasformazione digitale
• Durante il secolo scorso sono nati concetti, strumenti e formulazioni della trasformazione
digitale di oggi
• Michael Grieves ha applicato per primo il concettodi Gemello Digitale alla prototipizzazione
nell'industria per efficientarla ... poi la NASA
• La Teoria delle Reti Complesse è nata secoli fa da Eulero (teoria dei grafi)
• La Teoria delle Reti Complesse è stata fondata alla fine dello scorso millennio con lo studio dei
modelli di rete
• Gli studi sulla Teoria delle Reti Complesse si sono espansi durante il primo decennio del nuovo
millennio con lo sviluppo di nuovi strumenti e metriche per l'analisi del dominio di rete
sebbene molte metriche, come ad esempio le centralità di vicinanza (Closeness) e di
interconnessione (Betweenness), siano state proposte da Freeman quattro decenni fa
• Il Machine Learning è stato fondato da Alan Turing (ottant'anni fa) e durante quell'epoca il
primo concettodi Reti Neurali Artificiali disi deve a McCulloch & Pitts

7. Digital water
Origini della trasformazione digitale (2/2)
• Rumelhart, Hinton e Williams hanno sviluppato l'Error Back-Propagation (1986) per addestrare
le Reti Neurali Artificiali e il loro utilizzo nei sistemi idrici è iniziato negli anni novanta
• La prima teorizzazione delle strategie evolutive per l'ottimizzazione è ascrivibile di Ingo
Rechenberg cinquant'anni fa
• John Holland, quindici anni dopo (1976), stabilì la teoria degli Algoritmi Genetici e David Goldberg
– ingegnere idraulico – (1989) scrisse un libro fondamentale che ne stabilì l'uso già negli anni
novanta nei sistemi idrici (Simpson, Dandy & Murphy, Savic & Walters, ecc.)
• Negli ultimi due decenni, sono state proposte molte nuove strategie evolutive per l'ottimizzazione
(molte nel campo della ricerca idraulica)
• Nel 1992, Koza ha sviluppato la Programmazione Genetica l’uso dell'apprendimento automatico
come regressione simbolica è iniziato negli anni novanta
• Davidson & Savic hanno proposto una nuova strategia alla fine dell'ultimo millennio per la
Regressione Simbolica e il Giustolisi ne ha sviluppata una originale (denominata Evolutionary
PolynomialRegression)quindici anni fa, che è oggi utilizzata in tutto il mondo in diversi campi
• Nell'ultimo decennio, sono stati proposti molti miglioramenti alla storia precedente come ad
esempio strategie di Deep Learning per la classificazione dei pattern all'interno del concettodi
Reti Neurali Artificiali

8. Digital water
Hydroinformaticse Transizione Digitale
nel mondo dell’Acqua
• Mike Abbott negli anni 90 «inventa» la Hydroinformatics
• Dal 1994 esiste un convegno mondiale biennale della comunità Hydroinformatics
• Dal 1999 esiste una rivista scientifica Journal of Hydroinformatics
• Dallo stesso periodo una Leadership Team (IWA-IAHR)della Hydroinformatics
• L’Italia ha avuto l’onere e l’onore di guidare sia la rivista che il LT negli ultimi dieci anni
• Hydroinformatics: scienza che ha unito negli ultimi 30 anni il mondo della informazione con quello
dell’idraulica
O. Giustolisi (2022) plenary session at Hydroinformatics 2022 Digital Transformation in Water Distribution Networks: from Digital Twin to
Digital Water Service concept
D.B. Laucelli, L. Enriquez, A. Ariza, F. Ciliberti, L. Berardi and O. Giustolisi (2023) A Digital Water Strategy Based on Digital Water Service
concept to Support Asset Management in a Real System, Journal of Hydroinformatics, invited in special issue.
F.G. Ciliberti, L. Berardi, D.B. Laucelli, A. Ariza, V.L. Enriquez and O. Giustolisi(2023) From Digital Twin Paradigm to Digital Water
Services, Journal of Hydroinformatics, invited in special issue.
Non ricerca tecnico-scientifica,né dimostrazionedi concetto,ma ormai innovazionedi processo-
prodotto nata nel 2020 e già utilizzatein Risanamento 4 e 5 di AQP come in molti altri contesti

9. Digital water
La Lezione della Storia
Molti concetti, strumenti e persino parole sono stati
sviluppati dal "mondo classico" e noi siamo già sulle
loro spalle.
Non cercare di scappare ... potrebbe essere
pericoloso!!!

10. Digital water
Sistemi Acquedottistici& Digital Twin
formato dati entità-relazioni
Es. Excel data format Es. GIS data format
I modelli sviluppati nel ‘90 (Es. EPANET)hanno un formato entità-relazioni non compatibile con i GIS

11. Digital water
Sistemi Acquedottistici & Gemello Digitale
Rappresentazione Utenze ed Idraulica Avanzata
È necessario essere il più possibile gemelli del sistema fisico come
comportamento topologico e idraulico e descrizione dei componenti
del sistema
• Modellazione di sistema serve a per creare il gemello digitale più
appropriato all’interno del concetto di servizio per gli utenti
• Modellazione idraulica avanzata
• Analisi topologica
• Utenze sempre più al centro del modello di sistema
• Interoperabilità con GIS, WEBGIS, BIM e realtà aumentata
Abnormal
Functioning
Demand-driven analysis (EPANET)
Pressure-drivenanalysis
H0
H

12. Digital water
Costo del Modello ed Interpretabilità (Modelli di Processo)
Machine Learning & Data Modelling
Interpretability for the user
Cost
of
the
model
Data
&
Information
Physical System
Information
Mathematical
Information
Field Measurement
Information
Monitoring Data
Information

13. Digital water
Algoritmi Genetici ed Ottimizzazione Information-Based
START
Crea popolazione iniziale
Valuta l’adattività
Selezione
Crossover
Mutazione
Condizione
terminale ?
Sostituisci vecchia generazione
con generazione nuova
END
per ciascun
cromosoma
riproduzione
si
no
1 0 1 0 0 0 1 1 1
Cromosoma
Gene
Genitori 0 0 0 0 0 0 0
1 1 1 1 1 1
1
Figli 0 0 0 1 1 1 1
1 1 1 0 0 0 0
1 1 1 0 1 0 1 1 1 0 0 0
Mutazione
Crossover

14. Digital water
OttimizzazioneInformation-Based e Supporto alla
Decisione
Invece di cercare la soluzione migliore (singolo obiettivo), l’approccio multi-obiettivo
cerca le soluzioni che hanno il miglior trade-off tra gli obiettivi definiti per lo specifico
problema tecnico (problem soloving)
A=model
non-dominated by A
dominating A
dominated by A
non-dominated by A
Complexity
Model Error
O
Obiettivo 1
Obiettivo 2
Criterio di
Dominanza di
Pareto
Fronte di Pareto

15. Digital water
15
La Teoria delle Reti Complesse nasce con Eulero con il lavoro "Seven Bridges of Königsberg" (1741)
Domanda: È possibile fare una passeggiata in cui si attraversa esattamente una volta ognuno
dei sette i ponti?
Risposta: NO Nodi con grado dispari N0>2
Dopo la morte di Eulero, la Teoria delle Reti Complesse ricevette molti contributi da
matematici che generalizzarono i concetti di Eulero stabilendo le basi per gli studi topologici.
Dalla risoluzione del problema di Eulero ad oggi, la Teoria dei Grafi è diventata una branca
della matematica molto importante, che guida gli studi circa l’analisi delle reti.
Genesi della Teoria delle Reti Complesse

16. Digital water
Oggetto della Teoria delle Reti Complesse
RETE INTERNET
RETI DI TRASPORTO
Stradale Aerea
RETE NEURALE
RETI
INFRASTRUTTURALI

17. Digital water
Modelli di Reti
Dopo la morte di Eulero, la CNT ricevettemolti contributi da
matematici del calibro di Hamilton, Kirchhoff and Cayley.
Cauchy (1813) e L'Huillier (1861) generalizzarono i concetti
di Eulero stabilendo le basi per gli studi topologici.
Inizialmente lo studio della Graph Theory era incentrata
soprattutto su reti regolari, cioè reti dove tutti i nodi interni
hanno lo stesso degree. Il degree di reti regolari è
caratterizzatoda un’assoluta omogeneità. Lattice: sono reti
regolari dove ogni nodo è accoppiato a tutti i suoi nodi vicini.
Erdos and Rény (1959) furono i primi a studiare il grado di
distribuzione dei sistemi reali introducendo le reti random.
Nelle reti random il degree è distribuito casualmente intorno
ad un valore medio, a significare che molti nodi hanno un
simile numero di connessioni, cioè la rete è caratterizzata da
una elevate omogeneità.
Watts and Strogatz (1999) definirono le reti small world
(piccolo mondo) basandosi sugli esperimenti di Milgram sui
sei gradi di separazione di reti sociali
Scale Free

18. Digital water
18
Indice di Modularità e
segmentazione del reti di Acquedotto

19. Digital water
Metriche di Centralità e Rilevanza delle Singole
Tubazioni negli Acquedotti
Betweenness adattata agli acquedotti
Giustolisi, O., Ridolfi, L., Simone, A. (2020). Embedding the intrinsic relevance of vertices
in network analysis: the case of centrality metrics. Nature ScientificReports, 10, 3297

20. Digital water
Digital Water Service
I Servizi Idrici Digitali restituiscono
rapidamente risultati di diretto interesse per
differenti attività tecniche (progettazione,
attività di campo, gestione asset, ecc.)
Sono un concetto di App di Ingegneria simile
alle App dei nostri dispositivi, ma con il
sistema fisico e la decisione tecnica interposte
fra l’azione ed il risultato tecnico
Dal Gemello Digitale al Servizio Idrico Digitale
Dal Cosa accade se al cosa fare

21. Digital water
Quanti Servizi Servizi Idrici Digitali?
• I nuovi strumenti “digitali” devono essere un mix di vera tecnica e
corretta scienza supportate dai miglioramenti tecnologi di questi
tempi. Tali strumenti devono essere progettati con la guida di
vere esigenze gestionali di sistema
• L’innovazione nasce dal confronto e dalla esigenza di risolvere
problemi tecnici reali
• La formazione continua alla gestione dei sistemi idraulici ha un
ruolo centrale, la disinformazione è deleteria.
Potenzialmente senza limiti, ma non esistono strumenti
“magici” per la soluzione di tutti i problemi!

22. Digital water
• Gemello Digitale
• Analisi Topologica
• GIS
• Teoria delle Reti Complesse
• WDN-based Betweenness
Centrality
App di Ingegneria - Servizi Idrici Digitali
DigitalWaterDomain_Analyzer

23. Digital water
• Gemello Digitale
• Analisi Topologica
• GIS
• Teoria delle Reti Complesse
• WDN-based Betweenness
Centrality
• IVS grafo bipartito
DigitalWaterIVS_Vulnerability
App di Ingegneria - Servizi Idrici Digitali

24. Digital water
• Gemello Digitale
• Analisi Topologica
• GIS
• Teoria delle Reti Complesse
• Indice di Modularità WDN-
Tailored
• Analisi delle componenti
• Ottimizzazione
• Algoritmi Genetici
• Multi-Obiettivo
• Supporto alla Decisione
DigitalWaterVirtualDMA
App di Ingegneria - Servizi Idrici Digitali

25. Digital water
DigitalWaterBursts
• Gemello Digitale
• Analisi Topologica
• GIS
• Modello idraulico
avanzato
• Teoria delle Reti Complesse
• Analisi delle componenti
App di Ingegneria - Servizi Idrici Digitali

26. Digital water
• Gemello Digitale
• Analisi Topologica
• GIS
• Modello idraulico
avanzato
• Teoria delle Reti Complesse
• Analisi delle
componenti
DigitalWaterWorks
App di Ingegneria - Servizi Idrici Digitali

27. Digital water
DigitalWaterDMADesign
• Gemello Digitale
• Analisi Topologica
• GIS
• Modello idraulico avanzato
• Teoria delle Reti Complesse
• Analisi delle componenti
• Ottimizzazione
• Algoritmi Genetici
• Multi-Obiettivo
• Supporto alla Decisione
App di Ingegneria - Servizi Idrici Digitali

28. Digital water
• Gemello Digitale
• Analisi Topologica
• GIS
• Modello idraulico avanzato
• Teoria delle Reti Complesse
• Analysi delle componenti
• Ottimizzazione
• Algoritmi Genetici
• Ottimizzaizone Multi-Obiettivo
• Supporto alla decisione
• Machine Learning (es. Evolutionary Polynomial
Regression)
• Propensione alla perdita da data-modelling
di registrazioni di guasti
DigitalWaterMassCalibration
(Reverse Engineering)
App di Ingegneria - Servizi Idrici Digitali

29. Digital water
• Gemello Digitale
• Analisi Topologica
• GIS
• Modello idraulico avanzato
• Teoria delle Reti Complesse
• Analisi delle componenti
• Machine Learning (es. Evolutionary
Polynomial Regression)
• Propensione alla perdita da
data-modelling di registrazioni
di guasti
DigitalWaterRehabilitation
App di Ingegneria - Servizi Idrici Digitali

30. Digital water
IDEA-RT Provider di Innovazione

31. Digital water

32. Digital water

33. Digital water

34. Digital water

35. Digital water
WMS e Ciclismo
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36. Digital water
orazio.giustolisi@poliba.it – 3293173094
www.linkedin.com/in/orazio-giustolisi-2223588/
Grazie per l’attenzione
I was, am, will be forever
Hydraulic Engineer
Loving technical and research
contamination from different fields
Loving exploring the future on the
shoulders of the past