Soutenance mémoire
Monitoring opérationnel des réseaux
REVUE DE LITTÉRATURE SUR LES OUTILS DE LA GESTION EN TEMPS RÉEL
Introduction
Cette recherche traite de l’élaboration d’un système d’aide à la gestion en temps réel de la qualité des eaux. Afin de situer ce travail et d’en démontrer l’originalité par rapport à de nombreux travaux portant sur la modélisation, la prévision des flux et l’optimisation de la commande et visant à gérer en temps réel les réseaux d’assainissement, une revue critique de la littérature sera exposée dans le présent chapitre.
Gestion en temps réel
Dans l’encyclopédie de l’hydrologie urbaine et de l’assainissement, Chocat offre une définition de la gestion en temps réel (GTR). La GTR des réseaux d’assainissement désigne la gestion des écoulements fondée sur l’automatisation du système d’assainissement et sur le traitement informatisé des données hydrauliques et hydrologiques. Cette gestion dynamique repose sur l’utilisation des nouvelles technologies de l’information et d’automatisation pour suivre, analyser et contrôler avec un très faible décalage de temps, le fonctionnement de tout ou d’une partie de ce système. Le but est d’éventuellement intervenir sur son fonctionnement (Chocat, 1997).
Rossi (2001) complète cette définition en ajoutant que l’application de l’approche GTR à un réseau d’assainissement repose sur l’idée essentielle selon laquelle les intensités de pluie présentent une très grande variabilité spatio-temporelle et de ce fait, les différents ouvrages d’un réseau d’assainissement sont inégalement sollicités dans l’espace et dans le temps. En conséquence, une amélioration du contrôle des débits des ouvrages de stockage et de répartition du réseau permet d’évacuer sans risque des quantités de flux supérieures à celles qui auraient pu transiter dans le réseau de par sa seule capacité d’autorégulation mécanique (Rossi, 2001).
Ce type de gestion apparu dans les années 1960 se présente aujourd’hui comme un moyen efficace pour remédier au problème des débordements. La GTR vise à réduire les risques de débordement et/ou de pollution du milieu naturel en optimisant l’usage du réseau à l’aide d’un système de prise d’informations et un système de régulation automatisée (Kroa, 1993).
À cette fin, et en ce qui concerne plus particulièrement la gestion des réseaux d’assainissement, dès les années 70, des systèmes SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition) furent mis en opération dans de nombreuses villes en Amérique du Nord (Winn et Moore, 1973) et en Europe (Schilling, 1989) et (Gonwa et Novotny, 1993).
À cette époque, la plupart des systèmes de gestion des réseaux se réduisaient à une simple commande réactive locale (Colas et al., 2004). La commande réactive locale emploie un régulateur dynamique pour ajuster le débit acheminé vers la station d’épuration en fonction des conditions hydrauliques présentes à l’endroit du point d’interception.
Durant les années 80 et 90, avec l’avènement des technologies de l’information et des moyens rapides de calcul, de véritables systèmes de contrôle prédictif intégré ont vu le jour (Pleau, et al., 1996). Beaucoup de villes américaines ont donc projeté entre 1992 et 1995 de mettre en application un certain type de contrôle centralisé (Pleau, et al., 1996), mais seulement Seattle a mis en œuvre dès lors un système utilisant une stratégie de contrôle optimale centralisée et globale GOC (Global Optimal Control) utilisant ce type de stratégies (Marinaki et al., 2005).
Dans ce mode d’opération, les consignes de gestion sont fournies par un optimisateur qui utilise l’information sur les conditions actuelles et futures d’écoulement dans l’ensemble du réseau (Pleau, et al., 1996).
Ce mode d’opération est encore peu utilisé de nos jours. En effet, le groupe de travail de l’International Water Association (IWA, 2012) qui travaille sur le contrôle en temps réel des systèmes de drainage urbains n’ont répertorié dans la littérature, qu’une dizaine de projets aux Etats-Unis. Minneapolis-Saint Paul au Minnesota, Seattle dans l’état de Washington, Rochester dans l’état de New-York, Cleveland et Lima en Ohio, Détroit au Michigan, Chicago en Illinois, Milwaukee au Wisconsin et San Francisco en Californie. La plupart d’entre eux ayant été initiés dans les années 1970 et mis en œuvre dans les années 1980 (IWA, 2012).
Tous ces projets ont mis en place des systèmes opérant avec des logiques de commande réactive locale. Seattle avait été la seule à avoir implanté un contrôle automatique central, mais il a été mis hors service dès 1995 (IWA, 2012). Au Canada, après avoir identifié les stratégies de gestion optimales les mieux adaptées pour contrôler les débordements par temps de pluie (Lessard et Lavallée, 1985), ce n’est que depuis 1999, après la construction des stations de traitement des eaux usées et plusieurs années d’études, qu’un premier projet d’implantation d’une GOC et prédictive a été mise en opération pour la Ville de Québec (Pleau, et al., 1996). Ainsi, la Communauté Urbaine de Québec a implanté en 1999 un système de gestion utilisant un simulateur optimisateur pour contrôler les débordements des réseaux unitaires dans la rivière Saint-Charles (Pleau et al., 2001).
Aujourd’hui, ce projet a permis de réduire les épisodes de débordements par période estivale, permettant le respect des exigences de rejet, le retour aux activités aquatiques et l’accès au cours d’eau (Pleau et al, 2011).
La Communauté urbaine de Montréal a également réalisé des stations de contrôle local pour gérer leur système de traitement des eaux usées très tôt dans les années 1980 (Pleau et al., 2000) et un système centralisé est toujours en développement (Duong, 2005).
D’autres développements similaires sont toujours en cours dans les villes de Louisville au Kentucky (Charron et al., 2000), Welmington au Delaware (Colas et al., 2004), New York,(Schutze et al., 2006). La ville d’Hamilton en Ontario planifie aussi depuis longtemps l’implantation d’un système GTR (Stirrup et al., 1997).
Le groupe de travail de l’IWA rapporte qu’en Europe, les projets ont débuté plus tardivement que les expériences nord-américaines. Ce n’est qu’au début des années 80 que de tels projets ont vu le jour à partir de quelques expériences, comme celle à Hambourg (Allemagne) et de Seine-Saint-Denis (France). L’élan n’a toutefois jamais disparu, et a même pris de l’ampleur au cours des dernières années (IWA, 2012).
Les structures de ces systèmes sont assez similaires à celles des Etats-Unis. Ils ont tous des systèmes de supervision centraux, et sauf pour quelques cas d’applications, tous ont mis en place un contrôle réactif local plutôt qu’un contrôle centralisé. L’IWA a aussi répertorié qu’en France, le Conseil Général des Hauts de- Seine a de longue date, équipé la plupart de ses déversoirs d’orage de dispositifs de mesure en continu; dans le but d’une part d’élaborer des bilans mensuels et annuels de rejet vers le milieu récepteur, mais aussi d’autre part pour recueillir des données de référence pour l’interprétation du fonctionnement du réseau de collecte et de transport (IWA, 2012).
En recueillant ces données pour l’étude des projets d’optimisation à venir pour ce réseau, Roux a développé une approche visant une consolidation des bilans d’auto-surveillance à l’aide de la modélisation hydraulique, dans le but ensuite de s’appuyer sur l’ensemble ainsi harmonisé, pour enrichir l’interprétation des bilans d’auto-surveillance (Roux et al., 2010).
Selon Roux, cette démarche s’avère être un important levier d’amélioration conjoint du dispositif de mesure et de l’outil de modélisation; laissant ainsi percevoir une convergence des deux outils à moyen terme (Roux et al., 2010).
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Table des matières
INTRODUCTION
CHAPITRE 1 CONTEXTE, PROBLÉMATIQUE ET OBJECTIF DE LA RECHERCHE
1.1 Contexte
1.2 Respecter les contraintes réglementaires
1.3 Monitoring opérationnel des réseaux
1.4 Une approche globale
1.5 Problématique
1.6 Contrecarrer les impacts de l’urbanisation
1.7 Atteinte des objectifs environnementaux de débordement
1.8 Objectifs de la recherche
1.9 Méthodologie de la recherche
CHAPITRE 2 REVUE DE LITTÉRATURE SUR LES OUTILS DE LA GESTION EN TEMPS RÉEL
2.1 Introduction
2.2 Gestion en temps réel
2.3 Modélisation des réseaux
2.4 Prévision des flux
2.5 Optimisation de la commande
2.6 Baser la conduite sur la qualité
2.7 Contribution et originalité de la démarche
CHAPITRE 3 ARTICLE 1: « A GLOBAL MODELING APPROACH TO THE HYDRAULIC PERFORMANCE EVALUATION OF A SEWER NETWORK »
3.1 Abstract
3.2 Introduction
3.3 Peak discharge estimation
3.4 Hydraulic performance
3.5 Application
3.6 Hypothetical network case
3.7 Real network case
3.8 Conclusion
CHAPITRE 4 ARTICLE 2: « FORECASTING OF FLOWS AND POLLUTANTS LOADS FOR QUALITY BASED REAL TIME CONTROL»
4.1 Abstract
4.2 Introduction
4.3 Objective
4.4 Methodology
4.5 The Improved Rational Hydrograph method
4.6 The Modified Muskinghum transfer function
4.7 Pollutant Load Forecasting
4.8 The Kalman Filtering
4.9 Linking the Kalman Filter and the flow prediction model
4.10 Linking the Kalman Filter and the pollutant load prediction model
4.11 Flow Forecasting Case Study I
4.12 Flow Forecasting Case Study II
4.13 Pollutant Load Forecasting Case Study I
4.14 Pollutant Load Forecasting Case Study II
4.15 Conclusion
CHAPITRE 5 ARTICLE 3: «TOWARD A QUALITY BASED CSO REAL TIME CONTROL APPROACH»
5.1 Abstract
5.2 Introduction
5.3 Objective of the work
5.4 Methodology
5.5 Optimization method
5.6 Global modeling
5.7 Flows and loads forecasting
5.8 Case study
5.9 Quality-based RTC concept validation
5.10 Optimization using the Simplex method
5.11 Optimization using the rule-based method
5.12 Results
5.13 Conclusion
CONCLUSION
RECOMMANDATIONS
ANNEXE I LA RECHERCHE DE CONSIGNES DE COMMANDE
ANNEXE II THE AUTOREGRESSIVE [AR(2)] MODEL
ANNEXE III CRITICAL KEY FACTORS RELATED TO RTC IMPLEMENTATION
ANNEXE IV INLINE FLOW MEASUREMENT CONSTRAINTS
ANNEXE V NEED FOR A GOOD RAIN GAUGE COVERAGE
ANNEXE VI RTC STRATEGY ASSESSMENT
ANNEXE VII PROGRAMMATION LINÉAIRE ET MÉTHODE DU SIMPLEX
ANNEXE VIII MATHEMATICAL OPTIMIZATION DRAWBACKS
ANNEXE IX ADVANTAGES AND DRAWBACKS OF RULE BASE CONTROL
LISTE DE RÉFÉRENCES BIBLIOGRAPHIQUES
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