Intelligence artificielle et exploitation des réseaux d’eau

Ce 29 juin, l’Ecole des Mines d’Albi et Veolia présentaient les premiers résultats de leur laboratoire commun RE-S-EAU (Résilience et Efficience des Systèmes de production et distribution d’EAU). Officiellement créé le 20 décembre 2019, celui-ci a démarré en septembre 2020 pour une durée de cinq ans.

D’un côté, donc, les compétences du Centre de Génie Industriel (CGI) des Mines, soit la science des données, l’ingénierie des modèles, l’ingénierie des connaissances et la recherche opérationnelle. Le tout décliné sur quatre thèmes transversaux de recherche appliquée : l’organisation des chaînes logistiques, la sécurité et gestion de crise, l’ingénierie organisationnelle pour les systèmes de santé et le cycle de vie des produits, services et processus. De l’autre côté, les besoins de Veolia et l’énorme masse de données dont dispose l’entreprise grâce à l’instrumentation utilisée pour le pilotage de ses installations.

 « C’est un partenariat ouvert : nous avons donné à l’IMT Albi Carmaux l’accès à nos bases de données, autant les données brutes que celles que nous avions déjà travaillées pour nos propres systèmes d’exploitation.  Ils ont toute latitude pour tester dessus leurs algorithmes, voir comment se comportent leurs modèles par rapport à ce que nous avons déjà fait » explique Jean Cantet, expert technique « eau et assainissement » à Veolia, basé à la direction des opérations Sud-Ouest (Toulouse). Xavier Lorca, directeur du CGI, souligne d’ailleurs que Veolia ne part pas de zéro en la matière : « ils obtiennent déjà de bons résultats, par exemple en maintenance prédictive, grâce à une bonne culture de la collecte et du nettoyage des données ».

Les travaux de RE-S-EAU portent actuellement sur la planification sous incertitude des interventions, la maintenance prédictive du réseau d’eau potable et la gestion des crises. Chaque cas d’étude s’appuie sur les données réelles issues d’une installation ou un secteur géré par Veolia Sud-Ouest. « Ces trois thèmes sont évidemment liés sur le terrain mais ils posent des questions différentes, avec des verrous scientifiques propres » explique Xavier Lorca. « L’idée était d’aller vers des spécialistes du traitement des données, de l’algorithmique et de l’intelligence artificielle pour franchir un cran dans notre manière de gérer ces sujets » résume Jean Cantet. Il s’agit, concrètement, de développer des outils d’aide à la décision car, in fine, il reviendra à l’humain de faire les choix définitifs.

Planifier les tâches en situation d’incertitude.

Objet d’une thèse devant s’achever en septembre 2023, la planification des interventions se fait actuellement « à la main » et avec une visibilité d’un jour, au mieux d’une semaine. Il s’agit, en fonction de contraintes comme le nombre et la qualification des agents disponibles, la localisation (donc les kilomètres à parcourir) ou la nature (branchement d’abonnés, réparation de pannes, etc.) des interventions, d’utiliser au mieux les ressources disponibles pour réaliser ces tâches. Le tout en gérant les imprévus : une urgence qui survient, une intervention qui dure plus longtemps que prévu … Ces aléas impliquent de recaler sans cesse la planification, de revoir dans l’urgence les tournées des agents. Autant de décisions compliquées, à prendre très rapidement, au risque de ne pas faire les choix les plus pertinents.

Après avoir modélisé et simulé ce qui se fait actuellement sur le Service local des Portes du Quercy, un secteur du Tarn-et-Garonne, la doctorante de RE-S-EAU sélectionne, et au besoin crée, différentes méthodes algorithmiques pour améliorer la planification journalière. Objectifs visés : l’efficience dans l’utilisation des ressources (personnel, temps, carburant …), la qualité de service pour la Collectivité et l’usager et la résilience aux aléas. Il s’agira également, dans un deuxième temps, de pouvoir planifier à plus long terme, ce qui donnera encore plus de souplesse en cas d’imprévu. Une fois achevé, l’outil fera des propositions de planification que le responsable confirmera (ou non), ce qui le libèrera pour se consacrer, par exemple, à l’accompagnement logistique des interventions complexes.

La méthode algorithmique envisagée a d’ores et déjà obtenu de meilleurs résultats que l’existant en ce qui concerne la planification sur un jour mais il reste encore des verrous scientifiques à lever pour la planification à plus long terme.

Renouveler le réseau à bon escient

« Renouveler le bon tuyau, au bon endroit, au bon moment » pour minimiser les casses, c’est tout l’enjeu de la maintenance prédictive d’un réseau d’eau potable. Veolia dispose déjà de Mosare®, un outil propriétaire de prédiction des anomalies, qui lui permet de proposer des travaux de rénovation ciblés aux collectivités. A RE-S-EAU, un post doc devant s’achever en novembre 2022 est consacré à l’amélioration de cet outil. Le travail se base sur les données de la métropole de Toulouse (37 communes, 3500 km de réseau en plus de 20 matériaux différents, 820 000 habitants desservis), avec un historique de plus de 15 ans.

Le système proposé comprend plus de modèles de prédiction des casses (reposant sur des approches statistiques, de l’apprentissage machine ou des réseaux de neurones) que Mosare®, ce qui permet de dépasser 95% de prédiction. La grande avancée est cependant d’un autre ordre : « à la prédiction des casses, nous avons ajouté un module algorithmique qui fait des recommandations de remplacement en intégrant des contraintes comme l’objectif de qualité de service visé et le budget disponible pour les travaux » souligne Xavier Lorca. Il revient ensuite à Veolia de les proposer à la collectivité, qui prendra en compte des dimensions telles que, par exemple, les travaux de voirie prévus par ailleurs. 

Tous les ans, le système subira une nouvelle phase d’apprentissage intégrant les données réelles mises à jour, afin d’affiner toujours plus ses capacités de prédiction et de proposition.

Se préparer aux crises

Une inondation qui noie une station de pompage ou de production, un gel, une sécheresse, la pollution d’un cours d’eau, un mouvement de terrain cassant une canalisation, un incendie : autant d’évènements extérieurs susceptibles d’affecter le système de production et distribution d’eau potable. Et qui vont se produire de plus en plus souvent avec le changement climatique… Comment mieux se préparer à ces crises ? C’est l’objet d’un post doc au RE-S-EAU, qui devrait s’achever en avril-mai 2023.

Le projet se déroule en quatre phases. Tout d’abord la modélisation du système physique, en l’occurrence le réseau de Gaillac, de la ressource (le Tarn) au robinet des clients. Un modèle très précis amené à évoluer jusqu’à un véritable « jumeau numérique » - c’est-à-dire un modèle intégrant en temps réel les données issues du système physique et agissant en retour sur celui-ci via des actionneurs. Puis viendra la simulation de son activité (en validant avec la réalité), suivie de l’évaluation de l’impact d’aléas - pour l’instant sécheresse, gel et inondation- sur des indicateurs comme la continuité de service, la qualité de l’eau ou le rendement du réseau. Enfin, cela conduira, après identification des zones de fragilité, à des propositions d’actions préventives ou correctives sur le système réel.

Le CGI est également doté d’une plateforme de réalité virtuelle qui, dans un second temps, pourrait permettre aux différents acteurs de s’entraîner à réagir à des crises simulées.

Une exigence de robustesse

Quel que soit le thème abordé, une problématique s’est imposée : la nécessaire robustesse des solutions, leur capacité de résilience aux aléas. Or, comme l’explique Xavier Lorca, « la robustesse est une dimension souvent presque antagoniste à la performance chiffrée. Si l’on veut anticiper le fait que des problèmes peuvent survenir, le modèle n’est plus optimisé pour la performance pure. Nous devons repenser nos mécanismes à ce prisme. » Les questions scientifiques posées ne sont plus les mêmes, les outils convoqués non plus. Ce changement d’orientation implique soit d’adapter les outils algorithmiques existants soit de développer de nouvelles techniques de résolution prenant en compte l’aléa de manière native. 

« L’optimisation de la performance pure était justifiable dans un monde aux ressources considérées comme infinies. La prise de conscience de leurs limites, et même de l’aspect critique de certaines d’entre elles, a amené un changement de paradigme. Les industriels sont aujourd’hui prêts à sacrifier quelques points de performance au profit de la robustesse de leur système face à une crise. Ne serait-ce que parce que le coût de l’impréparation est prohibitif… » souligne Xavier Lorca.

Veolia ne fait pas exception. « C’est une direction que nous voulions prendre dès l’initiation de RE-S-EAU : notre métier est particulièrement exposé aux aléas. Il est nécessaire d’associer la  performance et la résilience pour améliorer la qualité de service » estime pour sa part Jean Cantet.

Une expérience généralisable

Le partenariat est né dans la région Sud-Ouest, ne serait-ce qu’à cause du rayonnement de l’IMT Mines Albi dans les domaines du génie industriel et de l’intelligence artificielle, mais le terrain de jeu a vocation à être élargi. « Ces travaux sont suivis par Veolia Eau France au niveau national. Et si les solutions sont déployables à l’international, nous ne nous en priverons pas » affirme Jean Cantet.

Par ailleurs, la démarche appliquée aux trois thèmes initialement retenus peut fort bien s’étendre à d’autres sujets. « La gestion des fuites pour améliorer le rendement du réseau serait un bon exemple, mais en fait tous nos domaines d’activité -eau potable, assainissement, eaux pluviales …- pourraient bénéficier de ce type de recherche » estime Jean Cantet.

 Patrick Philipon