Intelligence artificielle : qu’apporte-t-elle au monde de l’eau ?

Au-delà des classiques supervisions, le monde de l’eau voit aujourd’hui arriver des outils numériques avancés, parfois rassemblés sous le nom générique de « couche métier ». Il s’agit de logiciels capables d’exploiter les données issues des installation (ou de l’extérieur) pour en extraire des informations opérationnelles. Ils font souvent appel à de la modélisation et à des techniques algorithmiques avancées, dont l’intelligence artificielle (IA). Au-delà de l’effet de mode, qu’apportent ces développements informatiques aux métiers de l’eau ? Le jeu en vaut-il la chandelle ? Petit tour d’horizon d’un marché encore en phase de structuration en France.

POUR QUOI FAIRE  ? 

La première question qui vient à l’esprit est celle de l’utilité de telles solutions pour des exploitants qui disposent déjà, bien souvent, d’une architecture de contrôle commande, d’outils de supervision, et parfois de logiciels de gestion de maintenance assistée par ordinateur (GMAO), de système d’information géographique (SIG), etc. « Ces outils avancés font précisément ce que ni le SCADA ni l’opérateur humain ne peuvent faire» fait remarquer Antonin Fradin, Directeur de la Solutions Line Water Operations & Assets Solutions chez SUEZ Digital Solutions. Plus précisément, il s’agit d’aller au-delà des exigences de base – distribuer une eau conforme, respecter les normes de rejet dans le milieu – pour améliorer en temps réel la performance des installations ou des services. «Les exploitants pilotent leurs installations pour répondre aux objectifs réglementaires mais peu font de la performance. Si l’on veut, par exemple, optimiser le rendement énergétique d’une STEU en termes de kWh/m3 d’eau traitée, il faut centraliser l’information et en faire une analyse algorithmique avancée en temps réel pour ajuster en permanence l’ensemble des réglages de l’installation» explique ainsi Jean-Emmanuel Gilbert, Directeur du développement et cofondateur d’Aquassay. 

«Cette couche d’algorithmes permet trois actions : voir les systèmes, prédire leur comportements, en optimiser le fonctionnement» résume François Géronimi, Directeur des Partenariats pour la Performance et l’Innovation chez Xylem, à propos des modules métiers proposés avec la plateforme Xylem Vue powered by GoAigua. Antonin Fradin (SUEZ) prend pour illustration un réseau d’assainissement unitaire: «en cas de pluie, pour éviter le débordement dans la rue et la surverse dans le milieu récepteur, il est parfois possible de faire de la rétention dans le réseau lui-même, avec un équipement adapté. Ni un SCADA ni même l’intelligence humaine ne peuvent offrir cette possibilité car il faut pour cela coupler la prévision météorologique et les résultats des pluviomètres à un modèle hydraulique du réseau, et en déduire en temps réel des consignes pour les pompes et vannes. C’est là que des algorithmes, éventuellement à base d’intelligence artificielle, peuvent prendre le relai.» Reste qu’il ne suffit pas d’ajouter une couche logicielle à son système pour obtenir des résultats. Cela nécessite des prérequis en termes d’organisation (en particulier décloisonner les échanges d’information) et de qualité des données.

FAUT-IL MULTIPLIER LES CAPTEURS  ?

Plus de capteurs pour plus de services ? Pas nécessairement. «Déployer des instruments de mesure n’a de sens que s’ils fonctionnent et sont performants, ce qui suppose un niveau - et des coûts - de maintenance non négligeables. Faute de quoi vous pouvez rapidement avoir des capteurs dont les données sont inexploitables et, autrement dit, vous aurez beaucoup investi pour un faible retour. Mieux vaut donc se concentrer sur la pertinence et le fonctionnement des capteurs que sur leur nombre» insiste Antonin Fradin (SUEZ). «Il est de surcroît essentiel de garantir que tous ces capteurs soient reliés au réseau, lequel doit offrir une couverture adéquate. Sans cela, les capteurs deviendraient obsolètes» affirme Philippe Brachet d’Unabiz, société propriétaire de la technologie réseau Sigfox. Les protocoles radio LoRaWan, SigFox ou Wize (en Wireless M-Bus), entre autres, sont adaptés à ce type d’application. 

Aquassay propose d’ailleurs une démarche progressive commençant par une analyse de la situation sur le terrain afin de maîtriser les flux physiques. «Il s’agit de déterminer quelles données collecter. Avant d’instrumenter à tout va, il faut s’assurer que les capteurs représenteront bien la réalité : qu’ils sont bien positionnés, bien calibrés et mesurent le bon paramètre» explique ainsi Jean-Emmanuel Gilbert. «Avant d’installer Xylem Vue, nous discutons avec les clients : ont-ils assez de données ? Faut-il ajouter des capteurs ? En général il y en a assez. Les petites et moyennes collectivités qui ont entamé leur voyage numérique sont en fait souvent déjà perdues dans une masse de données dont elles ne savent que faire» affirme de son côté François Géronimi (Xylem).

QUALITÉ DE LA DONNÉE : LA BRIQUE DE BASE

«La qualité de la donnée est un sujet central dont on ne parle jamais assez. Dans le monde de l’eau ou de l’assainissement, les données sont souvent soit lacunaires, soit peu fiables» insiste Antonin Fradin (SUEZ). Et de fait, pour être utilisables, les données doivent être critiquées, validées (ou invalidées si anormales), éventuellement complétées en cas de lacunes. Dès ce stade, des algorithmes combinant des approches physiques, des approches métier et éventuellement de l’apprentissage automatique (la principale modalité de l’intelligence artificielle), peuvent d’ailleurs intervenir. Même insistance chez Saur : «Nous avons référencé plus de 4800 données dans notre dictionnaire, avec un standard défini, et effectuons plus de 1500 contrôles quotidiens sur la qualité de ce qui arrive sur notre plateforme. Pour développer des outils innovants utilisant l’intelligence artificielle, il faut d’abord poser les fondations» souligne Grégory Denis Chief Data officer et directeur de l’IA chez Saur. 

Chez Xylem, le «premier étage» de l’offre, appelé Smart Water Engine, assure lui aussi la fiabilité de la donnée en utilisant des procédés arithmétiques et algorithmiques. Createch360 intègre dans ses solution de pilotage de process le module Intelligent Data Management (IDM) destiné à pallier les défauts des instruments de mesure, en ajustant automatiquement le pilotage selon la fiabilité des signaux, grâce à des jumeaux numériques construits par apprentissage machine. Afin d’améliorer la qualité des données provenant des réseaux, 1Spatial propose pour sa part le logiciel 1Integrate. «Notre solution utilise l’apprentissage machine et l’automatisation pour assurer la complétude, la normalisation, la structuration des jumeaux numériques, afin que des données homogènes et complètes garantissent la performance des processus ultérieurs d’IA» commente Catherine Gauthier, Responsable Marketing chez 1Spatial. Chez Aquassay également, après la phase initiale d’analyse terrain et de choix des données pertinentes, une «première couche» numérique en assure la qualification. Greencityzen fait aussi appel à l’intelligence artificielle dès ce stade.

PLUSIEURS NIVEAUX DE COMPLEXITÉ

Il existe plusieurs types de solutions «métier », impliquant différents niveaux de complexité algorithmique. Cela va de l’édition de tableaux de bord et la synthèse d’indicateurs jusqu’à l’anticipation du comportement de l’installation, voire son pilotage optimisé en temps réel. Les données enregistrées sont aussi une mine de renseignements sur des évènements passés afin d’en comprendre la cause, d’améliorer les installations ou les procédures. «Cela peut aller d’un petit contrôle avec une logique simple d’optimisation du dosage d’un réactif ou de commande d’une pompe, jusqu’à un jumeau numérique de toute l’installation qui peut piloter tous les équipements et prendre des décisions en temps réel en fonction d’objectifs métier » déploie Louis Larsen, Digital Business Manager chez Veolia Water Technologies Europe. Selon Antonin Fradin, la vaste gamme AQUADVANCED® de SUEZ peut être classée en trois niveaux. 

Tout d’abord l’hypervision, qui consiste à rassembler l’ensemble des données disponibles d’un système d’eau ou d’assainissement, qu’elles soient issues du SCADA, d’un laboratoire, du SIG, de capteurs non connectés à un SCADA, de services extérieurs (météo), etc., et les visualiser sur un système unique d’affichage. Vient ensuite l’anticipation, qui s’appuie sur des modèles physiques, en général hydrauliques, mais aussi de l’apprentissage automatique pour permettre à l’opérateur de voir ce qu’il va se passer dans son système. Enfin, et c’est le dernier niveau, des outils peuvent proposer en temps réel des consignes de gestion pour optimiser le fonctionnement du système lui-même, voire prendre la main et les appliquer automatiquement. De même, au-delà de la plateforme d’hypervision, Xylem peut proposer des modules métier plus ou moins sophistiqués, allant jusqu’au jumeau numérique de l’installation. «Par exemple, avec un jumeau numérique, l’exploitant a accès en temps réel à la représentation dynamique du fonctionnement physique, réel, de son réseau et à la mesure virtuelle effectuée par le jumeau numérique. Il peut déconnecter l’une de l’autre et créer des crises virtuelles pour voir comment l’installation réagit, par exemple. Le jumeau peut aussi donner une prédiction à 24 heures du comportement de l’installation. Enfin, l’utilisateur peut aller dans le passé, voir les crises et comment ont été résolues» explique François Géronimi (Xylem). 

Aquassay commercialise sa prestation sous le nom d’E-Water Efficiency. Une fois les données qualifiées, la démarche comporte quatre niveaux d’analyse, chacun utilisant des données plus élaborées dérivées des données et calculs précédents. Le premier niveau utilise les données brutes (mais validées) issues de l’installation pour calculer des variations, des ratios entrée/sortie, des balances. « Il donne déjà des information opérationnelles, par exemple il signale des fuites. On peut ajouter des alertes » précise Jean-Emmanuel Gilbert. Le deuxième niveau fait appel à des calculs de type génie des procédés et permet déjà de se projeter dans le futur : voir qu’une membrane est en train de s’encrasser, prévoir un colmatage dans deux heures… «Cela permet de faire de la maintenance préventive, ou du réapprovisionnement en réactif par exemple » illustre Jean-Emmanuel Gilbert. 

Le troisième niveau fait appel à des calculs statistiques sur l’historique des données. C’est là qu’intervient éventuellement l’intelligence artificielle. Outre l’identification de dérives lentes, l’objectif est de proposer des actions (après les avoir testées virtuellement), donc d’aider au pilotage d’un procédé pour en optimiser le fonctionnement en temps réel. Le niveau quatre propose le même type d’approche mais à l’échelle d’un système complet (une STEU par exemple). De son côté, Createch360 met en œuvre des solutions qui pilotent les process en temps réel pour en optimiser la performance. Elles utilisent une combinaison d’outils logiques (dont logique floue, IA, etc.) adaptée à chaque projet. «Notre vision holistique des process intègre dans le pilotage nombreuses synergies internes et facteurs externes (structure tarifaire d’électricité, météo, etc.) pour maximiser les bénéfices » explique Lynne Bouchy, Product Line Manager chez Createch360.

DES OFFRES STRUCTURÉES DIFFÉREMMENT

S’il existe différents niveaux de complexité algorithmique, il existe aussi, d’un point de vue cette fois-ci commercial, différentes structures d’offres. Les grands opérateurs de l’eau que sont Veolia, SUEZ ou Saur ont la particularité d’être à la fois utilisateurs et développeurs de solutions logicielles. Leur division numérique s’appuie sur l’expertise du groupe et les retours ou besoins des exploitants de terrain pour mettre au point les outils nécessaires … ou intégrer des solutions tierces. «AQUADVANCED® est une gamme complète de produits qui aujourd’hui adresse l’ensemble des problématiques du cycle de l’eau, de la ressource amont jusqu’aux STEU et même au milieu récepteur en aval via la question des eaux de baignade» affirme ainsi Antonin Fradin (SUEZ). La Métropole de Milan (Italie) et la ville de Tarragone (Espagne) utilisent des solutions AQUADVANCED® pour réduire la consommation d’énergie de leurs systèmes de production d’eau potable. 

L’opérateur Water-Link fait appel au module AQUADVANCED® Water Network pour la détection des fuites sur son réseau. Bordeaux ou Singapour, comme le SIAAP, utilisent des solutions AQUADVANCED® pour le pilotage dynamique de leur réseau d’assainissement. Des villes moins importantes comme Oyonnax (Ain), Moulins (Allier) ou Roanne (Loire), y font également appel. Veolia, qui rassemble ses offres numériques sous le nom d’Hubgrade, se concentre surtout sur les stations d’épuration et les réseaux assainissement. «La logique pourrait tout aussi bien s’appliquer à l’eau potable» souligne toutefois Louis Larsen. Veolia a déjà déployé plus de 120 jumeaux numériques dans le monde, et Hubgrade est en phase de déploiement en France. «Nous allons démarrer la création du jumeau numérique de la STEU de Strasbourg. Il va optimiser beaucoup de procédés en utilisant des données internes mais aussi la météo, etc. A l’autre extrémité du spectre, Cergy utilise un outil Hubgrade très spécifique pour réduire les émissions de protoxyde d’azote de son bassin aéré» énumère Louis Larsen. 

Saur a structuré son système d’information autour d’une plateforme web unique regroupant toutes les données issues des installations que gère le groupe, ainsi de la GMAO du groupe, de son CRM, de son système comptable, de son site internet, sans compter des données extérieures en open data. «Cette plateforme capte presque toutes les données de notre entreprise et les stocke de manière compréhensible.Cela permet d’obtenir des visions globales mais aussi d’exploiter ces données pour développer des services, en général pour répondre à une demande remontant du terrain ou de responsables thématiques ou techniques. Nous développons un algorithme, le testons sur le terrain et, si l’essai est concluant, le déployons vers tous nos clients demandant ce type de service» explique Grégory Denis. «Nous servons des collectivités de toutes tailles, de Saint-Etienne à des communes rurales. L’intérêt de cette plateforme centralisée est justement de permettre à tous types de collectivités d’avoir accès à ce type de services. La recherche de fuite, par exemple, concerne tout le monde» plaide-t‑il. 

Les outils Saur peuvent se regrouper en quatre grands secteurs. La performance des réseaux, tout d’abord: détection/recherche de fuites, priorisation du renouvellement de canalisations, détection et prévention des transitoires de pression (les fameux «coups de bélier»). La gestion prédictive, ensuite: «nous avons des algorithmes pour prédire par exemple les bouchages de pompes, ou détecter des dérives lentes du chlore, ou des dérives de remplissage de réservoirs en sortie usine potabilisation. La maintenance prédictive est aussi une thème très demandé» énumère Grégory Denis. Troisième secteur: le contrôle du processus pour optimiser la performance. «Avec certains types d’algorithmes, dits d’apprentissage par renforcement, on peut aider les automates à obtenir le même niveau de qualité – respecter les normes de rejet par exemple - mais en dépensant moins de réactifs ou d’énergie» explique-t‑il. Le quatrième volet concerne la maîtrise de la ressource (avec la filiale ImaGeau) ou la compréhension des usages des consommateurs. «A partir données de télérelève, par exemple, des algorithmes définissent automatiquement des groupes spécifiques de consommateurs. Il s’agit pour les collectivités de mieux comprendre la manière dont est consommée l’eau sur leurs territoires, par exemple pour engager des politiques de sobriété plus ciblées, ou pour vérifier l’efficacité de mesures de restriction» illustre Grégory Denis. 

Outre les grands délégataires, des fournisseurs d’appareils et instruments dédiés au monde de l’eau étendent leur offre avec des solution logicielles avancées. Lacroix, connu pour ses data loggers, s’est ainsi mis à l’IA et propose sa solution Aquawize de détection de fuite réseau, déployée par exemple auprès de la Communauté de communes de la Vallée de l’Hérault. La suite logicielle SIWA de Siemens complète les systèmes existants tels que les SIG ou les modèles hydrauliques par des applications «métier» utilisant l’IA. A partir d’une plateforme unique, il est possible, entre autres, de surveiller la qualité de l’eau, d’identifier et localiser les fuites, optimiser la maintenance ou gérer des événements dans les réseaux d’eaux usées. Xylem met aujourd’hui en avant sa plateforme d’hypervision Xylem Vue powered by GoAigua, sur laquelle peuvent se greffer différents modules métiers. L’ensemble est organisé – et commercialisé - en plusieurs «étages». 

A la base, le Smart Water Engine (SWE), selon les mots de François Géronimi, «ingère de la donnée de manière agnostique, provenant de tous types et marques de sources, car nous avons développé les connecteurs nécessaires, puis la qualifie. Il crée aussi une table de correspondance qui permet à l’hypervision Xylem Vue de faire communiquer entre eux tous les systèmes utilisés par le client: un GMAO, un SIG, un modèle hydraulique, une supervision, un logiciel client, des données laboratoire, etc. Il s’agit de faire tomber les silos. Parfois, dans un premier temps, nous proposons uniquement le SWE, pour calibrer les données, mettre le patrimoine en ordre et rendre les donnée immédiatement disponibles pour une éventuelle optimisation.» Deuxième étage: un ensemble de modules métier construits ad hoc selon les cahiers des charges des clients. L’exemple extrême - et berceau historique de la solution - est la ville espagnole de Valencia, où un véritable jumeau numérique du système de production et distribution d’eau potable sert les besoins opérationnels et est devenu outil central pour la formation des jeunes équipes. 

Il existe aussi des modules spécialisés pour, par exemple, la recherche de fuites, la surveillance (et la prévention) de l’encrassement des réseaux ou des déversements dans le milieu naturel. Certains modules sont dédiés à l’optimisation des installations: ils ajustent en permanence les réglages pour obtenir le résultat souhaité avec le minimum de consommation énergétique (par exemple). Sampro est un module de gestion des machines tournantes (à partir de l’analyse du courant électrique plus, si ces données sont disponibles, du débit, de la pression, des vibrations…), etc. Le troisième étage de l’offre concerne l’automatisation du reporting, en alimentant directement les rapports avec des données, graphes, KPIs décidés par le client, selon les formats qu’il a choisis: Sandre, modèle d’énergéticien, RPQS, formats administratifs… Des villes ou syndicats comme Valencia (Espagne), Mexico, Hong-Kong, Yorkshire Water (Grande Bretagne), Brabant Water (Pays-Bas) ou Houston (EtatsUnis), Cuxhaven ou Trier (Allemagne), utilisent Xylem Vue. «Ce type de plateforme s’adresse également à des collectivités de petite et moyenne taille. En France, où nous avons démarré l’année dernière, nous avons des projets avec des services desservant 20000 abonnés. Ils ont déjà une supervision moderne, parfois un parc de compteurs en télérelève, mais tout cela reste cloisonné, fonctionne en silos. Nous allons «casser les murs» pour créer l’interopérabilité grâce au Smart Water Engine» avance François Géronimi. 

Des sociétés spécialisées dans les solutions numériques interviennent également sur ce marché, à l’instar de Calasys, Geomod by Coexya ou Birdz, par exemple. Unabiz équipe ainsi certaines agglomérations en capteurs et densifie leur couverture réseau via ses différentes technologies. Aquassay aborde la question par un biais particulier en proposant aux industriels des stratégies de recherche d’efficacité hydrique et de numérisation de la gestion de l’eau. La société a construit ses propres outils logiciels pour cela et les propose désormais, en industrie comme dans le monde de l’eau. La démarche E-Water Efficiency se décompose en trois étapes: d’abord produire et qualifier des données pertinentes pour répondre à la question posée. Puis les analyser, avec plusieurs «niveaux» de sophistication possibles. Et enfin, volet parfois négligé: la mise à disposition des résultats de manière accessible et «confortable» pour le client. Eau du bassin Caennais a fait appel à Aquassay pour la gestion de son système de production et distribution d’eau potable. Les STEU d’Evry et Corbeil-Essone, initialement indépendantes mais désormais exploitées en commun et reliées du point de vue hydraulique, sont actuellement en cours de numérisation par Aquassay dans le but de produire des analyses communes. 

Createch360 offre des solutions «customisées» incluant deux volets. D’abord des outils de pilotage automatique de process, répondant aux enjeux de chaque projet et appliqués de manière modulaire par unité de process ou sur toute la station. Cette dimension «temps réel» et pragmatique génère les gains jour après jour. Ensuite une plateforme multi-utilisateurs qui permet à chacun de numériser et ordonner les données pour produire automatiquement des indicateurs, visuels et rapports personnalisés. Cette dimension «stratégique» facilite le reporting. Ces solutions sont installées sur environ 200 sites, depuis la Chine jusqu’en Amérique (dont en France), pour des opérateurs publics et privés, parfois même intégrées aux outils numériques internes de ces derniers. L’opérateur indépendant Calasys propose pour sa part DIAGBOX, une solution logicielle évolutive qui transforme les données métier du petit cycle de l’eau en intelligence économique pour soutenir les décisions opérationnelles difficiles. Des collectivités comme Angers Loire Métropole, O des Aravis, Grand Chambéry ou Grand Lac utilisent déjà cette solution dans leur gestion au quotidien. 

Avec sa gamme HummBox, Greencityzen offre des solutions de monitoring très verticales, non limitées à la métrologie. En effet, la société produit à la fois les capteurs et les applications métiers d’aide à la décision et à l’exploitation, par la donnée. Ces solutions outillent la gestion du réseau d’assainissement, du réseau pluvial, et celle de l’arrosage des espaces verts publics. «Nos solutions sont utilisées en “stand alone” pour leur simplicité dans l’exploitation quotidienne. Par leur interopérabilité, elles permettent aussi de remonter des données vers un hyperviseur de l’exploitant ou de la collectivité. Elles sont également capables de consommer les données d’une infrastructure existante : pluviomètres, réseau Météo Fance,…» précise François Hamon, directeur stratégie et innovation Eau du groupe Simpliciti-Greencityzen. Sur le sujet de l’assainissement, Greencityzen adresse le diagnostic permanent: les points noirs (débordement / colmatage et odeur), la surverse et les entrées d’eau claires parasites. Pour traiter ces sujets la société déploie des capteurs de niveau, de vitesse, de conductivité ou de pluviométrie ainsi que des algorithmes d’anticipation des anomalies d’exploitation. «De plus nous alimentons en temps réel les indicateurs de performance des contrats avec les collectivités: pourcentage de points noirs propres, temps moyen d’intervention… Il s’agit d’aider l’exploitant à exploiter plus efficacement, tout en maximisant le service rendu à la collectivité, en transparence» ajoute François Hamon. 

La Métropole Aix-Marseille utilise HummBox pour gérer l’exploitation des avaloirs de son réseau pluvial. «L’opérateur effectuaient 50000 interventions planifiées par an, souvent à vide. Aujourd’hui, ils disposent chaque jour d’un «panier» d’opérations de curage prioritaires à effectuer sur les avaloirs désignés par l’algorithme. Ils font au total deux fois moins d’interventions et toutes sont désormais effectives» conclut François Hamon. La ville de Béziers fait également appel à Greencityzen, en partenariat avec Unabiz, pour son réseau d’assainissement. Purecontrol propose pour sa part, sous forme de SaaS, une solution de contrôle-commande en temps réel, basée sur l’intelligence artificielle.

 Essentiellement utilisée pour optimiser la consommation énergétique des bassins d’aérations de STEU, elle est tout aussi adaptée à la régulation de la déphosphatation, des émissions de N2 O, voire à la gestion dynamique des postes de relevage ou des réseaux d’eau potable. S’appuyant sur les capteurs et données existantes, sans investissement matériel ni phase d’étude et modélisation préalable, la solution est opérationnelle après trois mois d’analyse et modélisation par l’IA. Veolia, par exemple, déploie actuellement cette solution dans 500 STEU en France.