Research
11/12/2023

L’UGent développe le projet WaterFRAME

L’UGent développe le projet WaterFRAME

L’UGent a lancé le projet WaterFRAME. C’est un nouveau concept qui doit digitaliser davantage le secteur de l’eau. Le cadre intègre toutes les données et sous-modèles du système hydrologique dans une architecture interopérable et transparente. Le concept peut être utilisé pour déterminer l’impact environnemental et économique, entre autres, du recyclage de différentes sources d’eau (les eaux usées ou les eaux de surface par exemple). Le projet est coordonné par l’UGent et compte comme partenaires l’Université d’Anvers et le VITO.

Saba Daneshgar est l’une des forces motrices de WaterFRAME, aux côtés du professeur Ingmar Nopens et de la professeure Elena Torfs. Daneshgar est chercheur au département d’analyse des données et de modélisation mathématique à la Faculté de bio-ingénierie de l’UGent. Il travaille principalement sur la modélisation mathématique et l’optimisation des bioprocédés, notamment dans le domaine de l’eau. Cependant, la gestion de l’eau est par nature une question très complexe qui touche de nombreux acteurs différents et couvre une grande échelle spatiale, affirment les chercheurs. WaterFRAME veut accroître la résilience du système hydrique. La Flandre, comme de nombreuses autres régions d’Europe, a connu l’un des étés les plus secs de l’histoire et selon les chercheurs, cela ne fera malheureusement pas exception. Afin de pouvoir disposer de suffisamment d’eau (pour l’eau potable, l’agriculture, l’industrie, etc.), les chercheurs souhaitent augmenter le plus significativement possible la résilience de la gestion hydrique en optimisant les infrastructures existantes, en encourageant les pratiques circulaires de l’eau et les investissements stratégiques dans de nouvelles infrastructures.

Outil d’aide à la décision

Selon les chercheurs, une plus grande résilience nécessite un outil de prise de décision capable d’intégrer cette complexité afin d’équilibrer conjointement plusieurs objectifs pour prendre des décisions holistiques. « L’eau nous fournit de nombreuses données acquises à partir de diverses sources hétérogènes. Comme par exemple pour la qualité et la quantité d’eau potable, les eaux de surface des rivières et des lacs, les affluents et effluents des eaux usées... Le secteur de l’eau est en pleine transformation digitale et cela pose un défi. » Selon Saba Daneshgar, la question la plus pertinente est de savoir si nous pouvons facilement intégrer cette énorme quantité de données et de modèles (par exemple pour les processus de traitement des eaux usées et la prévision des précipitations). « La réponse est non », dit-il. « Les collectes et le stockage de données ne sont pas développés selon les mêmes normes, architectures ou principes de conception, ce qui les rend difficiles à connecter et à intégrer les uns aux autres. Aujourd’hui, l’intégration est insuffisante dans les domaines de l’eau. En Flandre, il existe de nombreux capteurs permettant de surveiller la qualité et la quantité des eaux de surface, des rivières, des lacs, des eaux usées... »

WaterFRAME

Selon les chercheurs, un cadre est nécessaire pour collecter toutes les données. « La question est maintenant de savoir comment y parvenir », déclare Saba Daneshgar. « Nous souhaitons développer un véritable jumeau numérique pour un système à grande échelle, une ville, une région ou un port industriel. Un jumeau numérique est une contrepartie virtuelle d’un système physique et simule le fonctionnement de ce dernier en temps réel. Nous pouvons ainsi déterminer l’impact d’une source d’eau sur une autre partie de la ville. Grâce à un jumeau numérique, les gestionnaires et les exploitants peuvent optimiser davantage le système hydrique et prédire son avenir. Ils peuvent alors in-fine prendre de meilleures décisions. » Cela nous amène au projet WaterFRAME, un projet de recherche fondamentale stratégique (financé par le FWO – Fond de la recherche scientifique en Flandre) de l’UGent qui se concentre sur la recherche fondamentale. WaterFRAME souhaite développer des outils d’aide à la décision cruciaux qui, selon les chercheurs, sont de toute urgence nécessaires pour aider la Flandre et d’autres régions en pénurie d’eau à devenir résistantes au stress hydrique. Selon les chercheurs gantois, renforcer la résilience hydrique nécessite une approche plus holistique et systémique de la gestion de l’eau ; la transition ne peut être réalisée que grâce à la connectivité des données, à l’extraction intégrée des connaissances et à l’optimisation multicritères.

Architecture numérique

Par conséquent, le projet WaterFRAME vise à développer une architecture numérique générique qui intègre et combine les données et informations disponibles provenant de différentes sources (y compris les systèmes existants) dans un cadre générique, bien documenté et « plug and play » indépendant de la technologie. Le projet WaterFRAME développera des méthodologies basées sur les standards sémantique du web. Des normes de données, des ontologies et un graphe de connaissances dynamique sont développés pour coder et structurer les connaissances et ainsi créer une structure holistique du domaine de l’eau. « Nous souhaitons donc développer un cadre numérique dans lequel toutes les données et modèles pertinents peuvent être intégrés de manière transparente », stipule Saba Daneshgar.

Concept

WaterFRAME utilisera le concept “ontology and knowledge graph” (ontologie et graphe de connaissances). « Une ontologie est un modèle conceptuel d’un système ; ce dernier se modélise en définissant les propriétés de toutes sortes de concepts et d’objets à l’aide de classes, comme les eaux usées et l’eau potable dans ce cas-ci », ajoute Daneshgar. « Elle décrit également les relations entre les objets et les concepts. Dans notre modèle par exemple, nous avons une classe pour l’eau. Cette classe comprend plusieurs sous-classes, telles que l’eau potable, les eaux usées... Chaque classe possède un certain nombre de caractéristiques, telles que la quantité d’eau débitée, la concentration de différentes substances (tels l’azote et le phosphore). Les ontologies définies peuvent ensuite être liées à des données numériques réelles pour créer un graphe de connaissances. Cela permet la communication de process et de concepts dans différents domaines d’application et niveaux d’échelle, tels que la production, la distribution et l’utilisation domestique de l’eau potable. De cette manière, nous pouvons récupérer toutes les données pertinentes des différentes parties de notre système de manière dynamique et au fil du temps. »

Couche d’optimisation

WaterFRAME vise à être compatible, transparent, sécurisé et fiable en alignant les normes mondiales et les modèles de données existants. WaterFRAME dispose d’une couche d’aide à la décision (comprenant des modèles et des algorithmes d’optimisation) superposée à la couche de données qui permet une analyse de scénarios de type « et si », des simulations d’investissement et une optimisation holistique globale. Cela aurait pour but de faciliter les prises de décision. Des indicateurs spécifiques seront calculés pour donner un aperçu de l’environnement, les coûts et les avantages du processus, ainsi que les résultats du scénario. Le cadre complet sera en mesure de fournir une preuve de concept pour une application à différentes échelles, tel qu’aux niveaux domestique et industriel.

Évaluation environnementale

La couche d’optimisation est également liée à une évaluation environnementale. « Nous disposons ainsi d’indicateurs importants d’un point de vue environnemental et économique », déclare Daneshgar. Le graphe de connaissances sera dynamique. Il doit pouvoir être continuellement complété par de nouvelles données (données de capteurs, données de conception, données de simulation). En outre, l’intégration de modèles prédictifs et d’algorithmes d’optimisation au sein de la structure est fournie, permettant d’analyser des scénarios holistiques pour soutenir la prise de décision. « Le système peut se mettre à jour lui-même, par exemple avec de nouvelles données et un nouveau sous-modèle. Nous pouvons simuler le recyclage de l’eau pour examiner quelle source d’eau doit être utilisée pour un cas spécifique. Je pense ensuite au recyclage des eaux de surface ou au traitement des eaux usées. De cette manière, nous pouvons déterminer s’il faut ou non un traitement supplémentaire et quel est son impact environnemental ou économique. Cela dépend de la qualité et de la quantité des sources d’eau disponibles. »

Applications

WaterFRAME ne reste pas un modèle théorique mais sera également appliqué en pratique. Les chercheurs disposent déjà de deux applications testant cette méthodologie pour démontrer son potentiel. Un premier cas d’usage concerne l’utilisation de l’eau de pluie dans la ville d’Anvers. Un deuxième cas d’utilisation est appliqué pour cartographier et résoudre un problème de salinisation dans le canal Gand-Terneuzen. « La salinisation est causée par la sécheresse. Cela a un impact négatif sur la quantité d’eau utilisée à des fins industrielles. »

Acteurs publics

Une grande variété de parties prenantes (villes, centres de connaissances flamands, pôles industriels, grandes industries à forte consommation d’eau, experts internationaux) est consultée dès le début du projet WaterFRAME afin d’éviter tout chevauchement avec des initiatives existantes et de lier les propositions à ces initiatives afin de créer des synergies. WaterFRAME dispose également d’un conseil consultatif composé d’acteurs publics et d’experts internationaux. « Nous développons la méthodologie, mais en fin de compte, il est important que les utilisateurs finaux – les acteurs publics par exemple – utilisent ce grand modèle pour résoudre les défis », déclare Daneshgar. « Nous souhaitons maintenir une interaction et une coopération fortes avec les acteurs publics ; comme par exemple avec l’Agence flamande de l’environnement ou Digital Flanders, qui est un partenaire important du gouvernement flamand pour la transformation numérique. Ceci est important pour nous afin de créer des cas d’usage pertinents pour le projet. »

Partenariats

Des ateliers ciblés seront organisés pour assurer le transfert de connaissances et l’expérience pratique des parties prenantes. Au fur et à mesure d’utilisation de l’outil, de nouvelles idées à intégrer émergeront. De cette manière, l’instrument continuera à croître de manière organique et à gagner en popularité. Une utilisation internationale plus poussée est obtenue grâce à l’implication de trois experts scientifiques et industriels bien connectés avec différentes parties prenantes dans le contexte de l’économie circulaire, de l’eau et du cross-domaine multicritères. Toute personne souhaitant plus d’informations sur WaterFRAME ou souhaitant mettre en place une éventuelle collaboration avec un consortium de projet peut contacter les coordinateurs du projet (saba.daneshgar@ugent.be, elena.torfs@ugent.be et ingmar.nopens@ugent.be). Un atelier des parties prenantes sera organisé en janvier 2024 pour présenter le projet, ses objectifs, sa méthodologie et ses cas d’utilisation potentiels. Si vous souhaitez participer à l’atelier, veuillez contacter les coordinateurs du projet.

Par Matthias Vanheerentals

L’UGent développe le projet WaterFRAME

L’UGent a lancé le projet WaterFRAME. C’est un nouveau concept qui doit digitaliser davantage le secteur de l’eau. Le cadre intègre toutes les données et sous-modèles du système hydrologique dans une architecture interopérable et transparente. Le concept peut être utilisé pour déterminer l’impact environnemental et économique, entre autres, du recyclage de différentes sources d’eau (les eaux usées ou les eaux de surface par exemple). Le projet est coordonné par l’UGent et compte comme partenaires l’Université d’Anvers et le VITO.

Saba Daneshgar est l’une des forces motrices de WaterFRAME, aux côtés du professeur Ingmar Nopens et de la professeure Elena Torfs. Daneshgar est chercheur au département d’analyse des données et de modélisation mathématique à la Faculté de bio-ingénierie de l’UGent. Il travaille principalement sur la modélisation mathématique et l’optimisation des bioprocédés, notamment dans le domaine de l’eau. Cependant, la gestion de l’eau est par nature une question très complexe qui touche de nombreux acteurs différents et couvre une grande échelle spatiale, affirment les chercheurs. WaterFRAME veut accroître la résilience du système hydrique. La Flandre, comme de nombreuses autres régions d’Europe, a connu l’un des étés les plus secs de l’histoire et selon les chercheurs, cela ne fera malheureusement pas exception. Afin de pouvoir disposer de suffisamment d’eau (pour l’eau potable, l’agriculture, l’industrie, etc.), les chercheurs souhaitent augmenter le plus significativement possible la résilience de la gestion hydrique en optimisant les infrastructures existantes, en encourageant les pratiques circulaires de l’eau et les investissements stratégiques dans de nouvelles infrastructures.

Outil d’aide à la décision

Selon les chercheurs, une plus grande résilience nécessite un outil de prise de décision capable d’intégrer cette complexité afin d’équilibrer conjointement plusieurs objectifs pour prendre des décisions holistiques. « L’eau nous fournit de nombreuses données acquises à partir de diverses sources hétérogènes. Comme par exemple pour la qualité et la quantité d’eau potable, les eaux de surface des rivières et des lacs, les affluents et effluents des eaux usées... Le secteur de l’eau est en pleine transformation digitale et cela pose un défi. » Selon Saba Daneshgar, la question la plus pertinente est de savoir si nous pouvons facilement intégrer cette énorme quantité de données et de modèles (par exemple pour les processus de traitement des eaux usées et la prévision des précipitations). « La réponse est non », dit-il. « Les collectes et le stockage de données ne sont pas développés selon les mêmes normes, architectures ou principes de conception, ce qui les rend difficiles à connecter et à intégrer les uns aux autres. Aujourd’hui, l’intégration est insuffisante dans les domaines de l’eau. En Flandre, il existe de nombreux capteurs permettant de surveiller la qualité et la quantité des eaux de surface, des rivières, des lacs, des eaux usées... »

WaterFRAME

Selon les chercheurs, un cadre est nécessaire pour collecter toutes les données. « La question est maintenant de savoir comment y parvenir », déclare Saba Daneshgar. « Nous souhaitons développer un véritable jumeau numérique pour un système à grande échelle, une ville, une région ou un port industriel. Un jumeau numérique est une contrepartie virtuelle d’un système physique et simule le fonctionnement de ce dernier en temps réel. Nous pouvons ainsi déterminer l’impact d’une source d’eau sur une autre partie de la ville. Grâce à un jumeau numérique, les gestionnaires et les exploitants peuvent optimiser davantage le système hydrique et prédire son avenir. Ils peuvent alors in-fine prendre de meilleures décisions. » Cela nous amène au projet WaterFRAME, un projet de recherche fondamentale stratégique (financé par le FWO – Fond de la recherche scientifique en Flandre) de l’UGent qui se concentre sur la recherche fondamentale. WaterFRAME souhaite développer des outils d’aide à la décision cruciaux qui, selon les chercheurs, sont de toute urgence nécessaires pour aider la Flandre et d’autres régions en pénurie d’eau à devenir résistantes au stress hydrique. Selon les chercheurs gantois, renforcer la résilience hydrique nécessite une approche plus holistique et systémique de la gestion de l’eau ; la transition ne peut être réalisée que grâce à la connectivité des données, à l’extraction intégrée des connaissances et à l’optimisation multicritères.

Architecture numérique

Par conséquent, le projet WaterFRAME vise à développer une architecture numérique générique qui intègre et combine les données et informations disponibles provenant de différentes sources (y compris les systèmes existants) dans un cadre générique, bien documenté et « plug and play » indépendant de la technologie. Le projet WaterFRAME développera des méthodologies basées sur les standards sémantique du web. Des normes de données, des ontologies et un graphe de connaissances dynamique sont développés pour coder et structurer les connaissances et ainsi créer une structure holistique du domaine de l’eau. « Nous souhaitons donc développer un cadre numérique dans lequel toutes les données et modèles pertinents peuvent être intégrés de manière transparente », stipule Saba Daneshgar.

Concept

WaterFRAME utilisera le concept “ontology and knowledge graph” (ontologie et graphe de connaissances). « Une ontologie est un modèle conceptuel d’un système ; ce dernier se modélise en définissant les propriétés de toutes sortes de concepts et d’objets à l’aide de classes, comme les eaux usées et l’eau potable dans ce cas-ci », ajoute Daneshgar. « Elle décrit également les relations entre les objets et les concepts. Dans notre modèle par exemple, nous avons une classe pour l’eau. Cette classe comprend plusieurs sous-classes, telles que l’eau potable, les eaux usées... Chaque classe possède un certain nombre de caractéristiques, telles que la quantité d’eau débitée, la concentration de différentes substances (tels l’azote et le phosphore). Les ontologies définies peuvent ensuite être liées à des données numériques réelles pour créer un graphe de connaissances. Cela permet la communication de process et de concepts dans différents domaines d’application et niveaux d’échelle, tels que la production, la distribution et l’utilisation domestique de l’eau potable. De cette manière, nous pouvons récupérer toutes les données pertinentes des différentes parties de notre système de manière dynamique et au fil du temps. »

Couche d’optimisation

WaterFRAME vise à être compatible, transparent, sécurisé et fiable en alignant les normes mondiales et les modèles de données existants. WaterFRAME dispose d’une couche d’aide à la décision (comprenant des modèles et des algorithmes d’optimisation) superposée à la couche de données qui permet une analyse de scénarios de type « et si », des simulations d’investissement et une optimisation holistique globale. Cela aurait pour but de faciliter les prises de décision. Des indicateurs spécifiques seront calculés pour donner un aperçu de l’environnement, les coûts et les avantages du processus, ainsi que les résultats du scénario. Le cadre complet sera en mesure de fournir une preuve de concept pour une application à différentes échelles, tel qu’aux niveaux domestique et industriel.

Évaluation environnementale

La couche d’optimisation est également liée à une évaluation environnementale. « Nous disposons ainsi d’indicateurs importants d’un point de vue environnemental et économique », déclare Daneshgar. Le graphe de connaissances sera dynamique. Il doit pouvoir être continuellement complété par de nouvelles données (données de capteurs, données de conception, données de simulation). En outre, l’intégration de modèles prédictifs et d’algorithmes d’optimisation au sein de la structure est fournie, permettant d’analyser des scénarios holistiques pour soutenir la prise de décision. « Le système peut se mettre à jour lui-même, par exemple avec de nouvelles données et un nouveau sous-modèle. Nous pouvons simuler le recyclage de l’eau pour examiner quelle source d’eau doit être utilisée pour un cas spécifique. Je pense ensuite au recyclage des eaux de surface ou au traitement des eaux usées. De cette manière, nous pouvons déterminer s’il faut ou non un traitement supplémentaire et quel est son impact environnemental ou économique. Cela dépend de la qualité et de la quantité des sources d’eau disponibles. »

Applications

WaterFRAME ne reste pas un modèle théorique mais sera également appliqué en pratique. Les chercheurs disposent déjà de deux applications testant cette méthodologie pour démontrer son potentiel. Un premier cas d’usage concerne l’utilisation de l’eau de pluie dans la ville d’Anvers. Un deuxième cas d’utilisation est appliqué pour cartographier et résoudre un problème de salinisation dans le canal Gand-Terneuzen. « La salinisation est causée par la sécheresse. Cela a un impact négatif sur la quantité d’eau utilisée à des fins industrielles. »

Acteurs publics

Une grande variété de parties prenantes (villes, centres de connaissances flamands, pôles industriels, grandes industries à forte consommation d’eau, experts internationaux) est consultée dès le début du projet WaterFRAME afin d’éviter tout chevauchement avec des initiatives existantes et de lier les propositions à ces initiatives afin de créer des synergies. WaterFRAME dispose également d’un conseil consultatif composé d’acteurs publics et d’experts internationaux. « Nous développons la méthodologie, mais en fin de compte, il est important que les utilisateurs finaux – les acteurs publics par exemple – utilisent ce grand modèle pour résoudre les défis », déclare Daneshgar. « Nous souhaitons maintenir une interaction et une coopération fortes avec les acteurs publics ; comme par exemple avec l’Agence flamande de l’environnement ou Digital Flanders, qui est un partenaire important du gouvernement flamand pour la transformation numérique. Ceci est important pour nous afin de créer des cas d’usage pertinents pour le projet. »

Partenariats

Des ateliers ciblés seront organisés pour assurer le transfert de connaissances et l’expérience pratique des parties prenantes. Au fur et à mesure d’utilisation de l’outil, de nouvelles idées à intégrer émergeront. De cette manière, l’instrument continuera à croître de manière organique et à gagner en popularité. Une utilisation internationale plus poussée est obtenue grâce à l’implication de trois experts scientifiques et industriels bien connectés avec différentes parties prenantes dans le contexte de l’économie circulaire, de l’eau et du cross-domaine multicritères. Toute personne souhaitant plus d’informations sur WaterFRAME ou souhaitant mettre en place une éventuelle collaboration avec un consortium de projet peut contacter les coordinateurs du projet (saba.daneshgar@ugent.be, elena.torfs@ugent.be et ingmar.nopens@ugent.be). Un atelier des parties prenantes sera organisé en janvier 2024 pour présenter le projet, ses objectifs, sa méthodologie et ses cas d’utilisation potentiels. Si vous souhaitez participer à l’atelier, veuillez contacter les coordinateurs du projet.

Par Matthias Vanheerentals

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