UGent ontwikkelt WaterFRAME-project

UGent ontwikkelt WaterFRAME-project

De UGent heeft het WaterFRAME-project gelanceerd. Het is een nieuw concept dat de watersector verder moet digitaliseren. Het framework integreert alle data en submodellen van het watersysteem in een interoperabele en transparante architectuur. Via het concept kan de milieu en economische impact bepaald worden van onder meer het hergebruik van verschillende bronnen van water (bijvoorbeeld afvalwater of oppervlaktewater). Het project wordt gecoördineerd door de UGent en heeft de Universiteit Antwerpen en VITO als partners.

Saba Daneshgar is één van de bezielers van WaterFRAME, samen met professor Ingmar Nopens en professor Elena Torfs. Daneshgar is onderzoeker aan de vakgroep data-analyse en wiskundige modellering aan de faculteit bio-ingenieurswetenschappen van de UGent. Hij werkt vooral op wiskundige modellering en optimalisatie van bioprocessen, specifiek voor het domein water. Waterbeheer is echter inherent een zeer complex gegeven dat veel verschillende actoren raakt en een grote ruimtelijke schaal bestrijkt, klinkt het bij de onderzoekers. WaterFRAME wil de veerkracht van het watersysteem verhogen. Vlaanderen heeft samen met vele andere regio’s in Europa een van de droogste zomers in de geschiedenis achter de rug en dit zal volgens de onderzoekers helaas geen uitzondering zijn. Om voldoende water beschikbaar te houden (voor drinkwater, landbouw, industrie,...), willen de onderzoekers de veerkracht van het waterbeheer zo aanzienlijk mogelijk verhogen door optimalisatie van de bestaande infrastructuur, stimulering van circulaire waterpraktijken en strategische investeringen in nieuwe infrastructuur.

Besluitvormingsinstrument

Meer veerkracht vraagt volgens de onderzoekers een besluitvormingsinstrument dat deze complexiteit kan integreren om meerdere doelstellingen met elkaar in evenwicht te brengen voor holistische beslissingen. “Water zorgt voor veel data die worden verzameld uit verschillende heterogene bronnen, zoals de kwaliteit en kwantiteit van drinkwater, oppervlaktewater van rivieren en meren, het influent en effluent van afvalwater, … De watersector maakt een digitale transformatie door en dat vormt een uitdaging.” De belangrijkste vraag is volgens Saba Daneshgar of we deze enorme hoeveelheid van data en modellen (bijvoorbeeld voor de processen van afvalwaterzuivering en het voorspellen van neerslag) gemakkelijk kunnen integreren. “Het antwoord is neen”, zegt hij. “De dataverzamelingen en opslag worden niet ontwikkeld met dezelfde standaard, architectuur of hetzelfde ontwerpprincipe, waardoor ze moeilijk met elkaar aangesloten en geïntegreerd kunnen worden. Er is de dag van vandaag onvoldoende integratie in de domeinen van water. In Vlaanderen zijn er veel sensoren voor de monitoring van de kwaliteit en de kwantiteit van het oppervlaktewater, rivieren, meren, afvalwater,...”

WaterFRAME

Volgens de onderzoekers is er een framework nodig dat alle data verzamelt. “De vraag is nu hoe we dat kunnen bereiken”, zegt Saba Daneshgar. “We willen een echte digital twin ontwikkelen voor een grootschalig systeem, een stad, regio of industriële haven. Een digital twin is een virtuele tegenhanger van een fysiek systeem en simuleert de werking van een fysiek systeem in real-time. Zo kunnen we nagaan wat de impact van een bron van water is op een ander deel van de stad. Dankzij een digital twin kunnen managers en operators het watersysteem verder optimaliseren en de toekomst ervan voorspellen. Ze kunnen finaal betere beslissingen nemen.” Dat brengt ons bij het WaterFRAME-project, een strategisch basisonderzoeksproject (gefinancierd door het FWO) van de UGent dat zich richt op fundamenteel onderzoek. WaterFRAME wil cruciale beslissingsondersteunende instrumenten ontwikkelen die volgens de onderzoekers dringend nodig zijn om Vlaanderen en andere waterschaarse regio’s te helpen waterbestendig te worden. Bouwen aan waterbestendigheid vereist volgens de Gentse onderzoekers een meer holistische en systemische benadering van waterbeheer, een overgang die alleen kan worden bereikt door gegevensconnectiviteit, geïntegreerde kennisextractie en multi-criterium optimalisatie.

Digitale architectuur

Daarom beoogt het WaterFRAME-project de ontwikkeling van een generieke digitale architectuur die beschikbare gegevens en informatie uit verschillende bronnen (waaronder legacysystemen) integreert en combineert in een generiek, goed gedocumenteerd en ‘plug and play’ kader met agnostische technologie. Het project WaterFRAME zal methodologieën ontwikkelen die gebaseerd zijn op semantische webstandaarden. Datastandaarden, ontologieën en een dynamische kennisgraaf worden ontwikkeld om kennis te coderen en structureren en zo een holistische structuur van het waterdomein te creëren. “We willen dus een digitale frame ontwikkelen, waarin alle relevante data en modellen kunnen worden geïntegreerd op een transparante manier,” zegt Saba Daneshgar.

Concept

WaterFRAME gaat het concept ‘ontology and knowledge graph’ (ontologie en kennisgrafiek) gebruiken. “Een ontologie is een conceptueel model van een systeem dat modelleert door eigenschappen van allerlei concepten en objecten te definiëren met behulp van klassen, zoals afvalwater en drinkwater in dit geval”, zegt Daneshgar. “Het beschrijft ook de relaties tussen de objecten en concepten. In ons model bijvoorbeeld hebben we een klasse voor het water. Deze klasse heeft meerdere subklassen, zoals drinkwater, afvalwater, … Elke klasse heeft een aantal eigenschappen, zoals de hoeveelheid van de waterstroom, de concentratie van verschillende stoffen (zoals stikstof en fosfor). De gedefinieerde ontologieën kunnen vervolgens worden gekoppeld aan echte numerieke gegevens om een kennisgrafiek te maken. Dat maakt communicatie van processen en concepten mogelijk op verschillende toepassingsdomeinen en schaalniveaus, zoals drinkwaterproductie, distributie en huishoudelijk watergebruik. Zo kunnen we op een dynamische manier en in de tijd alle relevante data van verschillende onderdelen van ons systeem opvragen.”

Optimalisatielaag

WaterFRAME wil compatibel, transparant, veilig en betrouwbaar zijn door bestaande wereldwijde normen en gegevensmodellen op elkaar af te stemmen. WaterFRAME heeft een beslissingsondersteunende laag (inclusief modellen en optimalisatiealgoritmen) boven op de datalaag die ‘wat als scenarioanalyse’, investeringssimulaties en algehele holistische optimalisatie mogelijk maakt. Dit moet de besluitvorming vergemakkelijken. Er zullen specifieke indicatoren worden berekend die inzicht geven in de omgeving, kosten- en procesvoordelen en wat het scenario zal opbrengen. Het volledige raamwerk zal een proof of concept kunnen bieden voor toepassing bij verschillende schaalniveaus, zoals bijvoorbeeld van huishoudelijk en industrieel niveau.

Milieubeoordeling

De optimalisatielaag wordt ook gekoppeld aan een milieubeoordeling. “Op die manier hebben we indicatoren die belangrijk zijn vanuit milieu en economisch oogpunt,” zegt Daneshgar. De kennisgraaf zal dynamisch zijn zodat deze voortdurend kan worden aangevuld met nieuwe gegevens (sensorgegevens, ontwerpgegevens, simulatiegegevens). Verder wordt de integratie van voorspellende modellen en optimaliseringsalgoritmen binnen de structuur voorzien, waardoor holistische scenario’s kunnen worden geanalyseerd ter ondersteuning van de besluitvorming. “Het systeem kan zichzelf bijwerken, bijvoorbeeld met nieuwe data en een nieuw submodel. We kunnen het waterhergebruik simuleren om te kijken welke waterbron moet worden gebruikt voor een specifiek geval. Dan denk ik aan het hergebruik van oppervlaktewater of afvalwaterzuivering. Zo kunnen we nagaan of het verder moet behandeld worden of niet en wat de milieu-impact of de economische impact ervan is. Dat is afhankelijk van de beschikbare kwaliteit en kwantiteit van de waterbronnen.”

Toepassingen

WaterFRAME blijft niet bij een theoretisch model maar zal ook in de praktijk worden toegepast. De onderzoekers hebben al twee toepassingen om deze methodologie te testen om het potentieel ervan aan te tonen. Een eerste use-case heeft betrekking op het gebruik van regenwater in de stad Antwerpen. Een tweede use-case wordt toegepast om een verziltingsprobleem, in het kanaal van Gent-Terneuzen, in kaart te brengen en op te lossen. “Verzilting wordt veroorzaakt door droogte. Het heeft een negatieve impact op de hoeveelheid water voor het industrieel gebruik.”

Publieke stakeholders

Een grote verscheidenheid aan stakeholders (steden, Vlaamse kenniscentra, industriële hubs, grote waterintensieve industrie, internationale deskundigen) worden vanaf het begin van het project WaterFRAME geraadpleegd om overlapping met bestaande initiatieven te voorkomen en om voorstellen aan deze initiatieven te koppelen om zo synergiën te creëren. WaterFRAME heeft ook een adviesraad met publieke stakeholders en internationale experts. “We ontwikkelen de methodologie , maar uiteindelijk is het belangrijk dat de end-users – bijvoorbeeld de publieke stakeholders – dit grote model gebruiken om de uitdagingen op te lossen”, zegt Daneshgar. “We willen een sterke interactie en samenwerking met de publieke stakeholders houden, zoals met de Vlaamse milieumaatschappij of Digitaal Vlaanderen, die een belangrijke partner is van de Vlaamse overheid voor de digitale transformatie. Dit is belangrijk voor ons om relevante use-cases voor het project te maken. ”

Samenwerking

Er zullen gerichte workshops worden georganiseerd om te zorgen voor kennisoverdracht en praktische ervaring voor de stakeholders. Bij het verdere gebruik van de tool zullen nieuwe ideeën naar voren komen om op te nemen. Op deze manier zal het instrument organisch verder groeien en een impuls krijgen in het gebruik. Verder internationaal gebruik wordt bereikt door de betrokkenheid van drie wetenschappelijke en industriële deskundigen die goed verbonden zijn met verschillende stakeholders in de context van circulaire economie, water en multicriterium crossdomain. Wie meer informatie wil over WaterFRAME of een potentiële collaboratie met project consortium wil opzetten, kan contact opnemen met de projectcoördinators (saba.daneshgar@ugent.be, elena.torfs@ugent.be en ingmar.nopens@ugent.be). Een stakeholder workshop in januari 2024 wordt georganiseerd waarin het project, de doelstellingen, methodologie en potentiële use-cases ervan worden geïntroduceerd . Als je geïnteresseerd bent om aan de workshop deel te nemen, neem dan contact met de projectcoördinators op.

Door Matthias Vanheerentals