Η έρευνά μου είναι χωρισμένη σε δύο ενότητες. Η πρώτη αποτελεί προϊόν της εργασίας μου στο ερευνητικό πρόγραμμα ΙΠΕ/ΠΕΝΕΚ/ΕΝΤΑΞΗ με τίτλο “ΥΓΙΕΣΝΕΡΟ” (2006-2007) και το δεύτερο μέρος του ερευνητικού προγράμματος ΙΠΕ/ΠΕΝΕΚ/ΕΝΙΣΧΥΣΗ με τίτλο “ΑΧΕΛΩΟΣ” (2007-2010).
Μέρος Α’: Πρόγραμμα ΥΓΙΕΣΝΕΡΟ
Υφιστάμενη Γνώση και Καινοτομία
Σύμφωνα με τον World Health Organisation (WHO, 2003) το νερό αποτελεί αγαθό απαραίτητο για τη διατήρηση της ζωής. Ωστόσο, 1.1 δισεκατομμύρια άτομα στον κόσμο στερούνται το ασφαλές πόσιμο νερό. Τον αριθμό αυτό έθεσε ως στόχο να μειώσει κατά το ήμισυ μέχρι το 2015, η Παγκόσμια Σύνοδος για Αειφόρο Ανάπτυξη του Johannesburg, το 2002. Η Ευρωπαϊκή Ένωση (ΕΕ) συμμορφώθηκε με την απόφαση και ανέλαβε πρωτοβουλία για τα ευρωπαϊκά ύδατα (MEMO/05/102). Η απολύμανση του νερού αποτρέπει προβλήματα υγείας που παρουσιάζονται εξαιτίας βλαβερών ουσιών. Η συνήθης μέθοδος είναι η χρήση χλωρίνης η οποία καταστρέφει τους παθογόνους οργανισμούς. Ωστόσο, οι αντιδράσεις της χλωρίνης με οργανική μάζα σχηματίζουν υποπροϊόντα, μερικά εκ των οποίων είναι επικίνδυνα. Για παράδειγμα παράγονται οι «Τριχαλομεθάνες», ο οποίες σύμφωνα με την US Environmental Protection Agency (EPA, 2003) προκαλούν προβλήματα στα νεφρά, στο συκώτι, στο νευρικό σύστημα και αυξάνουν το κίνδυνο για καρκίνο. Τα προβλεπόμενα όρια των υποπροϊόντων και της ποσότητας χλωρίνης στο πόσιμο νερό καθορίζονται κι από τις ευρωπαϊκές οδηγίες.
Η ΕΕ δίδει τεράστια σημασία στη ποιότητα του πόσιμου ύδατος. Το Ευρωπαϊκό Συμβούλιο, εξέδωσε την οδηγία 98/83/EC, που τέθηκε σε ισχύ από το 2003, στην οποία καθόρισε τις παραμέτρους για τη ποιότητα του νερού που προορίζεται για κατανάλωση. Κάθε κράτος μέλος οφείλει να συμμορφωθεί στις ποιοτικές παραμέτρους της οδηγίας. Με την οδηγία 2000/60/EC (Water Framework Directive), τέθηκε ως στόχος το 2015 για επίτευξη «καλής ποιότητας» στα ευρωπαϊκά ύδατα, όσον αφορά π.χ τη χημική τους σύσταση. Αξίζει να σημειωθεί πως η ΕΕ έχει ορίσει την προστασία των υδάτων και την αειφόρο ανάπτυξή τους ως προτεραιότητα για έρευνα μέσω των Προγραμμάτων Πλαισίου (FP5 και FP6). Ενδεικτικά παραδείγματα επιδοτούμενων έργων είναι, ανάμεσα σε άλλα, το BIOFILMS, NOSTRUM-DSS, BLUE WATER, DISMAR, ECOSTAT, I-MARQ, HYDROPLAN-EU.
Καθίσταται αναγκαία η εύρυθμη λειτουργία του δικτύου παροχής ύδατος στους καταναλωτές η οποία να λαμβάνει υπόψη όλες τις σχετικές προδιαγραφές ποιότητας του νερού. Για επίτευξη αυτού του στόχου καθίσταται απαραίτητη η εφαρμογή κάποιου συστήματος αυτόματου ελέγχου στη χλωρίωση του νερού, ώστε να διατηρείται η ποιότητα στα προκαθορισμένα όρια. Επίσης είναι αναγκαία η σχεδίασης συστήματος αυτόματης παρακολούθησης της ποιότητας νερού ώστε να εντοπίζονται έγκαιρα και να αντιμετωπίζονται πιθανόν παρεκκλίσεις στις παραμέτρους ποιότητας του ΔΠΠΥ.
Διάφορα συστήματα που αφορούν την απολύμανση και καθαρισμό του ύδατος με τη χρήση ανάδρασης ελέγχου (feedback control) έχουν προταθεί σε προηγούμενες μελέτες. Μία προσέγγιση αφορά τον έλεγχο σε ένα μόνο σημείο του συστήματος, π.χ στη δεξαμενή. Η μοντελοποίηση και ο σχεδιασμός συστήματος ελέγχου εξασφαλίζει την απολύμανση και τον καθαρισμό επί τόπου. Σε αυτό το πλαίσιο κυμαίνονται οι μελέτες των Cox & Graham (1994), Bevan et al. (1998), Han et al. (1997), Onat & Dogruel (2003), Miyajima et al. (1988), Kingham & Hoggart (1995), Boubaker et al. (1998, 1999).
Οι προαναφερθέντες μελέτες δε λαμβάνουν υπόψη την εκθετική ελάττωση της ποσότητας στης χλωρίνης με την πάροδο του χρόνου κατά μήκος των σωλήνων μέχρι να φτάσει στον καταναλωτή. Πρόσφατες έρευνες έχουν γίνει για ποιοτικό έλεγχο του ΔΠΠΥ σε πολλές τοποθεσίες. Τα μοντέλα που αναπτύχθηκαν υπολογίζουν το ποσοστό χλωρίνης σε κάποιο κόμβο με βάση τη ποσότητα που εισήχθηκε δίκτυο και χρησιμοποιούν προσαρμοζόμενο ελεγκτή (adaptive controller) για να αντεπεξέλθει με την αβεβαιότητα των καταναλωτικών απαιτήσεων ανά κάθε στιγμή. Ενδεικτικά αναφέρονται οι μελέτες των Zierolf et al. (1996, 1998), Wang et al. (2001) και Polycarpou et al. (2002).
Η πλειοψηφία των οργανισμών παροχής νερού, χλωριώνουν το νερό στη πηγή, η οποία δεν είναι πάντα η καλύτερη τοποθεσία για τη χλωρίωση ώστε να διασφαλιστεί η παρουσία ικανής ποσότητας της δραστικής ουσίας μέχρι και τον τελευταίο καταναλωτή. Έτσι διατρέχεται ο κίνδυνος οι πιο κοντινοί καταναλωτές να λαμβάνουν μεγαλύτερη ποσότητα χλωρίνης από την προβλεπόμενη. Ως επίλυση αυτού του ζητήματος, προτάθηκε ο Ενισχυτικός Σχεδιασμός (Booster Design) όπου σε διάφορα σημεία του δικτύου τοποθετούνται μηχανισμοί χλωρίωσης (Boccelli 1998; Propato 2001, 2003). Η έρευνα αυτή θα αναλύσει για πρώτη φορά το ΔΠΠΥ της Κύπρου ως πρόβλημα όχι μόνο υδραυλικού, αλλά και ποιοτικού ελέγχου, με τη μελέτη χρήση μηχανισμών χλωρίωσης σε πολλές τοποθεσίες στο δίκτυο σε αντίθεση με τη υφιστάμενη μεθοδολογία.
Στη πλειοψηφία τους τα περισσότερα ποιοτικά μοντέλα αφορούν υπολογιστικές προσομοιώσεις οι οποίες όμως δε λαμβάνουν υπόψη τις εισόδους και εξόδους του συστήματος. Γενικά αυτά τα μοντέλα χωρίζονται σε δύο κατηγορίες: τα Eularian που μελετούν το δίκτυο ως πολλά τεμάχια σε σειρά καταγράφοντας τις μεταβολές στα όρια τους, και τα Langragian που μελετούν τις μεταβολές σε διακριτά πακέτα νερού όπως κινούνται στο δίκτυο (Shang, 2002). Και τα δύο μοντέλα είναι δύσκολο να χρησιμοποιηθούν για την ανάλυση και το σχεδιασμό του συστήματος ελέγχου (Zierolf 1996). Το παρόν έργο θα επιδιώξει να προτείνει μοντέλα τα οποία συνδυάζουν τα ποιοτικά και τα υδραυλικά χαρακτηριστικά.
Η «καλή» τοποθέτηση των αισθητήρων μέσα στο δίκτυο είναι απαραίτητη για την τον έλεγχο του συστήματος ώστε να ικανοποιείται η ελεγξιμότητα (controllability), δηλαδή να φέρνουμε το σύστημα στην επιθυμητή κατάσταση μεταβάλλοντας μόνο τις εισόδους. Επιπρόσθετα, να ικανοποιείται η παρατηρησιμότητα (observability) του συστήματος, δηλαδή από τις εξόδους του συστήματος να εξαγάγουμε συμπεράσματα για τις εισόδους του. Επιπλέον, μπορούν να διαδραματίσουν σημαντικό ρόλο στην αναγνώριση παρεκκλίσεων και της αντιμετώπισής τους. Μέχρι σήμερα, δεν υπάρχει κάποια κοινή μεθοδολογία για επιλογή των κατάλληλων σημείων που θα τοποθετηθούν οι αισθητήρες και η ενισχυτικοί μηχανισμοί χλωρίωσης σε αυτό το σύστημα, η οποία συνήθως είναι εμπειρική και ad-hoc (Polycarpou et al., 2002; Boccelli et al., 1998). Μέσα στα πλαίσια της έρευνάς μου θα μελετηθούν καινοτομικές προσεγγίσεις στο πρόβλημα βέλτιστης (ή σχεδόν βέλτιστης) τοποθέτησης των αισθητήρων (sensors) και μηχανισμών εισαγωγής χλωρίου (actuators) μέσα στο ΔΠΠΥ. Το πρόβλημα θα μελετηθεί ως γενικό πρόβλημα «κατανεμημένων πολλαπλών πρακτόρων» (distributed multi agents) (Mitkas et al., 2003; Ferreira and Khosla, 2000), και θα προταθούν αλγόριθμοι για την επίλυση του προβλήματος.
Οι προαναφερόμενες μελέτες επικεντρώθηκαν στον έλεγχο, παρά στην αναγνώριση και αντιμετώπιση πιθανόν παρεκκλίσεων. Στο ΔΠΠΥ, «παρέκκλιση» μπορεί να είναι μια διαρροή σε κάποιο αγωγό με πτώση της πίεσης, είτε η παρουσία κάποιας επικίνδυνης ουσίας κλπ. Το πλαίσιο διαδικασίας για διάγνωση και αντιμετώπιση μη γραμμικών παρεκκλίσεων και σφαλμάτων (Fault Detection and Accommodation) παρουσιάζεται στο (Polycarpou & Helmicki, 1995). Αυτό που δε μελετήθηκε μέχρι στιγμής είναι η κατάλληλη τοποθέτηση αισθητήρων (Culler, 2004) στα κατανεμημένα συστήματα και πως αυτό επηρεάζει τον έλεγχό καθώς και την μελέτη των παρεκκλίσεων που δύναται να παρουσιαστούν.
Ωραίος Μήτσο… Keep up the good work! Crossing fingers…