Titulo Estágio
Desenvolvimento de Digital Twins para Monitorização Inteligente de Redes de Distribuição de Água
Local do Estágio
Instituto Pedro Nunes, Coimbra (Laboratório de Informática e Sistemas)
Enquadramento
O desperdício de água nas redes de distribuição urbanas continua a representar perdas económicas e ambientais de grande relevância. O projeto WaterScan, em desenvolvimento conjunto pelo IPN, Fibersight e Universidade de Coimbra, propõe uma solução integrada que alia fibras óticas, modelos de inteligência artificial e Digital Twins (DTs) para detetar fugas em tempo real, otimizando a operação e manutenção da infraestrutura. Os DTs constituem réplicas virtuais dinâmicas da rede física, alimentadas por medições contínuas de humidade e temperatura recolhidas pelo sensor optoeletrónico. Permitem testar cenários de operação, antecipar anomalias e validar estratégias de intervenção antes da aplicação no terreno, reduzindo custos e riscos. O estágio enquadra-se na fase de investigação e desenvolvimento do projeto, co-financiado por fundos nacionais, e incide na criação e integração dos DTs que suportarão o sistema WaterScan.
Objetivo
A criação de Digital Twins tem como objetivo principal melhorar a eficácia dos sistemas reais, permitindo a validação e otimização das tecnologias de deteção de fugas antes da sua implementação. Estes sistemas oferecem uma plataforma segura para simular vários cenários de fuga e variáveis em ambiente controlado, o que facilita a identificação de melhorias e reduz custos. Para alcançar este objetivo, é necessário: 1) projetar a arquitetura de software dos DTs; 2) implementar os DTs; 3) integrá-los com o software existente de controlo, aquisição e análise de dados.
Pretende-se, portanto, que o estagiário conceba, implemente e valide um Digital Twin que represente digitalmente de forma fiel a hidráulica e a topologia de segmentos de uma instalação de rede de água, possibilitando a simulação de cenários de fuga, a calibração de algoritmos de deteção e a geração de indicadores operacionais. O DT deve sincronizar-se em tempo real com os dados adquiridos pelo sistema optoelectrónico, expor serviços via API para consulta externa e disponibilizar ferramentas de análise dos dados.
Atualmente, o projeto dispõe de 50 GB de dados de temperatura e humidade, obtidos por sensores de fibra ótica instalados em condições reais de operação no CERN (Organização Europeia para a Investigação Nuclear). Este volume significativo constitui uma base sólida para análise exploratória e para o desenvolvimento de técnicas de inteligência artificial focadas na deteção de anomalias em séries temporais.
Estão programadas novas recolhas ao longo do estágio, também em condições reais de operação. Paralelamente, encontra-se em desenvolvimento um sistema de aquisição optoelectrónico que reproduz a tecnologia utilizada em ambiente real. Prevê-se que estes protótipos entrem em funcionamento até setembro, com instalações na UC e no IPN/LIS. Estes sistemas permitirão a recolha contínua de dados em ambiente laboratorial, complementando os dados reais e possibilitando a simulação de diversos cenários.
Plano de Trabalhos - Semestre 1
• F1 – Revisão do estado da arte (25 %)
Levantamento de plataformas de modelação hidráulica, motores de simulação e frameworks de DT aplicadas a redes de utilidade pública; análise de requisitos de precisão e desempenho.
• F2 – Especificação de arquitetura (25 %)
Definição de modelo de dados, escolha de motor de simulação e desenho das interfaces de integração com o sistema de aquisição e com o módulo de IA.
• F3 – Protótipo inicial (25 %)
Implementação de um DT simplificado para um troço representativo da rede; ingestão de dados históricos; validação preliminar de coerência hidráulica e latência de atualização.
• F4 – Relatório Intermédio (25 %)
Preparação do relatório intermédio do estágio.
Plano de Trabalhos - Semestre 2
• F5 – Implementação e integração (70 %)
Expansão do DT a toda a rede piloto; sincronização em tempo real com fluxos de humidade/temperatura; desenvolvimento de dashboards de visualização.
• F6 – Testes e validação funcional (20 %)
Execução de cenários de fuga simulados e comparação com dados de campo; análise de desempenho e ajuste de parâmetros.
• F7 – Documentação técnica e relatório final (10 %)
Escrita de documentação técnica e relatório de estágio.
Condições
Este trabalho será integrado num projeto de investigação cofinanciado, sendo que o aluno poderá candidatar-se a uma bolsa de investigação para licenciado no âmbito deste projeto, nos termos da legislação aplicável e regulamentos do IPN. O valor da bolsa é de 1040,98€, em linha com a tabela de bolsas de investigação da FCT.
Observações
Áreas de especialidade: Digital Twins, Modelação Hidráulica, Inteligência Artificial aplicada a infraestruturas de água.
Orientador
Carla Guerra Azevedo
caazevedo@ipn.pt 📩