Ryzyko pod kontrolą – Jak nowoczesne technologie pomagają dbać o infrastrukturę wod-kan Warszawy.

Nie sposób rozmawiać o bezpieczeństwie miasta i jego mieszkańców nie poruszając tematu bezpieczeństwa infrastruktury wodociągowo-kanalizacyjnej. Zasobu będącego siecią wzajemnych połączeń i relacji setek obiektów technicznych, z których każdy wymaga odpowiedniego zabezpieczenia, konserwacji i monitoringu. Każda z instalacji działa w nieco odmiennych warunkach, a jej obsługa zmaga się z innymi wyzwaniami w zakresie jej konserwacji i zabezpieczenia. Konieczna jest nie tylko kompleksowa ocena stanu technicznego, ale także odpowiednie zaplanowanie przyszłych inspekcji – w sposób indywidualny i precyzyjny, a zarazem usystematyzowany i obiektywny. To właśnie dlatego, w ramach projektu badawczego, Wodociągi Warszawskie rozwijają system, który łączy inspekcje, monitoring konstrukcji, badania materiałowe i analizę danych z wykorzystaniem najnowszych technologii badawczych i informatycznych. Celem jest wcześniejsze rozpoznawanie zagrożeń i kierowanie kontroli tam, gdzie mogą przynieść największą wartość dla bezpieczeństwa.

Projekt o nazwie „Opracowanie systemu minimalizacji ryzyka eksploatacyjnego oraz monitoringu technicznego infrastruktury krytycznej wodociągowej i kanalizacyjnej z wykorzystaniem zaawansowanych narzędzi analitycznych” będzie realizowany w latach 2026-2027. Wodociągi Warszawskie otrzymały na ten cel dofinansowanie z  Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego w ramach Priorytetu I „Fundusze Europejskie dla bardziej konkurencyjnego i inteligentnego Mazowsza”, Działania 1.1 „Badania, rozwój i innowacje przedsiębiorstw” programu Fundusze Europejskie dla Mazowsza 2021–2027. Maksymalna wartość wynosi 2 954 452,12 zł, przy maksymalnym dofinansowaniu 1 062 492,08 zł. Głównym założeniem Projektu jest połączenie wiedzy inżynierskiej, badań materiałowych, monitoringu konstrukcji oraz analizy danych w jeden spójny sposób oceny zagrożeń.

Projekt realizowany jest przez Pion Badań i Analiz Technicznych we współpracy z innymi jednostkami organizacyjnymi Spółki, a jego rezultatem będzie Program Badań Eksploatacyjnych (PBE), wspomagany w zakresie decyzji, uczeniem maszynowym: plan kontroli wskazujący ich zakres, metody, częstotliwość i sposób postępowania z wynikami. Nie ma to być jednorazowy harmonogram. Nowe pomiary i ustalenia z inspekcji będą służyć do aktualizowania oceny ryzyka oraz kolejnych decyzji eksploatacyjnych.

Metodyka RBI – dlaczego inspekcje powinny zależeć od ryzyka?

Podstawą opracowywanego rozwiązania jest RBI (z ang. Risk-Based Inspection, inspekcje oparte na analizie ryzyka), czyli planowanie inspekcji na podstawie analizy ryzyka. To podejście stosowane m.in. w przemyśle rafineryjno-petrochemicznym. W Projekcie jego zasady zostaną dostosowane do specyfiki infrastruktury wodociągowo-kanalizacyjnej, w której warunki pracy i dostęp do poszczególnych elementów bywają bardzo zróżnicowane. W RBI ryzyko ocenia się, uwzględniając dwa zagadnienia: jak prawdopodobne jest uszkodzenie danego elementu (Probability of Failure PoF) oraz jakie byłyby jego następstwa (Consequences of Failure, CoF). Konsekwencje mogą dotyczyć ciągłości działania instalacji, kosztów napraw, bezpieczeństwa ludzi i wpływu na środowisko. Punktem odniesienia dla prac są wytyczne API 580 i API 581, rozwijane przede wszystkim dla instalacji przemysłowych. W praktyce, zastosowanie tego podejścia, oznacza połączenie wiedzy o konstrukcji, materiałach, warunkach pracy, historii usterek i możliwych skutkach awarii. Wynikiem ma być nie tylko ocena „dobry–zły”, lecz uporządkowana odpowiedź: co sprawdzić, jaką metodą, gdzie i kiedy. Takie działanie jest niezbędne, gdy w skomplikowanych układach technologicznych nie wszystkie fragmenty infrastruktury starzeją się jednakowo. O stopniu zużycia decydują m.in. materiał, obciążenia, warunki otoczenia i historia eksploatacji. Dlatego jednakowa częstotliwość kontroli nie zawsze oznacza równie skuteczny nadzór. Analiza ryzyka ma pomóc określić, które miejsca należy sprawdzić w pierwszej kolejności, jakimi metodami i w jakim terminie.

Od właściwości materiału do rozpoznania uszkodzeń

Cały proces wdrożeniowy projektu opiera się na kilku wzajemnie powiązanych etapach:

1. Analiza dokumentacji technicznej i danych eksploatacyjnych – w pierwszym etapie gromadzone i analizowane są informacje dotyczące konstrukcji obiektu, zastosowanych materiałów, warunków pracy, historii eksploatacji, wcześniejszych uszkodzeń i awarii oraz funkcjonujących systemów zabezpieczeń i monitoringu. Pozwala to na identyfikację elementów instalacji, ich charakterystyki technicznej oraz czynników wpływających na niezawodność i trwałość eksploatacyjną.
2. Identyfikacja mechanizmów degradacji i dobór metod diagnostycznych – na podstawie zgromadzonych informacji określane są potencjalne mechanizmy uszkodzeń, takie jak korozja, erozja, zmęczenie materiału, deformacje czy uszkodzenia mechaniczne. Dla poszczególnych mechanizmów dobierane są odpowiednie metody badań niszczących i nieniszczących oraz techniki monitoringu, umożliwiające wykrywanie, ocenę i obserwację rozwoju defektów.
3. Analiza ryzyka z wykorzystaniem zaawansowanych metod analitycznych i algorytmów uczenia maszynowego – kolejnym etapem jest określenie prawdopodobieństwa wystąpienia uszkodzenia (Probability of Failure, PoF) oraz potencjalnych konsekwencji awarii (Consequence of Failure, CoF), obejmujących skutki techniczne, środowiskowe, ekonomiczne i eksploatacyjne. Istotnym elementem tego procesu może być zastosowanie algorytmów uczenia maszynowego (ML), które umożliwiają analizę dużych zbiorów danych pochodzących z monitoringu, badań diagnostycznych oraz historii eksploatacji. Algorytmy te mogą wspierać identyfikację anomalii, wykrywanie złożonych zależności pomiędzy parametrami pracy instalacji a jej stanem technicznym, a także prognozowanie rozwoju uszkodzeń i wspomaganie szacowania prawdopodobieństwa awarii. Po odpowiednim wytrenowaniu i zweryfikowaniu modeli możliwe jest wykorzystanie ich wyników do aktualizacji oceny ryzyka oraz identyfikacji obszarów infrastruktury wymagających szczególnej uwagi.
4. Opracowanie Programu Badań Eksploatacyjnych (PBE) – wyniki analizy ryzyka stanowią podstawę do przygotowania programu obejmującego zakres, metody i częstotliwość prowadzenia inspekcji oraz monitoringu stanu technicznego. Program określa również zasady interpretacji wyników badań, kryteria oceny stanu elementów infrastruktury oraz procedury postępowania w przypadku wykrycia nieprawidłowości. Priorytety diagnostyczne ustalane są z uwzględnieniem poziomu ryzyka przypisanego poszczególnym elementom instalacji.
5. Ciągła aktualizacja oceny ryzyka i doskonalenie programu inspekcyjnego – opracowany program podlega okresowej weryfikacji na podstawie nowych wyników badań, danych pomiarowych oraz informacji o zmianach warunków eksploatacyjnych. Integracja metodyki RBI z algorytmami uczenia maszynowego umożliwia dodatkowo rozwijanie modeli analitycznych w miarę pozyskiwania kolejnych danych i ich wykorzystanie do coraz bardziej aktualnej oceny stanu technicznego infrastruktury. Pozwala to na dostosowywanie działań diagnostycznych do rzeczywistego stanu instalacji i zmieniającego się poziomu ryzyka.

W tradycyjnym podejściu kontrole często odbywają się w stałych odstępach. RBI pozwala różnicować ich zakres i częstotliwość zależnie od ryzyka. Ostatecznie oznacza to pozyskanie jasnej informacji na temat tego który obszar instalacji lub konstrukcji wymaga największej uwagi. Umożliwia to najbardziej optymalne skierowanie zasobów i personelu w celu pozyskania najlepszej wiedzy o stanie technicznym obiektu. Dodatkowo połączenie metodyki RBI z zaawansowaną analizą danych i algorytmami uczenia maszynowego stwarza możliwość przejścia od okresowej oceny stanu technicznego do bardziej dynamicznego, predykcyjnego podejścia do zarządzania ryzykiem eksploatacyjnym. W takim modelu dane pochodzące z monitoringu i badań technicznych służą nie tylko do identyfikacji istniejących uszkodzeń, lecz również do rozpoznawania symptomów potencjalnych awarii oraz wspomagania prognozowania zmian stanu technicznego instalacji.

Ostatecznym celem jest stworzenie systemu wspomagania decyzji eksploatacyjnych, który umożliwi identyfikację i hierarchizację obszarów infrastruktury wymagających szczególnej uwagi oraz racjonalne ukierunkowanie zasobów technicznych, finansowych i kadrowych. Pozwala to skoncentrować działania diagnostyczne tam, gdzie mogą dostarczyć informacji o największym znaczeniu dla bezpieczeństwa i niezawodności obiektu, jednocześnie ograniczając liczbę inspekcji o niewielkiej wartości diagnostycznej. W rezultacie możliwe staje się skuteczniejsze zarządzanie trwałością infrastruktury, optymalizacja kosztów jej utrzymania oraz ograniczanie ryzyka wystąpienia awarii i ich konsekwencji.

Modelowanie i predykcja

Dane pozyskane z systemu monitoringu posłużą do zasilenia symulacji komputerowych na modelu 3D odwzorowującym pełną geometrię tunelu, jego zmienne spadki, warunki gruntowe i wodne oraz obciążenia od wyposażenia i instalacji. Do jego zbudowania posłużono się dokumentacją projektową i powykonawczą, danymi geodezyjnymi, parametrami materiałów oraz batymetrią Wisły. Model numeryczny kalibrowany jest na podstawie rzeczywistych pomiarów. Narzędzie umożliwi analizę scenariuszy, których nie należy odtwarzać eksperymentalnie na pracującym obiekcie – na przykład zmian poziomu Wisły, odmiennych warunków obciążenia czy różnych stanów pracy instalacji. Wyniki mają pomóc identyfikować miejsca szczególnie wrażliwe na przemieszczenia i uwzględniać je w ocenie ryzyka.

Ocenę stanu technicznego wesprze sztuczna inteligencja. Projekt zakłada przygotowanie systemu IT analizującego dane z systemów przemysłowych, historii awarii, badań materiałowych, monitoringu światłowodowego i modelu tunelu. Uczenie maszynowe (ML) pozwala algorytmom rozpoznawać zależności w danych, a uczenie głębokie (DL) wykorzystuje wielowarstwowe sieci neuronowe do wykrywania bardziej złożonych wzorców. W tym zastosowaniu narzędzia mają wspierać wykrywanie anomalii, wskazywać obszary podwyższonego ryzyka i pomagać prognozować rozwój uszkodzeń oraz trwałość elementów.

Modele predykcyjne nie zastępują jednak inżyniera czy badań. Ich jakość zależy od jakości i kompletności danych, dlatego ważne są uporządkowane bazy, porównywalne pomiary oraz walidacja wyników. Algorytm może sygnalizować nietypową zmianę; specjaliści oceniają jej znaczenie, sprawdzają ją odpowiednią metodą i decydują o dalszych działaniach. Tak powstaje pętla uczenia: pomiar, analiza, inspekcja, aktualizacja oceny ryzyka.

Od danych do konkretnych decyzji eksploatacyjnych

Poszczególne części projektu tworzą jeden proces. Analiza konstrukcji pozwala wskazać możliwe zagrożenia, badania materiałowe pomagają je rozpoznawać, monitoring i model dostarczają informacji o warunkach pracy, a narzędzia analityczne porządkują te dane i wspierają szacowanie ryzyka. Na tej podstawie można przygotować uzasadniony plan inspekcji.

W Programie Badań Eksploatacyjnych zostaną wskazane elementy wymagające kontroli, odpowiednie metody badań oraz terminy ich wykonywania. Ważną częścią programu będą także zasady interpretowania rezultatów i postępowania po wykryciu nieprawidłowości. Dzięki temu wynik analizy będzie prowadził do praktycznej decyzji, a nie pozostawał jedynie zapisem w raporcie.

Całość ma działać w powtarzalnym cyklu: pomiar, analiza, ocena ryzyka, inspekcja i ponowna ocena. Jeśli nowe dane zmienią ocenę stanu danego elementu, będzie można odpowiednio dostosować zakres kolejnych kontroli. Właśnie w takim ciągłym doskonaleniu programu tkwi główna wartość podejścia RBI.

Tunel pod Wisłą - laboratorium w skali rzeczywistej

Rozwiązania są opracowywane i sprawdzane na rzeczywistym obiekcie: układzie przesyłowym ścieków pod Wisłą. Jego częścią jest tunel o długości około 1,3 km, w którym znajdują się dwa stalowe rurociągi o średnicy nominalnej 1,4 m, zabezpieczone powłokami poliuretanowymi. Takie połączenie konstrukcji tunelowej i instalacji technologicznych stawia szczególne wymagania przed diagnostyką.

Obudowa tunelu przenosi oddziaływania gruntu i wód gruntowych, natomiast rurociągi pracują pod wpływem zmiennych warunków przepływu, ciśnienia i temperatury. Zachowanie jednego elementu może mieć znaczenie dla pozostałych. Ocena stanu układu wymaga więc spojrzenia na całą konstrukcję, a nie wyłącznie na pojedynczy przewód czy wynik pomiaru.

Tunel pełni w projekcie rolę obiektu referencyjnego – miejsca, na którym można zestawić dane z różnych źródeł i sprawdzić przydatność opracowanych metod w rzeczywistych warunkach eksploatacji. Uzyskana wiedza ma w przyszłości ułatwić dostosowanie podobnego podejścia do innych wymagających obiektów infrastruktury.

Konstrukcja bez tajemnic

Tunel nieustanie pracuje. Obudowa tunelu poddawana jest ciągłym naprężeniom związanym z naporem mas gruntu i wody. Na rurociągi technologiczne działają siły związane z odkształceniami termicznymi – jedne z najsilniejszych oddziaływań znanych w inżynierii. Kontrolę nad prawidłową bezpieczną pracą konstrukcji zapewnia monitoring strukturalny SHM (Structural Health Monitoring). Monitoring przemieszczeń oparty o czujniki strunowe oraz czujniki typu MEMS umożliwia śledzenie ruchu poszczególnych elementów rurociągów i porównywanie z określonymi progami bezpieczeństwa.

Obudowa tunelu wyposażona jest w trzy liniowe czujniki światłowodowe DFOS (Distributed Fiber Optic Sensing) rozmieszczone u góry i po bokach przekroju tunelu. Włókna mierzą odkształcenia i temperaturę na kolejnych odcinkach pozwalając wyznaczać miejsca zmian geometrii, w tym ruchy osi tunelu oraz przemieszczenia między sąsiednimi prefabrykatami. Pomiar światłowodowy daje informację rozłożoną wzdłuż całej trasy, a nie tylko w kilku punktach, jak w tradycyjnych metodach pomiarowych.

Dane z czujników trafiają do systemu gromadzenia pomiarów. Dopiero po ich zestawieniu z warunkami pracy rurociągów, zmianami poziomu wody i innymi informacjami eksploatacyjnymi można oceniać, czy obserwowana zmiana jest spodziewaną reakcją konstrukcji, czy sygnałem wymagającym sprawdzenia.

Co projekt może przynieść Warszawie

Oczekiwanym rezultatem jest skuteczniejsze rozpoznawanie zagrożeń i kierowanie działań diagnostycznych tam, gdzie są najbardziej potrzebne. Może to wspierać ciągłość usług, ograniczanie potencjalnych szkód środowiskowych i racjonalne wykorzystywanie zasobów przeznaczonych na kontrolę oraz utrzymanie infrastruktury. Efektywność tych rozwiązań będzie oceniana na podstawie wyników prac badawczo-rozwojowych.

Doświadczenia zdobyte podczas badań układu przesyłowego pod Wisłą mogą w przyszłości pomóc w rozwijaniu podobnych metod dla kolejnych obiektów miejskich. Najważniejsza zmiana polega jednak już na samym podejściu: od pojedynczych kontroli do spójnego systemu decyzji opartych na wiedzy o konstrukcji, jej materiałach i rzeczywistych warunkach pracy.

Kluczowe również jest to, że większość istotnych prac w ramach Projektu, a w tym badania materiałowe, analizy oraz testy i sprawdzenia rozwiązań, a także przygotowanie modelów ML/DL realizowane będą przez personel Spółki, dzięki czemu wiedza i doświadczenie pozostaną, jako zasób do późniejszego wykorzystania w bieżącej działalności operacyjnej.