Resumo
Com a necessidade de modernização das empresas de abastecimento de água e chegada do conceito de Indústria 4.0, a busca por melhores soluções otimizadas no menor tempo possível para problemas internos vem sendo constantemente buscadas. Uma das alternativas empregadas para essas situações consiste na utilização de Gêmeos Digitais (GD). Os Gêmeos Digitais são representações virtuais em tempo real de objetos, processos e sistemas. Embora os gêmeos digitais possam representar coisas puramente digitais, eles frequentemente servem como uma ponte entre os domínios físico e digital. O estudo relacionado a Gêmeos Digitais é recente, no qual ainda se buscam arquiteturas adequadas para sua construção e o repertório das aplicações relacionadas aos sistemas de distribuição de água são limitados. A presente pesquisa concentrou-se no desenvolvimento de um Gêmeo Digital de um sistema de bombeamento de água focado em manter a integridade da planta hidráulica a partir dos dados da pressão das tubulações. Para o desenvolvimento do Gêmeo Digital, a pesquisa foi dividida em três partes: a construção do Modelo Digital, a Sombra Digital, e por fim do Gêmeo Digital. O sistema considerado como cenário para a pesquisa consiste em uma bancada experimental que encontra-se instalada no Laboratório de Eficiência Energética e Hidráulica em Saneamento (LENHS) da Universidade Federal da Paraíba, possuindo em sua constituição atuadores e sensores, como válvulas, conjunto motobomba e diversos sensores de pressão. O desenvolvimento dos modelos digitais a partir do sistema real foi realizado por meio do emprego de Redes Neurais Artificiais, nas quais foram avaliadas duas funções de ativações diferentes, a sigmoide e ReLU, e considerando a aplicação de realimentação ou não com atrasos da saída. Os melhores modelos digitais obtidos foram utilizados em paralelo com a planta hidráulica, como uma Sombra Digital. Dos melhores modelos encontrados, três utilizam a função de ativação ReLU e um a função de ativação sigmoide. Utilizando os modelos digitais em paralelo com o sistema físico, obteve-se um erro percentual absoluto médio (MAPE) satisfatório a partir do emprego do modelo digital com dois atrasos. Como Sombra Digital foram realizados experimentos com atualização do modelo digital considerando dois cenários, um com dados novos e antigos ou apenas com dados novos, no qual foi observado uma melhora nos resultados em relação ao modelo digital sem atualização e a influência do erro quadrático médio (EQM) obtido durante a atualização nos resultados do MAPE durante os experimentos como Sombra Digital. Para o Gêmeo Digital foi desenvolvido um supervisório no ScadaBR, que é um software livre, gratuito e de código-fonte aberto, para desenvolvimento de aplicações de Automação, Aquisição de Dados e Controle Supervisório, o qual permite o manejo do GD e da planta física, não permitindo entradas fora de intervalo permitido ou operações que elevem a pressão nas tubulações. A partir dos resultados obtidos, foi possível verificar que a utilização do Gêmeo Digital é de grande valia em relação a proteção do sistema físico contra operações danosas bem como a possibilidade de realizar testes simulados sem a comunicação com a planta física.
Autor: Caio Mangueira do Nascimento.
