Sistema automatizado de detecção e gestão de vazamentos

Antônio Marcos Candido Junior Engenheiro Civil (2020). Tel.: +55 (11) 98305-5009 e-mail: antoniomcj@outlook.com

Iury Tadashi Hirota Simas Geógrafo (2013), mestre em Geografia Física (2017) pela USP. Geógrafo da Engemap Geoinformação. Tel.: +55 (11) 5181- 4986 e-mail: iury@engemap.com.br

Weber Pires de Sá Júnior Biólogo (1985), mestre em Ecologia Aquática (1995) pela UFMG e mestre em Ciências de Informações Geográficas (2013) pela University of Minnesota. Diretor Técnico e de Produtos da Engemap Geoinformação. Endereço: Rua Alexandre Dumas, 1601, cj. 67 Chácara Santo Antônio São Paulo - SP CEP: 04717-004 - Brasil. Tel.: +55 (11) 5181- 4986 e-mail: weber@engemap.com.br

Antônio Boalor Leite Ramos Engenheiro Civil (2013). Técnico em Serviços de Saneamento da SABESP - Companhia de Saneamento Básico do Estado de São Paulo. Tel.: +55 (11) 3838- 6363 e-mail: abramos@sabesp.com.br

Andrea Regina Venancio da Silva Engenheira Civil (2003). MBA em Gestão Estratégica e Econômica de Projetos pela FGV (2009) e MBA em gestão empresarial pela FIA (2017). Gerente de Divisão de Controle de Perdas da Unidade de Negócios Oeste da SABESP - Companhia de Saneamento Básico do Estado de São Paulo. Tel: +55 (11) 3838-6300 e-mail: andreasilva@sabesp.com.br.

Fátima J. Gonçalves

Mestra em Administração de Empresas pela Universidade Metodista de São Bernardo do Campo, Diretora de Novos Negócios da Trimble Brasil Soluções Ltda. Tel: +55 19 9 9949 5490 email: fatima_goncalves@trimble. com

Sistema automatizado de detecção e gestão de vazamentos em rede de distribuição de água

Resumo A redução de perdas é um dos grandes objetivos nas operações de saneamento no Brasil. Dentre os tipos de perdas, os vazamentos ocultos destacam-se por sua representatividade das perdas totais. Normalmente, os equipamentos utilizados em sua detecção são de princípio acústico e consistem na capacidade humana de interpretar diversos tipos de ruídos. Com o objetivo de aprimorar ainda mais as técnicas de detecção de vazamentos e validação de novas tecnologias para a realidade operacional local, foi realizado o teste de um novo equipamento desenvolvido para identificação automatizada e gestão proativa de vazamentos. Sua eficiência e acuidade foi comparada aos equipamentos tradicionalmente empregados nas pesquisas de vazamentos: o geofone e correlacionador de ruídos. Após o teste em setor de abastecimento de São Paulo foi possível constatar que o equipamento é adaptável às condições operacionais, apontou problemas na rede de distribuição de forma acurada, não teve falsos positivos e se mostrou com a melhor relação de custo por extensão monitorada. PALAVRAS-CHAVE: redução de perdas, gestão de ativos, pesquisa de vazamento, geotecnologias, aprendizado de máquina.

Introdução e justificativa Detectar vazamentos ocultos é um dos controles ativos para combater as perdas reais no sistema de abastecimento de água. Com equipamentos específicos de detecção, a localização de vazamentos invisíveis a olho nu é otimizada. Assim, é possível a manutenção da rede sem maiores trabalhos para encontrar pontos críticos, diferente do controle passivo, que faz a manutenção somente quando o vazamento se torna visível.

Além do desperdício, vazamentos de água representam outros tipos de prejuízos à saúde pública. Por exemplo, em caso de despressurização de uma rede para manutenção, agentes nocivos podem entrar na tubulação. Em decorrência deles também podem se abrir fissuras, buracos e crateras em vias públicas, devido à água presente no pavimento que diminui sua capacidade de resistir esforços do tráfego. E por fim há perda de faturamento, que nas empresas brasileiras de saneamento básico gira em torno de 35%.

A forma mais comumente empregada para localizar um vazamento é pelo método acústico, que consiste na capacidade humana em escutar certos níveis de ruídos e interpretá-los. O vazamento na tubulação é identificado por diversos sons diferentes, como por exemplo, o do fluxo de água que passa na abertura existente na tubulação e o impacto entre esse fluxo e o solo em volta do tubo. Portanto, a eficiência e acurácia do método tradicional de pesquisa está diretamente associado à experiência do operador do equipamento acústico. Sua precisão e taxa de acerto dependem do tempo dedicado à auscultação e revisita a um local já pesquisado, tornando-as inversamente proporcionais à relação de tempo por extensão pesquisada.

Portanto, o presente trabalho objetiva apresentar uma solução alternativa para detecção de vazamentos, base ada no princípio de monitoramento proativo e automatizado. Buscou-se obter as taxas de acerto, aplicabilidade da tecnologia importada à realidade operacional local, custo em relação ao aluguel ou compra do equipamento e hora trabalhada do operador e o tempo de execução. O método consiste na utilização de um correlacionador georreferenciado automático, que recebe a leitura dos ruídos executada por sensores acústicos, interpreta au tomaticamente através de algoritmos e apresenta os resultados através de plataforma online. Sua aplicação em grandes extensões da rede de distribuição mostra-se promissora para melhor gerenciamento ativo das redes, identificação precisa e confiavel de vazamentos, e maior eficiência na emissão de ordens de reparo.

Objetivo Analisar a aplicabilidade, vantagens e desvantagens de nova tecnologia de detecção e monitoramento de vazamentos em rede de distribuição de água em comparação aos métodos tradicionais de pesquisa por vazamento.

Detecção de vazamentos: materiais e métodos GEOFONE Até meados do século XX, o controle de perdas era feito de forma que o vazamento só era reparado após se tornar visível, afl orando na superfície ou por denúncia dos usuários. A década de 1940 foi o início das pesquisas de vazamentos com utilização do geofone mecânico e, até hoje, o geofone é o instrumento de pesquisa de vazamentos ocultos mais utilizado no Brasil.

O geofone é composto por sensor, amplifi cador, fones de ouvido e fi ltros de ruído. O sensor é passado sobre a superfície de onde a tubulação se encontra enterrada e, onde for captado o maior ruído, é o ponto abaixo do qual se encontra o vazamento não visível. Sua utilização está limitada às superfícies pavimentadas, pois são elas que criam o efeito de caixa acústica do qual depende o funcionamento do instrumento.

Figura 1: Princípio de uso do geofone.

Fonte: adaptado de <http://www. oguztesisat.com/ hizmetler/su-kacagitespiti>

Uma vez que o método não é indicado para varredura de grandes extensões de redes, os operadores são direcionados a setores onde já existe forte suspeita de vazamentos, criada pela observação de outros índices, como a vazão mínima noturna.

CORRELACIONADOR DE RUÍDOS Com auxílio de dois sensores, esse equipamento faz uma correlação entre os pontos, através da diferença de tempo que o ruído leva para atingir cada um. Os resultados são coletados por computador (denominado “Unidade Principal”), onde apresenta o ponto exato do vazamento.

Figura 2: Princípio de uso do correlacionador de ruídos.

Fonte: Adaptado de <https:// sanesoluti.com.br/produto/ correlacionador-de-ruido-correlux/>

Sua utilização depende de contato com ponto de acesso à rede (que pode ser uma válvula ou cavalete) e seu alcance dependerá do material da rede (máximo de 500 metros). Seu uso está limitado a trechos totalmente retilíneos e, dado o tempo de preparo do equipamento para coleta de cada amostra, deve ser já direcionado a local com forte suspeita de vazamento.

CORRELACIONADOR GEORREFERENCIADO AUTOMÁTICO Essencialmente são dois equipamentos que compõem uma mesma solução: o correlacionador georreferenciado automático, que é fi xo, e o Detector Móvel. O equipamento fi xo funciona com o auxílio de dois tipos de sensores, sendo que não é necessário ir com um computador em campo, instalando somente o equipamento e este enviará suas leituras via nuvem em horários programaveis. Isso é possível devido a um chip que transmite sinal pela rede móvel, inserido dentro do equipamento, e capacidade de transmissão via rádio. Os sensores utilizados são o acelerômetro, em caso de redes unicamente metálicas, e sensor hidrofone para redes com qualquer outro tipo de material, grande diâmetro ou redes mistas. • Sensor hidrofone: possui rosca fêmea e deve ser conectado em um ponto da tubulação que permita seu contato com a água. • Acelerômetro: através de atração magnética, basta encostar em um ponto da tubulação metálica, não necessitando seu contato com a água.

Figura 3: Princípio de utilização dos sensores hidrofone e acelerômetro.

Os dados das leituras são então correlacionados entre os pares de sensores instalados na rede, interpretados por algoritmo e apresentados de forma georreferenciada em plataforma online. Nesta plataforma de gestão, são visíveis as redes monitoradas, os equipamentos instalados, suas leituras (incluíndo arquivos de audio das gravações) e localização de vazamentos automaticamente detectados.

O Detector Móvel, auxiliar desse equipamento fi xo, funciona si

milarmente ao geofone, porém a diferença está no fato de que não exige acuidade auditiva apurada do operador. Isso é possível através de aplicativo de celular, que permite que as informações de ruídos sejam lidas, interpretadas e apresentadas no visor do Smartphone. Todas as amostras são gravadas e mantidas no sistema, que comparará o ruído interpretado entre elas. Quando utilizados dois detectores móveis, passa a ser possível empregá-los na forma de correlacionador, com o aplicativo realizando a interpretação pareada dos ruídos captados pelos sensores. Os resultados das amostras levantadas pelo aplicativo são apresentados instantaneamente em formato de mapa e gráficos. tanto, foi definido como ideal sua instalação em cavaletes, utilizando-se excluvisamente sensores hidrofones. Isto, pois, na região do teste, a maior parte dos ramais de ligação são de tubos de Polietileno de Alta Densidade (PEAD) e o cadastro técnico apontava para a composição mista da rede na área. A escolha por instalação exclusiva em cavaletes também foi favorecida pela possibilidade de uso das caixas UMA (padrão da companhia de saneamento local) para abrigo e proteção do equipamento.

Figura 4: Detector móvel, funcionando com auxílio de Smartphone, em local com vazamento confirmado.

Adaptações da tecnologia às características da rede local Antes da instalação, é necessária a integração da plataforma do equipamento com informações da base de dados cadastrais da companhia de saneamento, onde se tem todos os dados como extensões, diâmetros e posições georreferenciadas das tubulações e peças acessórias. A disponibilidade dessas informações é importante, principalmente, na etapa de planejamento da disposição dos equipamentos e seleção dos pontos de instalação para obter configuração com a maior cobertura possível.

Após a integração, é feita a instalação do correlacionador georreferenciado automático nos pontos de acesso à tubulação, de forma a ficarem em pontos a uma distância máxima recomendada de 250 metros, para assim executarem correlação por pares. O planejamento da distribuição de pontos de instalação deve seguir o ideal de criar o máximo de pares possível.

Originalmente, o equipamento foi concebido para instalação em hidrantes ou válvulas. No entanto, foi constatado que estes seriam limitadores de seu uso no local de interesse, dada a baixa presença de hidrantes derivados da rede e pelas dimensões dos acessos às válvulas, pequenos demais para abrigarem os equipamentos. Por

Figura 5: Uma unidade do correlacionador georreferenciado automático abrigado em caixa UMA.

Após a instalação do dispositivo fixo em campo (procedimento que leva em média 15 minutos), é feita a programação para os horários de leitura, preferencialmente na madrugada, onde há o mínimo consumo de água. Após rápido procedimento de instalação de cada unidade fixa no sistema online via aplicativo, estes passaram a transmitir suas leituras através da rede móvel. Estas foram armazenadas, correlacionadas e interpretadas automaticamente em servidor. Como o sistema emprega o princípio de machine learning, seu algorítimo diferencia valores de ruído intermitentes e constantes e, a partir das amostras, pondera os resultados em conformidade à situação normal de operação da rede de distribuição na área monitorada, conforme a figura 6.

Os resultados apresentados pelo sistema de monitoramento, alimentado pelas leituras dos dispositivos fixos, orientaram pesquisas em campo utilizando o Detector Móvel, geofone operado por especialistas e correlacionador de ruído.

Resultados e discussões Na primeira área monitorada, com um único dia de monitoramento e três amostras noturnas, o sistema emitiu um alerta de vazamento. O ruído detectado foi destacado como intenso e constante em todas as correlações realizadas entre os dois sensores que cobriam este ponto. Ao longo dos dias seguintes, com a persistência do ruído, o sistema elevou a classificação do vazamento para “rápido desenvolvimento”, indicando que havia sido detectado aumento na frequencia e intensidade do ruído. As leituras indicavam que o vazamento estava localizado a 26 metros do primeiro sensor.

Com base na localização apresentada pelo sistema de monitoramento, foram deslocadas equipes de pesquisa ao local para averiguação. Foram utilizados o Detector Móvel e geofone, operado por especialistas. Ambos identificaram dois pontos com alta intensidade de ruído típico de vazamento, um primeiro a 30 metros do primeiro sensor (de maior intensidade) e um segundo a 34 metros. O correlacionador de ruído tradicional não conseguiu realizar a correlação neste trecho e trouxe resultado inconclusivo. Isso é creditado a uma obstrução existente no segmento de rede entre as válvulas que foram utilizadas para acoplagem dos sensores do correlacionador. Esta obstrução, provocada por acúmulo de ferrugem, foi constatada no ato de reparo da rede. Outro resultado importante foi a constatação de que a rede onde estava o vazamento ainda encontrava-se em carga, sendo que a informação, que possuiam o cadastro técnico e o pólo de manobra, era de que tal segmento já encontrava-se desativado.

A manutenção foi feita com a seção e capeamento da rede no

ponto onde se encontrou a obstrução. Após completa a manutenção na área, o alerta de vazamento no sistema foi fechado. As leituras subsequentes à conclusão da manutenção deixaram de apresentar qualquer ruído anômalo, conforme a figura 7.

Na segunda área monitorada, após uma semana de monitoramento, o sistema não apresentou nenhum alerta. Foram analisados todos os gráficos resultantes das correlações na área e indicados 4 pontos onde havia possibilidade de vazamentos, baseado em indícios presentes nas leituras acumuladas.

Uma equipe composta por membros da empresa representante da tecnologia e da companhia de saneamento local foi deslocada ao local para averiguação, com geofone e Detector Móvel. Não foi possível confirmar vazamento em nenhum dos pontos, apenas manter a suspeita em um dos locais apontados no sistema.

Foram realizadas alterações nos horários de coleta e horários de controle da demanda (pressão na área monitorada), mas estes não resultaram em alterações significativas nos resultados das correla

Figura 6: Disposição dos equipamentos instalados e áreas monitoradas ao longo dos testes.

Figura 7: Gráficos de leituras apontando vazamento detectado e leituras dos mesmos pares após reparo.

ções. Foi então encaminhada equipe de outra empresa contratada para pesquisa de vazamento, para que realizassem pesquisa noturna, sem indicação dos locais com suspeita nos trechos monitorados. Esta equipe identificou vazamentos no bairro, mas nenhum deles em qualquer trecho recoberto pelos pares de correlação dos sensores. Foi novamente encaminhado especialista em geofonamento da companhia local, que constatou não haver vazamentos em qualquer trecho da extensão monitorada. Logo, isso permite concluir que o sistema teve o resultado correto, ao não abrir alerta nenhum, apesar da expectativa de presença de vazamentos no local escolhido para o teste.

Quanto às questões de custo benefício: por depender de um operador experiente, que saiba interpretar os ruídos com a utilização do geofone, o método de geofonamento exige no mínimo um Técnico em Saneamento, com salário médio de R$ 2.473,91 mensais (2019), para uma jornada de 43 horas semanais, o que apresenta um custo aproximado de R$ 11,25/hora/operador. Tendo em vista que o ideal dessa pesquisa é ser realizada preferencialmente no período entre 3:00 e 4:00h, incidiria ainda o adicional noturno. O método proposto nesse trabalho, necessitou somente de um técnico de saneamento para a instalação do correlacionador georreferenciado automático (fixo), que durou aproximadamente 15 minutos, e sua confirmação em campo, com a utilização do detector móvel foi possível ser feita por um operador sem experiência, que no caso foi um estagiário de engenharia civil. O valor médio de bolsa-auxílio pago a um estagiário das diversas áreas da engenharia é de R$ 1.022,30, e considerando a carga horária de 30 horas semanais, o custo final é de R$ 6,82/hora/operador. Deve-se considerar ainda a eficiência quanto à distância coberta por cada método: uma equipe de pesquisa de vazamentos (de duas a três pessoas) utilizando geofone, em média no setor teste, cobre 9 quilômetros em 6 horas úteis de trabalho, chegando assim em uma distância de 1.500 metros por hora com uma amostra por trecho. Essas mesmas 6 horas de trabalho seriam suficientes para dois operadores instalarem 48 correlacionadores georreferenciados automáticos, que fariam a varredura de 12.000 metros de redes ao menos 3 vezes ao dia, pelo tempo que for necessário.

A comparação entre os dois métodos é apresentada ao lado, na tabela 1.

Conclusão É possível afirmar que o método proposto é ideal para o controle ativo, de forma que a detecção de vazamentos seja feita preventivamente, deixando a utilização do geofone e correlacionador de VANTAGENS DESVANTAGENS

Correlacionador Georreferenciado Automático • Posição

georreferenciada dos alertas de vazamentos; • Melhor relação de custo por extensão monitorada; • Sem necessidade

de um operador em horário noturno; • Maior coleta de amostras; • Amplo banco de dados de ruídos. • Necessária presença de rede móvel. • Instalação limitada a locais com espaço suficiente para o equipamento;

Correlacionador de Ruídos • Imediata instalação e coleta de amostras. • Bom alcance quando utilizado em trechos retilíneos. • Necessidade de

computador (Unidade Principal) em campo; • Necessidade de

direcionamento direto a local com suspeita de vazamento; • Coleta de poucas amostras; • Necessidade de

operador experiente para posterior confirmação dos alertas de vazamentos.

Geofone • Localização pontual do vazamento. • Baixa eficiência, não

indicado para pesquisa em grandes extensões; • Necessidade de

operador experiente • Possibilidade de falsos positivos.

Tabela 1 - Comparação entre os métodos de detecção de vazamentos

ruídos somente para o controle passivo, pois necessita de mais agilidade. Nada impede, porém, o uso do método para o controle passivo, tendo em vista que o detector móvel pode apresentar resultados de forma imediata assim como o geofone, ainda sem depender de um operador experiente.

Pode-se concluir que o sistema se mostrou confiável tanto para os casos em que abriu alerta e, de fato havia anomalia operacional na rede, quanto para o caso em que não abriu nenhum alerta de vazamento, mesmo para área onde estes eram “esperados”, mas que de fato não existiam. Assim, a tecnologia foi provada como uma solução útil ao melhor direcionamento e aproveitamento de equipes tanto de pesquisa quanto de manutenção em campo otimizando as pesquisas de vazamentos não aparentes e reparos. Dessa forma, seu uso de forma extensiva na rede de distribuição em um setor de abastecimento passa a ser interessante justamente por representar não apenas aumento da eficiência na identificação de fontes de perdas, como também ganhos de eficiência em diferentes processos.