PICS - APPEL FRANCO-ALLEMAND SUR LA PROTECTION DES INFRASTRUCTURES CRITIQUES

Outils, modèles et réseaux sécurisés et innovants de capteurs pour une résilience augmentée des infrastructures liées à l'eau – ResiWater

Des réseaux innovants et sécurisé de capteurs et des outils de simulation pour accroitre la résilience des infrastructures liées à l’eau

Le projet ResiWater vise à mieux préparer les services des eaux à la gestion de crise et à la résilience en développant un réseau sécurisé de capteurs et des simulateurs d’entraînement. Les résultats sont appliqués aux cas de défaillance des trois utilisateurs finaux du projet. <br />Mots-clefs : <br />Infrastructure d’importance vitale <br />Catastrophe <br />Attaque terroriste et cyber <br />Sécurité <br />Résilience <br />Capteurs et réseau de capteurs <br />Simulation et formation à la résilience <br />Indicateur clé de performance

ResiWater ou des outils, modèles et réseaux sécurisés et innovants de capteurs pour une résilience augmentée des infrastructures liées à l'eau

Les réseaux de distributions d’eau potable sont des infrastructures d’importance vitale qui peuvent échouer à distribuer de l’eau en qualité et en quantité suffisante. Ils sont exposés à différentes menaces dont des attaques terroristes et cyber, des catastrophes naturelles et des dysfonctionnements généralisés. Ce projet considère trois études de cas, représentatifs de scenarii importants de sécurité civile. Il s’agit de la défaillance complète ou partielle du système de distribution, de la détérioration de la qualité de l’eau et d’effets domino. <br /> <br />Le projet ResiWater a pour but d’améliorer les trois aspects suivants : la prévention, la surveillance et la réponse pour une meilleure sécurité et une résilience augmentée des réseaux de distribution d’eau potable faisant face aux menaces majeures. La détection d’anomalies et la capacité du système de rapidement retourner à son état normal après sa défaillance et une interruption des services, sont primordiales pour les services des eaux. <br /> <br />La bonne prévention et le niveau de préparation requis vont jusqu’à l’analyse du système d’un point de vue hydraulique, avec un focus sur l’étude de sa vulnérabilité, de sa robustesse et de sa résilience. La surveillance inclut l’enregistrement continu de l’état réel du réseau avec un réseau de capteurs performants pour détecter le plus rapidement possible une détérioration de la qualité de l’eau ou une défaillance du réseau d’eau. Afin de pouvoir être utilisés pour répondre en cas d’évènements extrêmes, les outils de modélisation doivent en cas de perte de connectivité être plus robustes pour résoudre des problèmes plus numériquement difficiles (ou mal conditionnés) que ceux de l’état normal. Connaitre le degré d’incertitude des résultats, lequel dépend du niveau et de la qualité de l’instrumentation, de l’erreur de modélisation mais aussi de l’incertitude des paramètres, est une demande forte pour la prise de décision des opérateurs.

Dans le projet ResiWater, les solutions suivantes ont été explorées : des capteurs et des réseaux sécurisés de capteurs, une surveillance par autoapprentissage, une modélisation hydraulique robuste et avec quantification d’incertitude, un simulateur d’entraînement, et des outils pour évaluer la résilience du réseau.

L’usage d’un débitmètre bon marché pour un dispositif de mesure plus précis et celui des spectromètres ont été étudiés. En outre, un prototype de biocapteur à large spectre a été réalisé qui réagit immédiatement aux substances toxiques dans l’eau. Des réseaux de capteurs innovants ont été examinés pour leur potentiel à accroître la résilience des réseaux AEP.

Il a été développé une surveillance par auto-apprentissage et des méthodes avancées de détection qui reposent sur les capteurs disponibles du réseau. La solution est capable par agrégation spatiale et temporelle de reconnaître et de s’adapter aux modes de fonctionnement changeants (courts et longs termes) des réseaux, réduisant ainsi les faux positifs.

Une solution robuste conduite par la pression a été obtenue pour la modélisation hydraulique qui a été testée pour de larges composantes connexes déconnectées. Une thèse en Mathématiques Appliquées a permis d’avancer sur les questions de quantification d’incertitude et de modèle d’ordre réduit. Le moteur de calcul hydraulique a été intégré à un simulateur d’entraînement pour trouver des solutions de contournement en cas d’évènements extrêmes.

Des outils ont été développés pour évaluer la résilience et la vulnérabilité d’un point de vue technique, social et organisationnel. Ces outils ont été validés sur des cas réels. De plus, des expérimentations ont été conduites à TZW (Dresde, Allemagne) sur des équipements du réseau de test miniature et aussi sur le réseau réel privé de CEA/DAM (Gramat, France).

Les résultats principaux sont les suivants :
- Un cadre nouveau de résilience permet de classer les cas de crise définis par les services des eaux du projet et plusieurs indicateurs clés de performance de résilience ont été proposés pour mesurer les résiliences absorptive et adaptive.
- Des outils et méthodes ont été développés pour concevoir des réseaux de capteurs plus sûrs et plus intégrés. Le prototype biocapteur AquaBioTox de toxicité est complétement automatisé et stable à long-terme. Le potentiel d’une nouvelle génération de spectromètres a été étudié. Finalement, un nouveau protocole de mesure a été élaboré pour déterminer la surface mouillée sur un site de mesure de débit.
- Une solution à base d’auto-apprentissage a été réalisée pour la génération d’alarmes qui est basée sur l’analyse dynamique et incrémentale en composantes principales. Une approche à deux étapes qui comprend une segmentation temporelle et un partitionnement spatial est proposée pour surveiller les réseaux d’eau.
- Un simulateur d’entraînement a été développé pour apprendre les solutions de contournement à partir d’une prédiction hydraulique conduite par la pression suite à des catastrophes.
- La quantification d’incertitude pour les prédictions des modèles hydraulique et de transport est rendue possible grâce à du chaos polynômial et des modèles d’ordre réduit.
- Une analyse des coûts de crise a été associée à une enquête qui a été réalisée pour évaluer le consentement à payer des consommateurs pour deux programmes prévisionnels de résilience en vue d'alimenter une analyse coûts bénéfices pour un cas de cyberattaque.
- Des recommandations ont été émises pour étendre la portée des lois et de la réglementation (européenne, française et allemande) pour la gestion de crise en considérant les quatre phases de prévention, de réponse, de réparation et d’apprentissage.
- Une analyse de risque cyber a été réalisée pour l’infrastructure informatique de deux des services des eaux.

Les partenaires du projet ResiWater ont imaginé de nouvelles façons de gérer les réseaux pour minimiser les impacts d’une contamination ou d’une défaillance importante de la distribution en eau. À travers divers scénarios de crise, ils ont conçu un réseau innovant de capteurs, une méthode de détection d’événements anormaux, un simulateur d’entraînement et des indicateurs clés de performance. Ainsi, les moyens les plus pertinents à mettre en œuvre sont identifiés pour permettre aux gestionnaires de réagir plus vite et plus efficacement. En complément, des recommandations pour étendre la portée des lois et de la réglementation, une analyse de risque cyber, une évaluation des coûts et du consentement à payer pour plus de résilience ont été développés pour proposer des solutions plus sûres, durables et efficientes d’un point de vue économique.

Le projet ResiWater a donc permis de développer des solutions et des outils pour augmenter la résilience suite à des dysfonctionnements sévères à traiter. Les solutions envisagées s’appuient sur la structuration physique actuelle du réseau et ne la remette pas en cause. Les outils de ResiWater et la performance en termes de résilience et sécurité pourraient être améliorés en considérant une reconfiguration de réseau et l’emplacement de nouveaux équipements hydrauliques. La solution recherchée pourrait tendre vers plus d’adaptabilité structurelle du réseau pour faire face aux catastrophes naturelles plus fréquentes et aux risques anthropiques. Cette résilience by design devra être complétée par la mise en place d’un système de contrôle amélioré et adaptatif comme par exemple le contrôle à distance d’actuateurs dans le réseau.

Il semble également intéressant de pouvoir considérer une approche intégrée et holistique des effets dominos, l’intelligence artificielle et le big data, comme aussi la réalité virtuelle, augmentée et le serious game. Finalement, le développement durable est à haute priorité pour les générations futures.

Ce projet de recherche industriel a donné lieu à la production de plus de 10 articles dans des journaux internationaux et nationaux à comité de lecture et plus de 24 présentations à des conférences internationales.

Les outils logiciels des partenaires Irstea et 3S Consult ont été complétés de modèles hydrauliques robustes conduits par la pression et d’un calcul de criticité. De plus, 3S Consult a développé un simulateur d’entraînement et Irstea le calcul d’incertitude sur l’état hydraulique. Enfin, afin de démonstration de cas d’étude, le logiciel Porteau a été interfacé à la plateforme logicielle DEMOCRITE (projet ANR-13-SECU-0007-01 ; www.anr-democrite.fr) pour représenter des cartes de vulnérabilité.

Les partenaires IOSB et IGB transféreront le prototype de biocapteur automatisé (AquabioTox) à d'autres services des eaux. Il y a une forte demande des services des eaux dans les biocapteurs automatisés et robustes. Après une période d'essai, le système de mesure sera commercialisé par une entreprise de capteurs.

Les partenaires de ResiWater, en particulier ceux qui travaillent sur le développement de capteurs, la conception de réseau de capteurs, la mesure et la détection d’anomalies (TZW, Fraunhofer IOSB, Fraunhofer IGB, ENGEES/ICUBE) auront pour objectif de déposer des brevets sur leurs systèmes innovants de capteurs. Tous les partenaires s'efforceront d'utiliser les résultats obtenus par le projet pour des publications supplémentaires et comme connaissances de base dans les projets de recherche ultérieurs.

Un travail fondamental en Mathématiques Appliquées a été conduit pour la modélisation de systèmes décomposés sous conditions de pression insuffisante avec une considération particulière pour le fonctionnement des pompes et organes de contrôle. De plus, l’incertitude sur les résultats du modèle a été quantifiée.

L’eau est une ressource fondamentale pour le bien-être de l’homme et la prospérité économique. Les sociétés modernes dépendent d’infrastructures complexes et interconnectées pour fournir de l’eau potable aux consommateurs. Les réseaux de distribution d’eau sont constamment exposés à des contaminations délibérées ou accidentelles ou peuvent subir un effondrement partiel ou complet du système. Ceci peut être causé par des attaques terroristes, par des effets dominos, des accidents techniques majeurs ou encore un désastre naturel. Ce sont donc des infrastructures critiques.

Le projet ResiWater a pour but de développer des outils pour préparer les services des eaux à la gestion de crise en améliorant la résilience de leur réseau par rapport à trois cas d’étude spécifiques : défaillance du réseau de distribution d’eau, détérioration de la qualité de l’eau et effets domino entre les infrastructures liées à l’eau, à l’énergie, à l’informatique et aux communications. Pour sa réalisation, cinq étapes principales ont été définies : Spécification de scenarii critiques, conception d’un réseau sécurisé et intégré de capteurs, développement d’un module d’auto-apprentissage pour la détection d’évènements anormaux, développement pour la modélisation d’évènements extrêmes des modules hydraulique et qualité de l’eau, et conception d’outils d’aide à la décision pour améliorer la résilience des réseaux de distribution d’eau.

Les trois utilisateurs finaux du projet ResiWater sont d’une part pour l'Allemagne « Berliner Wasserbetriebe », le service des eaux de la ville de Berlin (BWB), et d’autre part pour la France, le service des eaux de la communauté urbaine de Strasbourg (CUS) et Veolia Eau d’Ile de France (VEDIF). Ont pris part au consortium également plusieurs organismes de recherche (Fraunhofer IOSB, Fraunhofer IGB, CEA et Irstea), un centre technique de recherche en Allemagne (TZW) et deux UMR de l’ENGEES (GESTE et ICUBE). Enfin, les partenaires privés sont VEDIF, et du côté allemand les deux PME : 3S Consult et Pretherm (partenaire associé).

Ce projet collaboratif entre partenaires publics et privés associe idéalement une recherche industrielle interdisciplinaire “au plus haut niveau” avec les besoins des services des eaux. Parmi les résultats attendus, deux logiciels de simulation devraient être étendus pour la gestion de crise : ceux des partenaires Irstea et 3S Consult. Les trois services des eaux bénéficieront des résultats, d’outils d’aide à la décision et d’un simulateur d’entrainement.

Coordinateur du projet

Monsieur Olivier PILLER (Irstea Institut national de recherche en sciences et technologies pour l'environnement et l'agriculture)

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

Irstea Irstea Institut national de recherche en sciences et technologies pour l'environnement et l'agriculture
ENGEES ICUBE et GESTE Ecole nationale du génie de l'eau et de l'environnement de Strasbourg UMR GESTE et UMR ICube
CUS Service des Eaux de la Communauté Urbaine de Strasbourg
VEOLIA EAU D'ILE DE FRANCE SNC
CEA Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives

Aide de l'ANR 991 577 euros
Début et durée du projet scientifique : mars 2015 - 36 Mois

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