Modellen en sensordata: een krachtige combinatie

Modellen en sensordata zijn een onmisbare combinatie. Sensordata is nodig om modellen te valideren en modellen zijn vaak nodig om metingen te begrijpen en te extrapoleren. VORtech heeft de afgelopen maanden mogen werken aan twee spannende toepassingen waarin metingen en modellen gecombineerd worden in een innovatieve toepassing.

Lekkages vinden

Het eerste van de twee projecten waarin metingen en modellen zich laten combineren is het vinden van lekkages in leidingnetten. In opdracht van Vitens heeft VORtech een demonstratie gebouwd waarmee lekkages in het leidingnet van Leeuwarden gevonden konden worden op basis van slechts een paar druk- en flowmetingen.

Het idee is simpel: bouw een computermodel van het leidingnetwerk waarin op elk punt een lek van onbekende grootte zit. Kalibreer dat model dan zodat het optimaal overeenkomt met de metingen die er gedaan worden. In principe zou dan de grootte van elk lek op nul moeten uitkomen behalve op de plekken waar daadwerkelijk een lek zit.

Experimenteren met algoritmen

Ruurd Dorsman van VORtech heeft de demo-applicatie gebouwd. Ruurd: “Vitens gebruikt voor een deel van haar werk de Epanet software. Dat is een open source pakket waarmee leidingstelsels doorgerekend kunnen worden. Om te kunnen experimenteren hebben we Epanet aan OpenDA gekoppeld. Dat is een open source software framework voor het combineren van metingen en modellen. We ontwikkelen dat samen met een flink aantal andere partijen. Het bevat tal van technieken om metingen en modellen te combineren. OpenDA heeft zich in een tal van toepassingen al bewezen. Door de koppeling tussen Epanet en OpenDA konden we in principe alle algoritmes uit OpenDA gaan uitproberen.”

Om te kijken of het idee überhaupt haalbaar was, werd aanvankelijk met een brute-force aanpak geëxperimenteerd: alle mogelijke combinaties van lekkages werden doorgerekend waarna die combinatie werd gekozen die het beste overeen kwam met de metingen. Dit leverde al direct veel inzicht op. Ruurd: “we zagen dat er meerdere combinaties waren waarbij de resultaten erg leken op de metingen. De juiste combinatie zat daar ook bij en de resultaten daarvan leken verreweg het meeste op de metingen. Dat was dus hoopvol.”

In praktijk zal het niet haalbaar zijn om alle combinaties van mogelijke lekkages door te rekenen, simpelweg omdat het aantal leidingen in een bestaand netwerk te groot is. Daarom is er met een ander algoritme in OpenDA geëxperimenteerd. Dat was eigenlijk voor een ander soort toepassing ontwikkeld dus het vergde nog wel wat aanpassingen om het in dit geval aan de praat te krijgen. Uiteindelijk is het gelukt maar het bleek dat dit algoritme nogal eens de verkeerde oplossing vond. Daarom heeft Ruurd op basis van deze ervaringen een nieuw algoritme bedacht dat  inderdaad veel beter functioneert.

Testcase

De volgende stap zal zijn om dit algoritme op een praktijkcase te gaan toepassen, waarvoor een grote lekkage in Leeuwarden in 2013 gebruikt wordt. Bovendien wordt er toegewerkt naar een oplossing die later operationeel zou kunnen draaien bij Vitens. Daarom wordt er nu verder gewerkt in Python, dat goed ondersteund wordt door de IT-afdeling van Vitens. Ruurd heeft daar geen enkel probleem mee: “Python is de taal die ik het beste spreek dus het is voor mij juist wel prettig. Toch was de eerste stap op basis van OpenDA essentieel. Ten eerste hebben we enorm voordeel gehad van het feit dat we met allerlei algoritmen konden spelen. Maar daarnaast was er aanvankelijk ook nog geen Python-interface op Epanet beschikbaar, waardoor het koppelen van metingen en modellen via OpenDA op dat moment de meest efficiënte oplossing was.”

Temperatuurbeeld voor datacenters

Het tweede project is 4DCOOL. Dit project ontwikkelt een applicatie die de luchtstromen en temperatuurverdeling in een datacenter realtime in beeld brengt. Dat gaat datacenters helpen om de koeling van de ruimte te optimaliseren. Op dit moment zitten de kosten voor een datacenter voor een flink deel in de benodigde koeling. Gezien de enorme concurrentie in deze markt is er een sterke wens om de koeling goedkoper te maken.

Het Sliedrechtse bedrijf Perf-IT is één van de partners in het project. Het bedrijf maakt systemen voor het beheer van datacenters. René de Theije van Perf-IT ziet een duidelijke meerwaarde in 4DCOOL. René: “Op dit moment worden stromingsberekeningen nauwelijks toegepast nadat het datacenter is opgeleverd. De kosten voor het maken van een stromingsmodel zijn te hoog en het resultaat klopt vaak maar matig met de werkelijkheid. De koeling wordt daarom meestal op basis van gut-feeling ingeregeld. En dat is eigenlijk altijd verre van optimaal. Zeker omdat beheerders liever aan de veilige kant gaan zitten. Door een betrouwbaar realtime stromingsmodel aan te bieden geven we de beheerders een krachtige tool in handen om de optimale koeling te vinden zonder dat er gevaarlijke experimenten nodig zijn.”

CFD  en metingen

Centraal in 4DCOOL staat een computermodel dat de luchtstromen, luchtdruk en temperatuur in een datacenter berekent. Dit model wordt gemaakt op basis van OpenFOAM, een open source pakket voor computational fluid dynamics (CFD). Projectpartner Actiflow heeft daarmee een relatief grofmazig model ontwikkeld dat snel genoeg is om real-time door te rekenen maar toch redelijk nauwkeurig is. Desondanks zal het computermodel in praktijk altijd afwijken van de werkelijkheid omdat er altijd zaken zijn die de modelleur niet goed kent of niet goed kan modelleren.

Precies daarom is 4DCOOL zo bijzonder. Het stuurt het computermodel voortdurend bij op basis van de laatste metingen. Daardoor zal het model continu aansluiten bij wat er feitelijk in het datacenter gebeurt.

De techniek om modellen en sensordata te combineren heeft VORtech al goed in de vingers. Zoals we boven al beschreven, gebruiken we voor veel van dit soort projecten de open source toolbox OpenDA. Op basis van OpenDA kon het hart van 4DCOOL relatief snel ontwikkeld worden. Daarmee konden we laten zien dat het idee als zodanig werkt. Maar helaas kosten de bestaande technieken heel veel rekenwerk waardoor het niet lukt om realtime te rekenen.

Een nieuwe methode

Gelukkig had TNO een methode bedacht waarmee dat wel mogelijk zou moeten zijn. TNO is dan ook de initiatiefnemer van het 4DCOOL project omdat ze verwachtten dat er in de datacentermarkt een goede businesscase te maken is voor dit nieuwe algoritme. Projectleider Martijn Clarijs: “We hadden al andere toepassingen bedacht, bijvoorbeeld in de tuinbouw. Maar de markt voor datacenters is interessanter omdat de economische voordelen daar groter zijn en er meer ruimte is om te investeren. Bovendien zijn datacenters makkelijker dan kassen omdat planten de stromingsberekening veel complexer maken. En gelukkig bestond er een dergelijk systeem nog niet voor datacenters.” René de Theije van Perf-IT voegt toe: “Er zijn wel systemen die werken op basis van correlaties tussen gemeten temperaturen en instellingen van de koeling. Dat schijnt te werken, maar  je hebt er niets aan als er iets fors verandert in je datacenter. Bovendien geeft het je geen inzicht, waardoor je uiteindelijk toch hooguit wat in de marge kunt rommelen.”

Martijn Clarijs van TNO vertelt dat er nog een enorme ontwikkelslag gemaakt is om hun nieuwe algoritme operationeel te krijgen. Martijn: “In het begin kwamen er resultaten uit die helemaal nergens op leken. We hebben toen alles op alles moeten zetten om de problemen te vinden. Maar uiteindelijk hebben ook wij een werkend systeem. Het is weliswaar nog niet zo flexibel als de oplossing van VORtech, maar het is wel veel sneller. ”

Volgens Martijn is het een enorme meerwaarde geweest om beide oplossingen uit te werken.  “Enerzijds wisten we dat VORtech iets werkends zou kunnen maken, zodat we in elk geval iets hebben aan het eind van het project. Anderzijds was het ook fijn om met elkaar te kunnen sparren en resultaten te vergelijken. Dat heeft enorm geholpen.”

Proof of Principle

Het project wordt nu afgerond met een positief gevoel. Het principe is onomstotelijk aangetoond. Dat maakt het makkelijker om nu financiering te vinden voor een vervolgproject. Daarin willen de projectpartners tot een verkoopklaar systeem komen.

Ook met dit project is weer aangetoond dat het combineren van metingen en modellen allerlei interessante mogelijkheden opent.