Hydroinformatica

KWR streeft naar een waterinclusieve en duurzame samenleving. Onze experts in hydroinformatica ondersteunen de watersector met digitale technologieën en oplossingen om zover te komen. Om duurzaam en toekomstbestendig te zijn, staan we de watersector bij met horizonscanning, met het identificeren en ontwikkelen van baanbrekende digitale wetenschap en technologie, het ondersteunen van (doorlopende) planvorming en flexibele oplossingen met modellen en kunstmatige intelligentie, en met het ondersteunen van de implementatie daarvan in wateroplossingen die vanaf de basis slim zijn – technologie die op de meest effectieve wijze in een breder kader of een groter systeem wordt ingezet.

Hydroinformatica

De hydroinformatica combineert technologische, sociologische en milieuperspectieven in haar toepassing van digitale technieken op watervraagstukken. Wij beschouwen het vakgebied als een filosofie die systemen ontwikkelt om wereldwijde waterproblemen aan te pakken, mogelijk gemaakt door informatietechnologie. Een belangrijke vraag is hierbij, misschien meer dan ooit, is:  hoe kijken we we kijke n naar een probleem en op welke wijze proberen we dit op te lossen?. Welke aspecten van het probleem, of de gezochte oplossing, nemen we als startpunt? Modellen zijn lange tijd de focus geweest in de hydroinformatica en blijven belangrijk, maar er moet meer aandacht komen voorModellen, waar lange tijd de focus op lag in de hydroinformatica, blijven belangrijk, maar er moet meer aandacht worden besteed aan de kwaliteit van de data (betrouwbaarheid, correctheid, toegankelijkheid) die nodig is om modellen zinvol te maken. Datakwaliteit en -beschikbaarheid zijn belangrijke uitdagingen voor de watersector, maar het is niet genoeg om alleen daarop te focussen. Uiteindelijk gaat het om het vermogen van de watersector om onder alle omstandigheden hun diensten te kunnen verlenen, om continuïteit en veerkracht, om het reduceren van risico’s. Daarom gaan wij in onze benadering van hydroinformatica uit van drie belangrijke startpunten: vanuit de data (met speciale aandacht voor datakwaliteit, toegankelijkheid en methoden voor analyse en visualisatie), vanuit de modellen (met speciale aandacht voor verschillende methoden) en vanuit het risico (met speciale aandacht voor systemen en afhankelijkheden). Met data als grondstof werken we met systeembegrip via modellen en AI naar de beste besluitvorming toe.

Omgaan met onzekerheden

Digitale tools en oplossingen helpen om te gaan met vraagstukken van deze tijd, zoals bevolkingsgroei, urbanisatie en klimaatverandering. Hydroinformatica helpt om onzekerheden en gevolgen voor de watersector in relatie tot grote uitdagingen beter te begrijpen. Dit is hard nodig, want de vraag naar voldoende en kwalitatief goed water blijft toenemen. Door klimaatverandering en de daaruit voortvloeiende langdurige droogteperiodes is de beschikbaarheid en kwaliteit van water niet langer vanzelfsprekend. Met de inzet van hydroinformatica kunnen onzekerheden en consequenties voor de watersector in relatie tot deze grote uitdagingen beter worden begrepen. Dat is hard nodig, want de vraag naar voldoende, kwalitatief goed water zal in de komende tijd alleen maar toenemen. En waterbeschikbaarheid en -kwaliteit worden met klimaatverandering en de daaruit voortkomende langdurige perioden van droogte minder vanzelfsprekend. Diepe onzekerheid over verschillende van deze ontwikkelingen zorgt er echter voor dat we niet goed kunnen voorspellen welke infrastructuur we in de toekomst nodig zullen hebben. Bovendien kan de toekomst zich sneller ontwikkelen dan dat de watersector haar systemen kan aanpassen. Daarom richten onze benaderingen zich ook sterk op de concepten veerkracht en flexibiliteit.

Bij KWR gebruiken we hydroinformatica om in samenspraak met stakeholders te komen tot oplossingen die leiden tot verbetering van het ontwerp, beheer en de prestaties van watersystemen. Het integreren van elektronische hardware, software en menselijke expertise zorgt voor het optimale watermanagement van nu en in de toekomst.

Drie werkterreinen

Het hydroinformatica-onderzoek van KWR kenmerkt zich door een sterke ICT-component, resulterend in generieke technieken voor meerdere domeinen. Onze expertise is breed  en blijft zich continu ontwikkelenen blijvend in ontwikkeling. Zo beschikken wij over expertise op het vlak van optimalisatie, kunstmatige intelligentie (AI), onzekerheidsstudies, real-time besturing en datascience. De werkterreinen van KWR op het gebied van hydroinformatica zijn gericht op systemen en (on)zekerheid, artificiële intelligentie en technische implementatie; drie pijlers die sterk met elkaar zijn verweven.

Systemen en (on)zekerheid

Het modelleren van (deel)systemen en interagerende systemen op diverse niveaus is sinds lange tijd een kerncompetentie van de hydroinformatici bij KWR. Het gaat hierbij bijvoorbeeld om de optimalisatie van drinkwater- en sensornetwerken op basis van hydraulische simulaties en een genetisch algoritme en de ontwikkeling en implementatie van digitale tweelingen. Met onze steeds sneller veranderende omgeving (o.a. klimaatverandering) en samenleving wordt plannen voor de toekomst steeds moeilijker. Maar ook hier biedt de hydroinformatica hulpmiddelen. Zo onderzoeken wij de toepasbaarheid van methoden voor besluitvorming onder diepe onzekerheid in de drinkwatersector (lange-termijn onzekerheid) en ontwikkelen wij een simulatietool die de onzekerheid in de hydraulica van drinkwaternetwerken simuleert.

Artificiële Intelligentie

De afgelopen jaren heeft KWR zich gericht op de ontwikkeling van conventionele en moderne AI-modellen en -technieken. Door de kloof tussen kunstmatige intelligentie, onderzoek en de dagelijkse praktijk te overbruggen, maken we van AI een belangrijke factor voor wetenschappelijke inzichten in de digitalisering van de watersector. Tijdreeksmodellen, zoals het Long Short-Term Memory en het Nonlinear Autoregressive Exogenous model, worden toegepast om de vraag naar water, grondwaterniveaus en waterkwaliteit te voorspellen. Daarnaast ondersteunt reinforcement learning de besluitvorming bij het gefaseerd ontwerpen van waterdistributiesystemen, terwijl computervisie wordt gebruikt om de toestand van leidingen te beoordelen op basis van beelden. AI-technieken, met name machine learning, worden ook toegepast voor classificatie- en regressietaken, zoals het classificeren van microplastics en het voorspellen van concentraties in de Rijn. Door deze innovaties wordt AI een essentieel onderdeel van KWR’s samenwerkingsprojecten met waterbedrijven, waterschappen en andere partners om belangrijke uitdagingen in de watersector op te lossen.

Technische implementatie

In de afgelopen jaren heeft KWR een aantal hoogwaardige digitale tools en toepassingen ontwikkeld, en deze trend zet zich voort. Hiermee slaan we een brug tussen informatietechnologie, onderzoek en de dagelijkse waterpraktijk. Maar het gaat niet alleen om de software, het gaat ook om de ondersteuning van de hele implementatieketen, inclusief adequate datakwaliteit en het opzetten van pipelines, en om het ontwikkelen van kaders en strategieën voor de meest effectieve toepassing.

Digitale tools spelen een steeds grotere rol in projecten waarbij KWR samenwerkt met drinkwaterbedrijven, waterschappen, de overheid en commerciële partners zoals adviesbureaus en de industrie om relevante vraagstukken in de watersector op te lossen. Voorbeelden hiervan zijn AquaPriori, Probe(/Duinen), DVR , Gondwana en Pangaea (in ontwikkeling).

Een breder kader

Er kan heel veel met techniek, maar techniek is niet zaligmakend. Uiteindelijk gaat het om de toepassing in de interactie met de mens. Daarom kijken wij ook altijd naar het grotere plaatje:, naar hoe de mens de digitale technieken toepast in haar eigen werkomgeving en steeds meer ook in de bredere context van stakeholders. We houden ook rekening met de bredere impact van technologiegebruik — de voordelen, maar ook de milieuvoetafdruk. En wij kijken ook naar de bredere impact van toepassing van digitale technieken – naar de voordelen en de milieuvoetafdruk. Dit draagt bij aan een weloverwogen en gebalanceerde toepassing van digitale technieken voor een waterwijze toekomst.