Real-time wateroverlast voorspellen in stedelijke omgevingen dankzij IoT

Volgens de Wereldbank zijn overstromingen goed voor 43% van alle geregistreerde rampen in de voorbije twintig jaar. Alleen al in België werd in 2018 voor 247 miljoen euro aan claims ingediend ten gevolge van storm en overstroming.

Voor brandweer en andere dienstverleners is het haast onmogelijk om zich goed voor te bereiden op dergelijke gebeurtenissen, omdat er te weinig gegevens voorhanden zijn om wateroverlast lokaal te voorspellen of te voorkomen.

En ook in geval van overstromingen is het lastig om in te schatten waar de hulp het meest effectief kan ingezet worden. Vaak wordt er vertrouwd op de informatie van mensen die de alarmcentrale bellen. Terwijl er mogelijk (ook) elders een behoefte is aan interventies.

Imec, Brandweer Zone Antwerpen (BZA), VITO, water-link en Hydroscan werken daarom in het Flooding-project samen aan een Internet of things (IoT)-gebaseerde oplossing. Deze geeft op elk moment de actuele status van de waterhoeveelheden en eventuele overstromingen in een stad weer.

Het model kan tot drie uur op voorhand voorspellen waar en wanneer overstromingen zullen plaatsvinden, en hoe ernstig ze zullen zijn. Dankzij deze informatie kan de brandweer zich tijdig en optimaal organiseren, en hulp bieden waar die het meest nodig is.

In de pilootfase richtte het project zich op het geografische gebied van de Antwerpse deelgemeentes Ekeren en Merksem - een succes dat zich weldra kan uitbreiden naar andere steden. Met Hydroscan voorop brengen de betrokken partners de opgedane kennis inmiddels naar de markt onder de naam Flood4Cast®.

Wateroverlast voorspellen dankzij sensornetwerk

Een netwerk van sensoren op strategisch gekozen plaatsen ondersteunt het Flooding-systeem. In Merksem viel de keuze vanwege de hoge verstedelijkingsgraad op het installeren van drie druksensoren in het ondergrondse rioleringsnetwerk. In Ekeren werden bovengronds zeven ultrasone water-level sensoren geplaatst. Ekeren is minder dicht bebouwd en de waterafvoer gebeurt er voornamelijk via open water.

De sensoren zijn commercieel verkrijgbaar en werken op batterijen. Elke vijf minuten sturen ze hun gegevens via een draadloos netwerk (Long Range Wide Area Network - LoRaWAN) naar een centrale server. LoRaWAN werd gekozen vanwege de beschikbaarheid in het hele testgebied en omdat de specificaties van het draadloze protocol het best overeenstemden met de gewenste balans tussen de hoeveelheid dataoverdracht en het batterijverbruik.

Voor de sensoren werd dus geen eigen hardware ontwikkeld. Wel werden de ondergrondse sensoren uitgerust met een externe bovengrondse antenne om de robuustheid van het signaal te verzekeren. Om diezelfde reden bleek het ook belangrijk om de ultrasone sensoren te vrijwaren van bovengrondse obstakels, bijvoorbeeld door het tijdig snoeien van de natuurlijke plantengroei eromheen.

Voorspellend algoritme

Naast sensordata maakt het project ook gebruik van real-time data uit neerslagradarbeelden. Die worden ter beschikking gesteld door de Vlaamse Milieumaatschappij (VMM), en worden elke vijf minuten ingeladen.

Ook een stratenplan, de lay-out van het riolerings- en afwateringssysteem en gegevens uit historische overstromingslogboeken vormen een essentiële, aanvullende input. Deze laatste worden met behulp van Infoworks ICM, een commercieel verkrijgbare simulatiesoftware, omgezet naar bruikbare overstromingskaarten met een resolutie van een meter.

Met al deze gegevens kan een speciaal ontwikkeld algoritme vervolgens op straatniveau wateroverlast in kaart brengen en voorspellen. Concreet deelt de software het geografisch gebied op in kleinere cellen (afstromingsgebiedjes). Voor elk gebiedje berekent het algoritme de kans op overstromingen. Het doet dit op basis van de gevallen en voorspelde neerslag. Dankzij historische gegevens van overstromingskaarten kan het algoritme vervolgens aangeven op welke plaatsen de kritische overstromingswaarden worden – of zullen worden – overschreden.

Ruwweg zijn er twee mogelijke oorzaken voor wateroverlast:

• onvoldoende afvoer van neerslag op een bepaalde plaats (‘het kan er niet in’)
• water dat uit een overbelast afwateringssysteem op een andere plek weer naar boven komt (‘het komt er weer uit’).

De ontwikkelde software houdt rekening met beide scenario’s. In het eerste geval gebeurt dit op basis van neerslagdata, in het tweede op basis van sensormetingen – of een combinatie van de twee wanneer ze samen voorkomen.

Het voorspellend algoritme maakt elke vijf minuten een nieuwe berekening en kijkt daarbij drie uur vooruit. Ruim voldoende voor hulpdiensten zoals de brandweer om zich te organiseren bij een nakende calamiteit. De meeste overstromingen die een gevolg zijn van extreme neerslag kan men je enkel uren op voorhand zien aankomen.

Enkel bij stortvloeden uit een storm die heel lokaal ontstaat, daalt het voorspellend vermogen tot een halfuur. Dergelijke stormen zijn vanwege hun dynamiek namelijk erg moeilijk in kaart te brengen. Maar een alarmsignaal een halfuur op voorhand is in deze specifieke gevallen nog altijd beter dan pas geconfronteerd worden met de gevolgen achteraf.

Visueel dashboard toont risico op wateroverlast

Een niet onbelangrijk aspect van het project was ook om te beslissen welke informatie precies relevant is om te presenteren. En welke functionaliteit de eindgebruiker in het dashboard verwacht. In deze context was de nauwe betrokkenheid van het Antwerpse brandweerkorps essentieel. Dit resulteerde in een driedelig dashboard. Hierin kan de gebruiker schakelen tussen een visualisatie van de actuele neerslag, een voorspelling van de wateroverlast en de operationele status van de sensoren.

Doordat de gegevens geprojecteerd worden op het straten- en rioleringsplan, kan snel geanalyseerd worden waar een eventuele inzet nodig is. Momenteel kunnen deze naar keuze ingesteld worden op een resolutie van vijfhonderd, honderd of twintig meter. Ook laten alarmsignalen op de sensoren toe om proactief de brandweer en waterdienst te informeren wanneer een kritisch waterlevel wordt overschreden.

Van piloot naar product

De hele oplossing werd uitvoerig getest op historische data van een stortvloed op 5 september 2018. Daaruit bleek een voorspellend vermogen van anderhalf uur. Uit een rampenoefening bij de brandweer bleek dat deze informatie een groot verschil zou hebben gemaakt bij de beslissingen die die dag genomen zijn.

Op 19 juni 2019 volgde een succesvolle livevalidatie tijdens een periode van hevige regenval. De overstroming werd door het algoritme twee uur op voorhand voorspeld tot op wijkniveau, waar de brandweer het vandaag de dag moet stellen met dagelijkse waarschuwingen op provinciaal niveau.

Inmiddels is de technologie ook omgezet naar een marktrijpe oplossing: Flood4cast®. Daarin neemt Hydroscan het voortouw, en blijven ook de andere partners betrokken. In deze ontwikkeling zal het hele systeem op een aantal elementen nog verder verbeterd worden, en zal de scope ervan worden uitgebreid.

Zo wordt momenteel de accuraatheid van de voorspelling nog grotendeels bepaald door de gegevens uit de neerslagradar. Door de voorspelling uit te breiden op basis van de sensoren, kan meer rekening worden gehouden met overstromingen en opstuwing vanuit de waterlopen. Ook worden de overstromingskaarten nu nog op voorhand berekend, omdat de simulatie software te veel rekenkracht vereist voor real-timesimulaties. Doel is om ook dat in real time te kunnen doen.

Ook nieuwe toepassingen zijn niet ondenkbaar. Zo wordt al gekeken naar de inzetbaarheid bij het onderhoud van rioleringen en in de drinkwaterinfrastructuur. Naast een commercialiseringsplan wordt ook een vervolg gepland op het onderzoek. Daarin zal het testgebied uitbreiden naar de hele operationele zone van Brandweer Zone Antwerpen. Het model zal verder worden verfijnd met informatie zoals het in kaart brengen van gevoelige zones (ziekenhuizen en scholen), economische schadebenaderingen, dataonzekerheden, volgende generatie infrastructuurmanagement, strategische planning etc.

Het Floodingproject is medegefinancierd door het Vlaams Agentschap Innoveren en Ondernemen (VLAIO). Imec Vlaanderen is projectcoördinator en ook inhoudelijk betrokken met verschillende teams die technische expertise inbrengen en kennis over livinglab-methodologie. VITO en Hydroscan hebben het grootste aandeel in de ontwikkeling van de algoritmes en gebruikersinterface.

Als industriële partner is Hydroscan ook belangrijk bij het naar de markt brengen van de technologie. Een aspect waarin ook water-link een positie inneemt binnen de voor hen belangrijke sectoren en mogelijke toepassingen.

Vanuit deze gezamenlijke inspanning zullen weldra niet alleen de Brandweer Zone Antwerpen (BZA), maar ook andere partijen geholpen kunnen worden bij uitdagingen gerelateerd aan waterbeheer.

Meer weten?

Deze blog geeft een eerste inzicht in de technologische aspecten van het project. Wie op zoek is naar een minder technische inleiding over het Flooding project, kan terecht op de Flooding-projectpagina. En er verscheen ook al een persbericht over. Wie interesse heeft in de producten en diensten die voortvloeien uit het Flooding-project, kan terecht op de website van Hydroscan (Flood4Cast®).