Il ruolo dei sistemi GIS nella gestione del servizio idrico integrato

Le utilities dell’acqua si trovano a dover gestire sfide importanti che richiedono una revisione dei processi e dell’organizzazione in ottica digitale al fine di aumentare l’efficienza e ridurre i costi operativi. Strumenti di mappatura, gestione e interpretazione dei dati georeferenziati statici e dinamici aiutano le aziende in questo processo di trasformazione digitale rendendole più sicure, connesse e sostenibili. Il ruolo fondamentale delle componenti mobile dei sistemi di network inventory, di supporto alle operations, garantisce una rappresentazione fedele alla realtà della rete archiviata.

I gestori delle reti idriche e fognarie stanno vivendo un momento di particolare fermento generato dai fondi messi a disposizione dal Piano Nazionale di Ripresa e Resilienza (PNRR). La linea di investimento 4.2 relativa alla riduzione delle perdite nelle reti di distribuzione dell’acqua ha in particolare dato una spinta rilevante all’informatizzazione delle reti idriche favorendo l’installazione di strumenti tecnologici per la misura delle portate, delle pressioni e dei livelli d’acqua nei serbatoi, lo sviluppo della modellazione idraulica della rete e l’installazione di “contatori intelligenti” per la misurazione dei volumi consumati dall’utenza. 

Queste evoluzioni spingono i gestori delle reti verso un cambiamento epocale e verso una trasformazione radicale da gestori di infrastrutture a data driven companies che gestiscono enormi quantità di dati e che sono tenute a fornire informazioni sempre più spinte, dettagliate e frequenti sulle loro performance.

In questo contesto, dove le informazioni sono strettamente correlate alla componente geografica, il ruolo dei sistemi di network inventory (comunemente indicati come sistemi GIS) trova una conferma della propria importanza. Diviene però sempre più importante il ruolo delle componenti mobile di questi sistemi, di supporto alle operations, e capaci di garantire non solo migliori prestazioni nelle attività di campo e nel monitoraggio dei cantieri ma anche una rappresentazione sempre più affidabile e fedele alla realtà della rete archiviata. 

EBWorld, attraverso la suite integrata Geo4B Water, è in grado di supportare le utilities di settore nello sviluppo di sistemi di network inventory evoluti dove la componente cartografica viene gestita tramite applicazioni client, web e mobile integrate con gli apparati IoT e con gli Smart Meters per una rappresentazione della rete costantemente aggiornata.

Geo4B Water, la soluzione per l’implementazione deI processi di Water Management e di Water Safety Plan (PSA)  

Ne abbiamo parlato nel webinar in collaborazione con Servizi a Rete

Il ruolo dei sistemi GIS nella gestione del servizio idrico integrato
Le opportunità del PNRR, le sfide del Water Safety Plan
e la gestione delle operations in campo

E’ stata un’occasione per approfondire inoltre come le funzionalità della soluzione Geo4B Water siano abilitanti nei processi di Water Management e di Safety Management Plan ( PSA) ovvero di analisi di rischio delle forniture di acqua, fondamentale per centrare obiettivi di sicurezza delle infrastrutture, di protezione della salute umana e di sviluppo sostenibile.

Kubernetes: funzionalità, architettura e implementazioni. L’approccio di EBWorld con la soluzione Cantiere Digitale.

Che cos’è Kubernetes 

Kubernetes – detto anche K8s – è una piattaforma open source estensibile per la gestione automatizzata dei container, che in un ambiente di produzione si occupano di eseguire le applicazioni garantendo continuità di servizio. Il suo utilizzo consente l’eliminazione di molti dei processi manuali inerenti al deployment tradizionale di applicazioni containerizzate consentendo alle imprese la gestione di carichi di lavoro in modo efficiente e scalabile. 

La piattaforma Kubernetes è quindi particolarmente adatta alla gestione dei cluster (gruppi di macchine) di host che eseguono Docker container (o container appartenenti ad altre tecnologie). I cluster di host possono essere situati in diversi ambienti: on premises, in cloud pubblici, privati o ibridi. Kubernetes risulta efficiente e ideale per le organizzazioni che devono scalare le risorse per processi correlati alla gestione di picchi di richieste, come per l’accesso e organizzazione di dati georiferiti presi sul campo da molteplici operatori con la soluzione Cantiere Digitale di EBWorld, piattaforma web e mobile ideale per l’espansione e maintenance delle infrastrutture degli operatori di telecomunicazione e delle utilities. 

Come siamo arrivati alla gestione dei container con Kubernetes

La tecnologia Kubernetes, che nasce originariamente dagli sviluppatori di Google, è il risultato degli apporti di una grande comunità open source che contribuisce continuamente allo sviluppo e perfezionamento della tecnologia. Il termine “kubernetes” significa “timoniere” o “pilota” in greco antico. La piattaforma agisce infatti “pilotando” l’ecosistema dei container garantendo scalabilità, failover e distribuzione dei carichi di lavoro in modo efficiente. Per comprendere meglio la piattaforma Kubernetes bisogna fare un salto indietro nel tempo osservando l’evoluzione dei sistemi informativi e definendo che cosa sono e cosa fanno i container. 

• Deployment tradizionale: Agli albori dell’informatica le prime applicazioni o software venivano eseguite su server fisici. Questo creava non pochi problemi alle organizzazioni che si trovavano a gestire picchi di richieste. Infatti, mentre più applicazioni sono eseguite sullo stesso server fisico si potrebbe verificare una situazione in cui un’applicazione sottragga un grande numero di risorse bloccando le performance delle altre. Per risolvere il problema si è inizialmente pensato di aumentare il numero di server tuttavia, questa soluzione è stata quasi immediatamente scartata per via dei costi e dei limiti fisici legati ad essa. 

• Deployment virtualizzato: L’avvento delle Virtual Machine ha permesso di aggiungere un livello di astrazione  apportando maggiore sicurezza e prestazioni ai processi di deployment. Le applicazioni sono isolate all’interno di più macchine virtuali (guest) che a loro volta sono eseguite dallo stesso computer fisico (host). La virtualizzazione consente maggiore sicurezza e scalabilità in quanto le applicazioni rimangono isolate tra loro e, al tempo stesso, si possono sostituire facilmente in caso di malfunzionamento o blocco. All’interno del sistema, il software hypervisor si assicura che le risorse hardware siano distribuite correttamente tra i sistemi guest assicurando bilanciamento in base alla necessità specifica. 

• Deployment containerizzato: Mentre le Virtual Machine astraggono tutte le componenti dell’hardware su cui risiedono, i container ne condividono solo il sistema operativo utilizzandolo come ambiente di runtime per l’esecuzione delle applicazioni. I container Kubernetes sono quindi più “leggeri” e consentono di separare le applicazioni dall’infrastruttura host su cui vengono eseguite grazie alla loro portabilità in qualsiasi ambiente di test, sviluppo e produzione. La gestione dei container Kubernetes ha reso possibile un vero e proprio salto quantico relativamente all’efficienza nei processi di deployment. Da architetture client/server-monolitiche caratterizzate da “blocchi di codice” ad architetture Multi Cloud e a Microservizi in cui le applicazioni lavorano come un insieme di unità funzionali indipendenti e combinabili.

A cosa serve Kubernetes

Kubernetes è lo strumento ideale per orchestrare i processi di deployment di applicazioni containerizzate, cioè eseguite da container. In un ambiente di produzione infatti le applicazioni possono essere eseguite da più container (in alcuni casi possono essere centinaia o persino migliaia) installati a loro volta in ambienti di deployment molto diversi tra loro, come server fisici, virtual machine o ambienti cloud. Ad esempio, i processi di deployment per una stessa applicazione possono avvenire in un ambiente ibrido caratterizzati dalla combinazione di risorse fisiche, virtuali e in cloud. Kubernetes risolve questa complessità fornendo un framework per l’orchestrazione dei container e per la distribuzione dei carichi di lavoro rendendo possibile l’esecuzione di applicazioni indipendenti in qualsiasi ambiente di runtime. Ad esempio, se un container smette di funzionare Kubernetes lo sostituisce automaticamente senza la necessità di un intervento manuale. Negli ambienti di produzione tradizionale invece è necessario intervenire manualmente comportando ritardi nell’esecuzione del servizio e un impiego considerevole di risorse. 

Componenti base di un cluster Kubernetes

Per comprendere appieno il funzionamento e l’architettura base di un cluster Kubernetes è necessario analizzare la sua composizione base:

• Master: è la macchina che governa i nodi di Kubernetes nei quali vengono eseguite le applicazioni. Si occupa di equilibrare i carichi di lavoro gestendo le componenti del cluster Kubernetes. Il master è anche un nodo a sua volta.
• Nodi: sono le macchine (fisiche o virtuali) che eseguono le attività. Sono coordinati dal nodo master e raggruppati in cluster, cioè in insiemi di macchine.

• Pod: gruppo di container contenuti all’interno di un nodo. Condividono indirizzo IP, risorse di rete, calcolo e storage.

• Kubelet: Software che, ricevendo istruzioni dal nodo master, impartisce le istruzioni ai container per il loro avvio.

Come funziona Kubernetes

Un cluster Kubernetes è composto da:

• Uno o più nodi Master, che impartiscono istruzioni.
• Uno o più nodi Worker, che eseguono il lavoro.

All’interno di ogni nodo Worker il software Kubelet fa dialogare le macchine e impartisce istruzioni ai gruppi di container (o Pod), adibiti ad eseguire le applicazioni. Quindi a seconda della distribuzione dei carichi di lavoro i nodi Worker avranno diversi gruppi di container o Pod al loro interno che eseguono e avviano le relative applicazioni.

Il nodo Master rappresenta il cervello dell’ecosistema Kubernetes in quanto i processi eseguiti al suo interno sono essenziali. Scendendo nel dettaglio è possibile individuare i seguenti componenti principali:

• • API Server: rappresenta la porta di ingresso del flusso informativo all’interno del cluster. In pratica, è il componente che dialoga con i diversi client di Kubernetes per ricevere indicazioni sulle operazioni da eseguire. 

• Controller Manager: controlla e verifica il funzionamento dei componenti all’interno del cluster intervenendo in caso di necessità (Es. se un pod si ferma il controller manager viene attivato per la sua sostituzione o riparazione).

• Scheduler: Attribuisce ai gruppi di container o pod i nodi sui quali eseguire il lavoro in base alle necessità della produzione. Lo scheduler garantisce quindi equilibrio e bilanciamento del carico di lavoro.

• Etcd key value storage: Database che assicura backup e storage dei dati di funzionamento delle macchine assicurando sicurezza e tutela dell’ecosistema Kubernetes.

Come si può immaginare i nodi Master sono fondamentali per il funzionamento della piattaforma Kubernetes in quanto “direttori di orchestra” delle operazioni. Per questo motivo, gli ambienti di sviluppo si dotano solitamente di nodi Master di backup garantendo sicurezza e continuità di produzione. È inoltre importante considerare che tutti i nodi all’interno del cluster Kubernetes dialogano tra loro incessantemente orchestrando e organizzando autonomamente il carico di lavoro da svolgere come un’unica entità. 

Vantaggi nella gestione dei container Kubernetes:

La tecnologia Kubernetes rappresenta quindi un enorme possibilità per aziende che necessitano di migliorare la gestione e il controllo delle loro applicazioni e dei processi di deployment correlati all’interno di ecosistemi ibridi e Multi Cloud. In tali ambienti, risulta necessario dotarsi di un framework che permetta l’orchestrazione e il controllo funzionale dei container localizzati su host diversi, l’ottimizzazione di risorse per il raggiungimento delle performance, la continuità di servizio, l’aggiornamento e la distribuzione continua del software e la compliance ai protocolli di sicurezza.

I vantaggi relativi alla scelta di una soluzione basata su un’architettura Kubernetes sono:

• Performance elevate con l’organizzazione per microservizi: il codice non è monolitico – detto anche codice a blocco – ma organizzato in microservizi (gruppi di container o pod). Ogni “pezzo di codice” o micro servizio è adibito a un progetto. Con Kubernetes è possibile orchestrare i microservizi collocandoli dove è necessario gestendo carichi di lavoro elevati in modo scalabile ed efficiente.
• Architettura modulare e adattabile al prodotto: L’architettura si adatta al ciclo di vita del software permettendo rilasci in maniera continuativa, automatica e scalabile.
• I downtime sono evitati grazie a un sistema stabile e che si autoregola: Il sistema Master di Kubernetes controlla l’interazione tra i microservizi. Se un micro servizio presenta criticità, Kubernetes può velocemente rimpiazzarlo riducendo i costi.
• Continuous Integration/Continuous Deployment: Il software è continuamente testato, controllato e integrato in tutte le sue fasi di sviluppo e rilascio in ottica DevOps. Se per esempio è stato individuato un errore nel codice, si può facilmente tornare alla situazione precedente al rilascio del software con una procedura di rollback

CANTIERE DIGITALE: il prodotto di EBWorld basato sulla gestione dei container Kubernetes per lo sviluppo dei cantieri.

Cantiere Digitale, basato su Kubernetes, è una piattaforma SaaS completa e abilitante utilizzata per l’espansione e maintenance delle infrastrutture degli operatori di telecomunicazione e delle utilities. Il prodotto infatti consente il monitoraggio in tempo reale dello stato di avanzamento dei lavori su più cantieri contemporaneamente aperti su tutto il territorio nazionale. 

In caso di aumento delle richieste di accesso ai dati, l’architettura modulare consente l’assegnazione, la distribuzione e il bilanciamento automatico delle risorse favorendo una gestione dei picchi di lavoro in modo scalabile. Basato su tecnologia GIS, Cantiere Digitale consente la trasformazione del cantiere fisico in un vero e proprio asset digitale, semplificando il lavoro delle forze in campo, il coordinamento da parte delle direzione lavori e la supervisione da parte dell’impresa. Partendo dalla creazione di un progetto è possibile pianificarne la sua realizzazione verificando direttamente in campo lo stato di avanzamento dei lavori e dei materiali impiegati accedendo alle informazioni tramite applicazioni web e mobile.

La piattaforma Cantiere Digitale permette la gestione nella sua interezza del processo di progettazione, realizzazione, consuntivazione di nuovi asset tecnologici fornendo una soluzione consistente e capace di evolvere con le esigenze delle imprese. Il prodotto è rivolto sia alle Utilities (acqua, gas, elettricità, teleriscaldamento, telecomunicazioni) che alle società di ingegneria che gestiscono le manutenzioni e gli sviluppi della rete per conto delle utilities.

Modello dati e tipologie 

Per creare una rappresentazione digitale della realtà è necessario internalizzare un modello di interpretazione del dato flessibile e agile. In un sistema GIS le informazioni sono di tre tipi:

• Geometriche: si riferiscono a come gli oggetti sono rappresentati sulla mappa. Le informazioni geometriche sono le forme (punti, linee, poligoni), le dimensioni e le posizioni geografiche degli elementi.
• Topologiche: riguardano le relazioni reciproche tra gli elementi rappresentati (adiacenza, inclusione, connessione ecc…)
• Informative: sono i dati (numerici e/o testuali) associati a ogni elemento. 

Queste informazioni sono gestite dal GIS nel database relazionale (DBMS). I dati riferiti a una posizione geografica possono essere inoltre di tipo vettoriale (se organizzati in vettori e quindi in coordinate) o di tipo raster (se raggruppati in tabelle). 

Vantaggi di un sistema informativo territoriale

La possibilità di gestione dei dati territoriali in maniera integrata presenta una serie di vantaggi per le imprese e le organizzazioni.

Gestione delle risorse e degli asset

Le organizzazioni e le imprese che gestiscono reti di infrastrutture e asset distribuiti sul territorio necessitano di strumenti di condivisione delle informazioni e di rappresentazione su mappe degli asset fisici. Utilizzando sistemi GIS integrati a banche dati aziendali o a software ERP, è possibile organizzare i flussi operativi per ottimizzare la gestione delle risorse e degli asset riducendo i costi.

Accesso e modifica delle informazioni

Condividere le informazioni esternamente e internamente alle organizzazioni è fondamentale per consentire rapidità ed efficienza nei processi. Infatti, la modifica dei dati in mobilità è molto utile in settori quali telecomunicazioni e utilities da parte di operatori e progettisti sul campo. L’accesso ai dati può avvenire su dispositivi mobile quali smartphone, tablet o smart glasses.

Comprensione del territorio e della realtà

La rappresentazione su mappa di dati georiferiti permette una rapida ed efficiente comprensione del territorio, del contesto di inserimento, dei suoi asset e delle relazioni tra gli stessi. L’utilizzo dei sistemi GIS diventa quindi importante per migliorare il processo decisionale, per ottimizzare la comunicazione e la comprensione di informazioni e per tracciare l’andamento di progetti.

Funzionalità fornite dai software GIS

I software GIS presentano diverse funzionalità interattive per l’utente che può, oltre a consultare e analizzare i dati geografici, metterli in relazione tra loro in base al loro comune riferimento geografico generando nuove informazioni a partire dai dati preesistenti. 

Le principali funzioni che si possono trovare nella quasi totalità dei software GIS sono:

1. Visualizzare informazioni sugli oggetti presenti sulla mappa.
2. Trovare oggetti con particolari attributi e caratteristiche.
3. Trovare oggetti vicino ad altri oggetti.
4. Individuare oggetti all’interno di poligoni designati o di aree di ricerca.
5. Selezionare oggetti che intersecano altri elementi.
6. Overlay topologico: consiste nel compiere analisi territoriali sovrapponendo i layer informativi. Per esempio, è possibile sovrapporre due layer che mostrano la superficie di un parco e le aree di confine di un comune per determinare la competenza di una zona sulla mappa. 
7. Funzione di buffering; con cui possiamo eventualmente tracciare un’area di 2.000 metri attorno a un ospedale con lo scopo di verificare quante farmacie si trovano al suo interno.
8. Segmentazione dinamica: feature che permette di assegnare attributi a qualsiasi porzione di un segmento come una strada o una tubatura. 

La riuscita di un progetto che implica l’utilizzo di tecnologia GIS dipende in gran parte dalle metodologie adottate e dal livello di preparazione degli operatori. L’utilizzo dei software GIS in maniera ottimale richiede conoscenze tecniche e di settore e un’attenta analisi del contesto aziendale e sociale di riferimento. 

Soluzioni e prodotti GIS a supporto della gestione di reti 

Per le imprese di telecomunicazione e utilities l’utilizzo dei sistemi informativi geografici è importante per la gestione dei processi correlati al ciclo di vita delle reti e degli asset. Le soluzioni e i prodotti GIS di settore proposti dal mercato sono vari e diversificati. Tra questi la soluzione Geo4B  Water di EBWorld fornisce strumenti per facilitare processi di progettazione, espansione e gestione della propria infrastruttura di rete monitorando lo stato degli asset nel corso dell’intero ciclo idrico integrato. 

Geo4B Water per la riduzione delle perdite idriche

La digitalizzazione delle infrastrutture è una priorità per i gestori delle reti idriche che necessitano di piani di water management strutturati e volti alla riduzione delle perdite idriche.   

EBWorld attiva nel settore da più di trent’anni ha sviluppato la soluzione software Geo4B Water per la gestione dell’infrastruttura di una rete idrico-fognaria che garantisce il rispetto del ciclo idrico integrato in tutti i suoi processi di estrazione, potabilizzazione, distribuzione, depurazione e riciclo dell’acqua. 

La soluzione Geo4B Water, basata su tecnologia GIS, garantisce: 

• Monitoraggio della qualità e corretta distribuzione della risorsa acqua attraverso l’intero ciclo idrico integrato.
• Rappresentazione digitale delle tratte idriche e fognarie.
• Manutenzione degli impianti integrati nell’infrastruttura di rete quali punti acqua, centri di captazione e depurazione,  chiusini.
• Generazione di report e indicatori per localizzare le perdite idriche.
• Gestione delle operazioni sul campo con l’uso di una soluzione mobile.

L’esigenza fondamentale a cui risponde Geo4B Water è l’organizzazione dei processi  in un workflow strutturato e regolato che operi a tutti i livelli del lifecycle della rete: dalla progettazione e gestione dei centri di captazione e depurazione dell’acqua alla manutenzione delle condutture che la trasportano agli utenti finali.

La soluzione Geo4B Water si integra con altri sistemi ERP, CRM e di terze parti permettendo analisi e operazioni complesse come il calcolo delle portate dell’acquedotto, la registrazione di documenti commerciali e catastali o la quantificazione del valore immobiliare di un terreno. 

Sul campo Geo4B Water garantisce il supporto di:

• Asset management e riduzione delle tempistiche di intervento.
• Assistenza nell’installazione di “smart counter” per misurare i consumi.
• Facile accesso alle informazioni da parte degli operatori tramite l’App mobile.
• Controllo sul flusso di dati registrato dalle squadre sul campo garantendo la genuinità del dato.
• Supporto ai processi manutentivi di rete (gestione dei cablaggi, allacci e interventi sui giunti).
• Assistenza agli operatori con tecnologie di AR e AI per la localizzazione di oggetti.

La soluzione è utilizzata dal Gruppo SMAT con cui EBWorld collabora per la digitalizzazione della rete e lo sviluppo di un Sistema Informativo Territoriale dell’intera provincia di Torino. 

Digital twin e Smart Grid: il GIS come strumento abilitante

I sistemi informativi geografici rappresentano uno strumento potente e versatile per aziende e professionisti che lavorano in progetti dedicati alla conoscenza, analisi e gestione del territorio e delle sue risorse. La tecnologia GIS è impiegata in moltissimi ambiti per identificare urgenze, monitorare lo stato di infrastrutture e terreni, gestire e predisporre risposte ad eventi, stabilire priorità e workflow ed effettuare delle previsioni a breve o a lungo termine. 

I software GIS si possono inoltre integrare con moduli avanzati come sistemi ERP e CRM e con hardware con funzionalità di AR e IoT come gli smart glasses. Così il GIS diventa, insieme alla tecnologia 5G tipica delle reti di telecomunicazione ultraveloci, uno strumento abilitante per scenari innovativi quali le smart grid o reti intelligenti permettendo di creare un gemello digitale o digital twin della realtà analizzata.

Il passaggio dall’ elemento fisico al suo rispettivo asset digitale resta dunque fondamentale. Mappare la realtà significa comprenderla per poter offrire alle imprese gli strumenti per migliorare il lavoro, i servizi e la vita delle persone.