Flavio Trojan (UTFPR) Rui Francisco Martins Marçal (UTFPR)

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1 Sustentabilidade da produção, pelo monitoramento e emprego de um sistema especialista de apoio às decisões para redução de perdas no abastecimento público de água Flavio Trojan (UTFPR) flaviotrojan@brturbo.com.br Rui Francisco Martins Marçal (UTFPR) marcal@pg.cefetpr.br Resumo Este trabalho descreve um projeto para gerenciar e reduzir perdas de produto em sistemas públicos de abastecimento de água através da pesquisa, do desenvolvimento e da implantação de um Sistema de Monitoramento Especializado (SME). É apresentado como complemento para a automação e visa manter a sustentabilidade da produção, por técnicas de Tecnologia da Informação e inteligência computacional. Apoiado nos índices de desperdício de produto demonstra a importância da implantação do SME, para analisar e prescrever ações de intervenção e embasar as decisões de manutenção. A metodologia adotada é demonstrada pelo estudo dos processos de automação e gestão, existentes em uma empresa de saneamento básico de uma cidade com 280 mil habitantes e pela elaboração e implantação do SME entre os anos 2005 e São apresentados os resultados obtidos na redução de perdas de água, no apoio às decisões e no gerenciamento da manutenção. O estudo permite apontar o SME como uma oportunidade de melhoria no controle e no gerenciamento da produção. Palavras-chave: Manutenção de processos, Sistema de Monitoração Integrado, Apoio à decisão, Abastecimento público de água. 1. Introdução O volume total de água no planeta é constante e as reservas somam aproximadamente bilhões de m 3. O volume de água doce representa cerca de 35 bilhões de m 3, ou 2,52% da quantidade total de água no planeta. O homem tem utilizado, em suas atividades, aproximadamente 2,5 vezes mais água do que a quantidade disponível em todos os rios do planeta, o que tem obrigado a uma crescente utilização da água existente nos lagos e em lençóis subterrâneos (WETZEL, 1993). Os usos múltiplos da água aceleram-se em todas as regiões, continentes e países, elevam-se à medida que as atividades econômicas e de produção se diversificam e as necessidades de água aumentam para atingir níveis de sustentação compatíveis com as pressões da sociedade de consumo, da produção industrial e agrícola (BISWAS, 1991). Assim há uma grande dependência dos recursos hídricos para o desenvolvimento econômico mundial. A água funciona como fator de desenvolvimento, pois ela é utilizada para inúmeros usos diretamente relacionados com a sustentabilidade da produção (regional, nacional e internacional). Neste contexto, nos sistemas públicos de abastecimento de água, as perdas físicas, representadas por vazamentos nas redes de distribuição, têm sérias conseqüências no desempenho empresarial. Uma vez que a água perdida não é faturada, as perdas representam maiores custos de produção, gastos com energia elétrica e produtos químicos para o 1

2 tratamento da água, que acabam incorporados à tarifa (LAMBERT, 1999). Destaca-se a importância da aplicação de técnicas de resolução de problemas para o melhor gerenciamento do uso da água, com vistas a manter a sustentabilidade, para que sistemas públicos de abastecimento apresentem, qualidade e disponibilidade no atendimento aos sistemas produtivos e a população. Percebe-se que a automação aliada à inteligência computacional, geram contribuições significativas para um melhor aproveitamento dos vários recursos energéticos e para o controle operacional em sistemas de abastecimento de água nas cidades (TROJAN e MARÇAL, 2005). O presente trabalho traz a evolução do índice de perdas de água após a implantação de um sistema de automação no abastecimento de água de uma cidade e submete uma alternativa para preencher uma deficiência percebida na gestão da manutenção do sistema implantado. Propõe a implantação de um Sistema de Monitoramento Especializado (SME), ligado ao gerenciamento, e a sua integração com os demais sistemas de gestão, visando a manutenção da qualidade e a redução dos índices de perdas de água do sistema produtivo. 2. Metodologia A metodologia da proposta baseia-se no estudo de sistemas de automação e processos de gestão da manutenção, aplicados a sistemas de abastecimento público de água, bem como, suas implicações no controle e redução dos índices de desperdício. Para a elucidação da proposta é apresentada a implantação e aferição do SME, na cidade de Ponta Grossa no estado do Paraná, com aproximadamente 280 mil habitantes, 85 mil ligações de água e km em tubulações de abastecimento. O sistema de Automação As empresas sempre procuram aplicar novas tecnologias para atender aos projetos de renovação, manutenção e ampliação dos serviços, com vistas à disponibilidade do produto e redução do desperdício. A automação é uma das tecnologias que vêm sendo aplicadas no abastecimento público para esse fim. Os principais atrativos para se justificar um investimento em automação residem na melhoria do tratamento de água através do monitoramento e controle em tempo real, redução de custos operacionais, através do gerenciamento de energia elétrica consumida e controle de perdas físicas no sistema. Existem perdas muito grandes de água em vazamentos, ligações clandestinas, hidrômetros avariados, que influenciam no índice de atuação das companhias de saneamento. Quanto maiores forem os índices de aproveitamento pelas companhias, menores serão seus custos de produção. Mário Filho (2001) ressalta que a automação em saneamento soluciona uma série de dificuldades operacionais, como manter operadores nas unidades de tratamento para ligar e desligar bombas. Por comandos realizados principalmente por telemetria, várias unidades podem ser assistidas a partir de um centro de controle operacional (CCO) com funções de operação, otimização e planejamento (menor custo aliado a maior segurança). A seguir são apresentados alguns resultados com a implantação de um sistema de automação e a problemática percebida no caso estudado. 2

3 Gráfico 1 Índice de Perdas Sistema Distribuidor (PSD 12 ) em Ponta Grossa ( ) Fonte: SANEPAR, O gráfico 1 demonstra que logo após a implantação do sistema de automação em 2001, no abastecimento público da cidade, pôde-se perceber uma recuperação significativa no indicador de perdas de água e, o mais importante, permanecendo em queda, na média 7,5 %, fato que não ocorria nos anos anteriores. (SANEPAR, 2005) O índice de perdas, percentual acumulado em um ano (PSD 12 ), apresentou após a implantação da automação, uma redução de 47,29 % em 2001, para 38,91 % em 2002, mantendo-se em declínio no ano seguinte até alcançar 32,23 % em 2003 e retornando a um crescimento em 2004 para 36,3 %, 37,5 % até jul/2005. Para comparação a média desse índice no Paraná é em torno de 39 %. (SANEPAR, 2005) Pôde-se também perceber economia no consumo de energia elétrica, devido a um menor esforço necessário para produzir, já que mesmo com redução na produção pode-se atender a mesma demanda de outrora. Com isso aumentou a eficiência do uso da energia no sistema. Os estudos demostram que para se chegar à solução de problemas de manutenção emergentes, essa eficiência do sistema de automação está atrelada a análise especializada e ao monitoramento contínuo por parte de especialistas da área, o que demanda tempo. Torna-se impraticável um sistema cuja detecção, análise, diagnóstico e prescrição de intercessão demandem tempo e ocasionem demora na solução. O que este trabalho explora é a causa da retomada do crescimento percebido no indicador de perdas de água, depois de passados alguns anos da implantação do sistema de automação, o qual demonstrou ser uma ferramenta eficiente, porém não estrutural. A problemática aponta para a carência de monitoração especializada e integrada, sendo que o sistema é automatizado, atualizado e mesmo assim apresenta novamente tendências de crescimentos nos índices de desperdício. A partir de observações e análises do estudo apresentado, foi elaborada a proposta do SME, para minimizar as perdas e proporcionar o retorno aos índices conseguidos, na implantação da automação, e ainda garantir a sua manutenção ou declínio. O fato de a automação implantada ter-se mostrado eficiente apenas por um período, sugere a necessidade de uma revisão e uma complementação sistematizada. Com um correto monitoramento, seguido de análise especializada da informação e do conhecimento, pode-se agilizar as ações e tomadas de decisões no que se refere a pronta atuação de intervenção, quando as anormalidades que propiciam perdas ocorrerem. Tal 3

4 prontidão garante a redução das perdas de produto e dos custos de produção. Barrella (2000), ressalta a necessidade do desenvolvimento deste tipo de sistema e ainda aponta alguns passos importantes na criação de softwares especialistas que procuram fazer ligação direta entre os processos de chão de fábrica e a gestão dos demais processos. A Arquitetura do Sistema (SME) A arquitetura é talvez o ponto crucial para o desenvolvimento de programas que utilizam know-how e abordagens de resolução de problemas com capacidade comparável à dos peritos humanos e deve conter: Banco de conhecimentos: contendo fatos, regras e padrões da situação, Dispositivo de inferência: capaz de tomar decisões num dado domínio, Linguagem: destinada a escrever as regras e estabelecer a comunicação máquina-homem, Programa base: que engloba o dispositivo de inferência, o administrador de conhecimento e as interfaces de usuários, Saber Especializado: é o conhecimento utilizado para objetivos e aplicações específicas, Sistema Especialista: é o processamento de regras e padrões criados por um especialista, com vistas a apresentar a decisão mais coerente, frente a uma situação específica e, Sistema Integrado de Gestão - SIG: é um conjunto de programas e cálculos realizados para administração da empresa, que consideram a mesma base de dados para todos os departamentos e setores. Neste contexto, destaca-se a necessidade de um projeto construído com vistas nos processos de gestão e nas especificidades de cada empresa, onde os padrões e regras são desenvolvidos em conjunto com todas as áreas que fornecem as informações ao sistema. 3. Sistema de Monitoramento Especializado (SME) O que faz? Promove a integração dos processos de gestão, complementa o sistema de automação e visa dar apoio à manutenção de qualidade e fornecimento nas empresas de maneira informatizada. O SME objetiva a economia do produto, apoio à manutenção em decisões assertivas, através de um sistema especialista, para a redução dos índices de desperdício, com alta relevância para o setor produtivo, pela rápida intervenção na resolução dos problemas de manutenção. Como faz? O SME está diretamente ligado à coleta dos dados de chão de fabrica, da geração de alarmes por gerenciamento de software supervisório e a registros dos demais sistemas de gestão, através da rede de computadores da empresa. A partir desses dados, registrados sistematicamente em bancos de dados relacionais, o sistema assume os principais, como variáveis de entrada para regras de um sistema especialista. As variáveis são comparadas e correlacionadas a outras variáveis de entrada integradas oriundas de outros processos de gestão, gerando uma decisão e procedimento de intervenção de manutenção. Assumindo que o sistema deve ser flexível, utiliza uma forma temática e interface gráfica. Esse formato é uma das características principais dos softwares modernos de supervisão e monitoramento. 4

5 O sistema especialista Antes que se possa encontrar a solução para um problema é necessária a representação do mesmo de uma forma tal que seja facilmente manipulado por um computador. Tal representação reduz-se a um modelo do problema dentro da estrutura de dados do computador. Um problema é representado através da construção de um modelo que é análogo ao problema original. Desta forma, a ideia é solucionar o problema original através da solução do modelo análogo. Os modelos de problemas são usados como representação, desde que eles reduzam o problema original a um conjunto de estados de fácil entendimento, para que este conjunto possa ser trabalhado num computador. Estrutura do sistema especialista Base de conhecimento: contém as regras usadas no processo de raciocínio. A maioria dos sistemas usa regras de produção. Entretanto, os sistemas especialistas podem incorporar elementos de lógica, de redes semânticas ou quadros, na sua base de conhecimento. (WEBER, 1993) Base de dados: é o contexto do sistema. Possui os fatos disponíveis ao sistema a cada momento. É no contexto que o sistema procurará os elementos necessários à satisfação das regras. Interpretador: também chamado de motor de inferência. Guia o processo de raciocínio do sistema através da base de conhecimento, fazendo o casamento dos elementos da base de dados com as regras. Traz a solução para os conflitos. (WATERMAN, 1986) Um sistema especialista possui basicamente três modos de operação: Modo de Aquisição do Conhecimento: para adquirir conhecimento o sistema precisa interagir com um especialista humano. O processo de aquisição de conhecimento é o maior gargalo do sistema. Modo de Consulta: o sistema estará no modo consulta quando desempenhar sua função de fonte de consulta computadorizada. Neste modo um usuário não especialista no assunto interagirá com o sistema fornecendo dados e respondendo perguntas. Os dados fornecidos serão incluídos na base de dados do sistema e serão utilizados pelo interpretador para satisfação de regras e condução do raciocínio do sistema. Modo de Explanação: permite que o sistema explique suas conclusões e seu processo de raciocínio. Dá ao sistema especialista uma de suas características mais importantes que é a capacidade de explanação. Isto é, capacidade de explicar qual o caminho usado para chegar a conclusão obtida, e como foram usadas as informações disponíveis. Com os estudos realizados e com a definição detalhada dos problemas que necessitam tratamento propõe-se o desenvolvimento do sistema de monitoramento que tem como base um sistema especialista na sua estrutura. No sistema de monitoramento especializado (SME), são desenvolvidas: - técnicas para a aquisição do conhecimento, através dos registros das melhores ações tomadas para a resolução dos problemas, - interface gráfica e amigável para o modo consulta, - descrições de como deve ser executada uma decisão sugerida pelo sistema no modo explanação e, 5

6 XXVI ENEGEP - Fortaleza, CE, Brasil, 9 a 11 de Outubro de regras de inferência de um sistema especialista que atua como o gerador de decisões. 4. Implementação e levantamento de resultados Com a construção do SME através do conhecimento descrito e com as especificidades da cidade em que foi realizado o estudo, pode-se implementar tal sistema e avaliá-lo em relação ao objetivo do trabalho. Após a implantação do SME no abastecimento público de água na cidade, pôde-se realizar levantamentos de resultados, que sustentam a importância da implementação deste sistema, que monitora e aponta soluções assertivas através do sistema especialista. Depois de quatro meses de funcionamento, o SME, através dos registros em seus bancos de dados, revela o comportamento do índice de perdas de água, antes e depois da sua implantação. O comparativo desses dados demonstra os ganhos e prejuízos nos cenários anteriores e posteriores a essa implantação. Através da figura 1, o usuário do sistema tem uma visão geral do monitoramento na cidade. Possibilita num primeiro momento a macro visão dos problemas de manutenção que se sobressaem nas áreas de medição de vazões delimitadas e monitoradas pelo sistema de automação. Figura 1 Sistema de Monitoramento Especializado (SME) áreas de medição em foto de Satélite Fonte: Elaborado pelo autor, Nos quatro meses em que o SME esteve em efetiva operação foram intensificadas ações de intervenção na manutenção do abastecimento de água. De um universo de 36 áreas que apresentavam problemas na implantação do SME, depois dos quatro meses, em apenas 18 restaram anormalidades. Os registros que estão concentrados neste formulário resultam da integração de várias informações registradas nos setores da empresa de abastecimento público, as quais foram integradas e formam a base de conhecimento para o sistema. Assim fornece subsídios para o motor de inferência e a partir daí uma decisão é construída com base nas regras do sistema especialista. Existem outras características do sistema que ainda podem ser esplanadas num trabalho mais 6

7 amplo, tais como: as regras de decisão do sistema especialista, a apresentação da decisão, descrição dos procedimentos, rede semântica, diagrama de contexto, modelo entidade relacionamento (MER). Figura 2 Formulário de Controle dos procedimentos e aferição de resultados Fonte: Elaborado pelo autor, A figura 2 demonstra um formulário de gerenciamento, onde podem-se registrar as ações e os procedimentos executados para cumprir a decisão indicada pelo SME e ainda os resultados aferidos ao longo do tempo na recuperação de vazões e redução de perdas. O gráfico 2 apresenta resultados em perdas de produto, aferidos no sistema de abastecimento público de água do caso estudado, no período janeiro/2001 a abril/2006. A primeira redução percebida, em 2001, é resultante da implantação do sistema de automação. Os índices começam a se elevar a partir de Gráfico 2 - Índice de Perdas após implantação dos sistemas de automação e SME ( ) Fonte: SANEPAR, 2006 A partir de meados de 2005, com a preparação e 2006 a implantação do SME, a redução percebida foi da ordem de 3,5 % até abril/2006. Isto demonstra eficiência na resolução de problemas de manutenção no abastecimento público de água do caso estudado. Assim o SME complementa o sistema de automação e retoma os níveis de redução das perdas, percebidos 7

8 nos anos subsequentes à implantação da automação, além de registrar e utilizar as ações e decisões de sucesso como variáveis de entrada para a análise de uma nova situação, com otimização dos processos de gestão da manutenção. 5. Conclusões Percebe-se, com base nos estudos realizados até aqui, que o SME traz resultados positivos ao caso apresentado, uma vez que ele faz análise especializada e fornece subsídios de forma computacional e automatizada para apoio às decisões no que tange a uma imediata intercessão no processo. Assim os setores que necessitam da informação podem minimizar, principalmente as perdas de produto e os custos de produção. Com a pesquisa apresentada é possível construir generalizações e novos conhecimentos, que contribuem para a sustentabilidade da produção e para a qualidade nos sistemas de abastecimento de água. O sistema apresentado utiliza as teorias de inteligência artificial para sua construção e através de uma aplicação prática, demonstra a capacidade computacional para solucionar problemas estruturais, que outrora, somente um especialista humano seria capaz de resolver. Através desse projeto multidisciplinar é possível explorar as diversas áreas do conhecimento, desde as técnicas de manutenção e monitoramento em sistemas hidráulicos, gestão da manutenção, sistemas de informação, sistema integrado de gestão, sistemas de apoio à decisão e programação estruturada. Apoiado nos resultados da implementação do sistema na empresa estudada é possível afirmar que o sistema de monitoramento especializado (SME) propicia o controle e o gerenciamento especializado da manutenção através da criação de uma base de conhecimento pelo registro das experiências da utilização do SME. No tocante ao obter resultados positivos no controle do índice de desperdício e na gestão da manutenção para a empresa de abastecimento de água, a integração de gestão dos processos e o emprego do sistema especialista (o SME Sistema de Monitoramento Especializado) para dar suporte às decisões, vêm contribuir de forma significativa para este controle e para a redução. Este procedimento dinamiza com a automatização e o monitoramento integrados, as prontas decisões e intervenções no processo de forma eficiente e consistente. As anormalidades incipientes são sinalizadas e a análise da severidade e até mesmo o julgamento da prioridade de intervenção está disponível na Interface Homem Máquina (IHM), agilizando e apoiando quaisquer prescrições e intercessões. Referências BARRELLA, W.D. - Sistemas Especialistas Modulados e Abrangentes para a Gestão de Operações. Tese de Doutorado, Escola Politécnica da Universidade de São Paulo, São Paulo, SP, 2000, 159 p. BISWAS, A. K. - Water resources in the 21st century, Water International, 1991, v p. LAMBERT, A., Brown, T.G., Takizawa, M. e Weimer, D. - A review of performance indicators for real losses from water supply systems. AQUA, MARIO FILHO - Automação no saneamento básico: diferentes necessidades para um mesmo objetivo. Revista Controle & Instrumentação, ed. 61, São Paulo, SP, SANEPAR Indicadores Estratégicos do Sistema de Informações Sanepar SIS, Curitiba, PR, TROJAN, F. e MARÇAL, R. F. M. - A automação em sistemas urbanos de abastecimento de água. Anais do CBEE Congresso Brasileiro de Eficiência Energética. Belo Horizonte, MG, WATERMAN,D.A. - A Guide to expert systems. Addison-Wesley Publishing Company, WEBER, R. O. - Sistema Especialista Difuso para Análise de Crédito. Mestrado da UFSC. 78p

9 WETZEL, R. G. & GRACE, J. B. - Aquatic plant communities. E. R. Lemon, ed. CO2 and plants, westview Press, Boulder, CO, USA,