Cómo digitalizar, optimizar y proteger la gestión del agua en las Smart Cities

La sequía y las fugas masivas de agua en el subsuelo de grandes ciudades hacen más necesaria que nunca la mejora de la gestión de los recursos hídricos en los entornos urbanos. La adopción de sistemas conectados e inteligentes para las infraestructuras de suministro y purificación de agua tiene ventajas claras y llegará con el tiempo. Pero actualmente el sector tiene un bajo nivel de digitalización, así que esta transición debe hacerse de forma ágil, pero también controlada.

Una investigación de Cristina Villar, alumna de la Universidad Abierta de Cataluña (UOC) que trabaja en una de las principales empresas tecnológicas del país diseñando soluciones de digitalización y seguridad de múltiples infraestructuras, ha establecido las bases sobre cómo debería hacerse este proceso. Su trabajo, en el marco del máster universitario de Ingeniería de Telecomunicación, analiza los requisitos necesarios para esta renovación y también propone la arquitectura de red y el tipo de hardware específico para asegurar la cadena de suministro del agua, un recurso que el cambio climático y el aumento de población hacen cada vez más preciado.

El trabajo analizado propone la arquitectura de red y el tipo de hardware específico para asegurar la cadena de suministro del agua

"En el tratamiento y gestión del agua falta mucho desarrollo y estandarización de los protocolos digitales y, en vez de crear un diseño único e inflexible, hemos querido sentar las bases de funcionamiento para adaptar este entorno a las necesidades de la industria 4.0 y la legislación española", apunta Villar, primera autora de la investigación. Su trabajo final de máster, publicado en abierto, fue dirigido por Víctor Monzón Baeza, actualmente investigador en la Universidad de Luxemburgo. Tras los excelentes resultados, el trabajo fue publicado por la revista MDPI Smart Cities, mientras que contó con la colaboración de Raúl Parada, investigador del Centro Tecnológico de Telecomunicaciones de Cataluña, y de Carles Monzo, profesor de los Estudios de Informática, Multimedia y Telecomunicación.

Una arquitectura compleja

Según su criterio, la renovación de las infraestructuras críticas relacionadas con la cadena de suministro hídrico debería configurarse con una arquitectura que incluyera un grupo de acción y medición (el amplio dispositivo de sensores sobre el terreno) y una red sin interferencias para dar cobertura y enviar los datos que se generen al grupo central de computación, eje principal de la solución. Esta parte del sistema se encargaría de recopilar todos los datos de los sensores y ejecutar comandos que enviaría a los actuadores. 

Estos comandos podrían ser configurados manualmente por los responsables de mantenimiento del sistema o podrían automatizarse para mejorar la agilidad de acción del sistema de control hídrico. Todos los datos se almacenarían en bases de datos NoSQL como MongoDB, desplegadas idealmente en servidores con alta disponibilidad ubicados en centros de procesamiento de datos (CPD) privados. Estos servidores contarían con un sistema de copias de seguridad y estarían duplicados para que, en caso de contingencias, el sistema siguiera activo y no sufriera cortes de servicio.

Se apuesta por el uso de sistemas de hiperautomatización e IA como otra implementación que hay que tener en cuenta en el futuro

Dicha información podrá ser extraída y estudiada a través de los procesadores de análisis de datos y podrá subirse a la nube para una mayor computación y aplicación de la inteligencia artificial. Los autores proponen la adopción del protocolo NB-IoT para los dispositivos sobre el terreno, ya que utiliza todos los protocolos de seguridad de comunicación necesarios, así como la cobertura de red móvil 4G para la conectividad, dado que su nivel de despliegue de cobertura es alto.

La seguridad, prioritaria

Todo esto debería cumplir una serie de requisitos para adaptarse a los criterios de regulación actual y conseguir un funcionamiento óptimo. Entre estos destacan factores como la alta disponibilidad de los sistemas utilizados, que puedan actualizarse sin afectar a la continuidad del servicio, que permitan un plan de mantenimiento con supervisión remota 24/7 y que los datos que generen puedan ser homogeneizados para su procesamiento.

De cara a mantener la seguridad del sistema, también interesa tener infraestructuras diferentes y segmentadas, ya sean físicas o virtuales, y "una infraestructura de alta disponibilidad con varios cortafuegos en modo clúster para asegurar la redundancia de los sistemas que soportan la solución", detallan los autores.

"La ciberseguridad juega un papel vital en estas infraestructuras críticas y, por lo tanto, es crucial considerar las pautas recomendadas, como la distribución de los cortafuegos y servidores en zonas geográficamente independientes, para asegurar la alta disponibilidad, de tal manera que una caída en una de estas zonas no afecte al resto, asegurando el uso de dos CPD. Nadie quiere que un hacker pueda entrar al sistema y deje un pueblo sin agua", explica Villar.

En España los sistemas de control del agua están todavía muy verdes en cuanto a digitalización se refiere

Mejoras automáticas

Con este proceso de digitalización podrían automatizarse muchas operativas y conseguir mejoras de diversa índole, como controlar que la depuración del agua sea lo suficientemente alta para no alterar el entorno ecológico, medir la cantidad de energía consumida por el sistema, detectar y actuar con celeridad ante las fugas en la cadena de suministro, supervisar el nivel de tratamiento de depuración de agua o conocer el promedio anual de horas de interrupción del servicio de abastecimiento de agua.

Entre las ventajas que se obtendrían con la infraestructura propuesta figuran el bajo coste económico y el bajo consumo de los sensores NB-IoT, la amplia gama de sensores disponibles con la solución LPWAN, que permite largos rangos de comunicación a través de la red celular, y el bajo coste de inversión, puesto que se aprovecha la infraestructura de estaciones radio 4G ya existentes para los operadores de telefonía. Además, el uso de una plataforma de gestión de código abierto mejora la compatibilidad con otros códigos de aplicaciones que pudieran integrarse con la plataforma.

Aplicación de inteligencia artificial

Mirando más allá, los autores también apuestan por el uso de sistemas de hiperautomatización e inteligencia artificial como otra implementación que hay que tener en cuenta en el futuro para reforzar el mantenimiento preventivo de los componentes de la red y evitar así incidentes por el desgaste de las piezas. Estos procesos robóticos también evitarían, en gran medida, posibles fallos humanos, aunque siempre sería necesario disponer de operadores técnicos para posibles casos imprevistos.

Los autores proponen la adopción del protocolo NB-IoT para los dispositivos sobre el terreno, ya que utiliza todos los protocolos de seguridad de comunicación necesarios

"En España los sistemas de control del agua están todavía muy verdes en cuanto a digitalización se refiere. Son muy tradicionales y difíciles de conectar a internet, pero es el momento ideal para hacer un big bang y poder implementar un control en tiempo real con el fin de evitar desperdiciar un bien tan preciado para la humanidad como es el agua", concluye la ingeniera formada en la UOC.

Este proyecto favorece los objetivos de desarrollo sostenible (ODS) número 6, sobre agua limpia y saneamiento, y número 11, sobre ciudades y comunidades sostenibles, entre otros.

Artículo de referencia: Villar Miguelez, C.; Monzon Baeza, V.; Parada, R.; Monzo, C. Guidelines for Renewal and Securitization of a Critical Infrastructure Based on IoT Networks. Smart Cities 2023, 6, 728-743.