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PREVISÃO DA MANUTENÇÃO EM SISTEMAS DE ESGOTO A PARTIR
DO ESTUDO DA CONFIABILIDADE E FALHA DOS SISTEMAS.
Diego A. Guzmán1*; Marina Batalini2; Altair Rosa3; Eduardo M. Mendiondo4 & Roberta
Romano5
Resumo – Os processos de planificação da manutenção das redes de esgoto nas grandes não é uma
prática comum devido ao desconhecimento do sistema, alterações no ciclo climático, orçamentos
ajustados e as escassas de ferramentas que suportam a tomada de decisões para definir e implementar
um plano de gestão. Estas redes são parte de um ativo não visível para o cidadão comum e sua
importância só pode ser valorada quando o sistema entra em colapso. Este trabalho tem o objetivo de
desenvolver uma metodologia para planejar de forma preventiva as atividades de manutenção dos
sistemas de esgoto em bacias urbanas, integrando o conhecimento especializado e as bases de dados
históricas das atividades de manutenção executadas. A proposta abrange métodos de confiabilidade
de sistemas que são atualizados mediante o teorema de Bayes. A implementação foi definida em
quadrantes de 300m x 300m e o modelagem foi feito na ferramenta Matlab. Os resultados mostram
uma certeza de 80% em média, após verificar a capacidade preditiva do modelo. Conclui-se que
podem ser desenvolvidas e implementadas ferramentas para o planejamento de atividades de
manutenção em sistemas sanitários e pluviais, de acordo com o nível a ser alcançado, orçamentos,
qualidade e quantidade de informação disponível.
Palavras-Chave – Manutenção preventiva; sistemas de esgoto, confiabilidade.
.
MAINTENANCE FORECAST IN IN SEWER SYSTEMS RELIABILITY TO
STUDY FROM RELIABILITY AND FAILURE OF SYSTEMS.
Abstract – Planning processes of maintenance of sewerage networks in great cities are not a common
practice, due to the unknown system, changes in climatic cycle, set budgets and few tools that support
decision-making to define and implement a management plan. These networks are not part of a visible
asset for the average citizen and can only be valued its importance when the system collapses. The
main objective of this work is to integrate the expertise and historical databases of executed
maintenance activities in urban watersheds. The proposal covers systems reliability methods that are
updated by Bayes' theorem. The implementation was set on quadrants 300m x 300m and the modeling
was done in Matlab. The results show an 80% certainty averaged after verifying the predictive ability
of the model. Conclude that can be developed and implemented tools for planning maintenance
activities in sanitary and storm systems, depending on the level to be achieved, budgets and quality
and quantity of existing information.
Keywords – Predictive maintenance; sewage systems reliability.
1
Doutorando em Eng. Hidráulica e Saneamento EESC/USP, Av. Trabalhador São-carlense, 400 CP 359 São Carlos-SP. E-mail [email protected]
2
Mestrando em Eng. Hidráulica e Saneamento EESC/USP, Av. Trabalhador São-carlense, 400 CP 359 São Carlos-SP. E-mail [email protected]
3
Doutorando em Eng. Hidráulica e Saneamento EESC/USP, Av. Trabalhador São-carlense, 400 CP 359 São Carlos-SP. E-mail [email protected]
4
Professor Doutor do PPG-SHS EESC/USP, Av. Trabalhador São-carlense, 400 CP 359 São Carlos-SP. E-mail [email protected]
5
Doutoranda em Meio Ambiente e Desenvolvimento UFPR, Rua XV de novembro, 1299 - Centro, Curitiba. E-mail [email protected]
XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos
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1. Introdução
As grandes cidades enfrentam o desafio de padronizar uma metodologia para planejar e
executar atividades preventivas – preditivas de manutenção – na atualidade. Neste processo estão
envolvidos fatores como a heterogeneidade entre um sistema e outro (pluviais – sanitários), a
variabilidade climática, orçamentos e equipamentos disponibilizados, nível de conhecimento sobre o
estado da rede, cultura cívica dos usuários do sistema e o acesso à informação para desenvolver
estratégias de pesquisa Van Riel et al, (2014).
O artigo propõe o estudo e desenvolvimento de uma metodologia para planejar de forma
preventiva as atividades de manutenção dos sistemas de esgoto em bacias urbanas. Tendo como
estudo piloto uma bacia urbana da cidade de Bogotá – Colômbia. Com 10350 Há e 2381 km de
longitude do sistema.
Para isso, propõe-se uma metodologia dividida em quatro etapas de
implementação: na primeira etapa, deve-se avaliar a viabilidade da implementação, procurando
dentro das empresas responsáveis pela manutenção dos sistemas de esgoto as características,
disponibilidade, qualidade e quantidade da informação existente. Na segunda etapa, é necessário
classificar e, segundo a qualidade e características desta informação, pode ser preciso processá-la e
adaptá-la de acordo com os requerimentos específicos do planejamento desejado, por exemplo, a
capacidade operativa e econômica da empresa.
Na terceira etapa, define-se a área de análise e as ferramentas de estudo da informação a ser
gerada, visando sua complementaridade para que possam compor um sistema de suporte de decisão.
A etapa quatro estabelece a verificação dos resultados, estes podem ser usados ou descartados,
conforme a capacidade preditiva do modelo. Ao final, a proposta define uma metodologia para o
planejamento e manutenção, mas também para renovação ou reabilitação de redes de esgoto.
As informações utilizadas, como bases de dados históricas de manutenção e conhecimento
experto, são processadas em modelos baseados na confiabilidade e falha de operação de sistemas,
atualizando o estado mediante o teorema de Bayes e confrontado com ferramentas de logica difusa.
A implementação foi definida em áreas ou quadrantes de 300m x 300m chamados setores de
manutenção preventiva (Smp) e a modelagem foi elaborada na ferramenta Matlab.
2. Métodos
Com o objetivo de optar por uma metodologia viável e replicável, o trabalho propõe a
integração de metodologias baseadas no enfoque de sistema e a gestão do conhecimento experto. No
presente, é comum contar nas empresas encarregadas pela administração dos sistemas de esgoto nas
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maiores cidades, com pessoal de grande experiência e conhecimento dos sistemas e as atividades de
manutenção destes. Estas atividades são registradas em bases de dados (físicas ou sistematizadas)
com importantes características como localização, data, tipo de sistema intervindo, tipo de atividade
de manutenção efetuada, sistema pluvial interligado ou separado e observações gerais da atividade.
O conhecimento especializado é base fundamental de toda empresa, por isso o uso da lógica
difusa no contexto de manutenção de redes sugere uma metodologia de análise com base no
conhecimento especializado. Ainda da análise de diferentes parâmetros físicos do sistema como
declividade, diâmetro ou material para que simultaneamente com os tomadores de decisão, possam
abranger a dinâmica da acumulação de sedimentos e lixo nas redes Gondres (2005).
A aplicação do conhecimento experto e a lógica difusa permitem estimar cenários
intermediários, neste caso, áreas ou Smps sujeitos ou vulneráveis a frequentes atividades de
manutenção Makropoulos (2005). Um conjunto difuso agrupa elementos que satisfaçam plenamente
ou parcialmente as características de uma mostra com uma determinada condição. O grau de
pertinência de cada conjunto representa o grau de cumprimento desta condição. Um conjunto difuso
A no universo X é representado continuamente usando uma função de adesão μA (x) ou na forma
discreta por um conjunto de pares ordenados (x, μA (x)), em que x é o elemento deste conjunto e μA
(x) é o grau de pertença a ele expressado por um número real no segmento [0, 1]. A simbologia
correspondente encontra-se na equação 1:
A  ( x,  A ( x)) / x  X ,  A ( x)  0,1 
(1)
A função de filiação é uma aplicação do universo X no segmento [0, 1], como é mostrado na
Equação 2:
 A ( x) : X  0,1
( 2)
Por outra parte, definir a incapacidade de um sistema para funcionar adequadamente, por
ocorrência de uma falha, não é fácil. Em um sistema de esgoto, a falha, tida como "perda evidente em
sua capacidade operacional normal", pode ocorrer gradualmente e, assim, determinar o estado em que
ela deixa de executar corretamente o sistema é subjetivo Diaz-Granados (2011).
A confiabilidade de um sistema é a probabilidade de que este trabalhe de forma adequada ao
longo do tempo, operando sob certas condições Kottegoda e Rosso (1997). É possível determinar que
a confiabilidade do sistema pode se degradar ao longo do tempo, devido à acumulação de sedimentos
e lixo, esta pode ser gradual e progressiva ao longo do tempo Gerard (1999); Ashley (2000). Assim,
pode-se definir a função de confiabilidade R (t) Equação 3, que indique a dinâmica da confiabilidade
do sistema ao longo do tempo t.
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3

R(t ) 
f
w (t )
dt  1  FW (t )
(3)
t
Onde fw (t) é a função de distribuição de probabilidade (FDP) do tempo de sobrevida e FW (t) é
a função acumulada de probabilidade ou (FAP). O tempo de sobrevida é o momento de falha do
sistema. Esse tempo deve ser entre duas falhas consecutivas e, conforme o tempo passa, o tempo de
sobrevivência torna-se menor, gradualmente, até a falha ocorrer. O tempo de sobrevida da FDP
depende da estrutura temporal da ocorrência de falha. Se este é estacionário e pode-se estabelecer
uma função equivalente ao limite inferior da função de confiabilidade, isto assim estabelece o valor
mais baixo possível da confiabilidade ao longo do tempo t. Esta função de limite inferior é:
R(t )  1  t
para  1 / 
R(t )  0
para  1 / 
Onde λ é a taxa média de falha no sistema, equação 4:

1
tempo médio entre falhas con sec utivas
(4)
Foram adotados três modelos de distribuição exponencial para representar a FDP do tempo
entre falhas consecutivas (representando um processo em que as falhas são independentes umas das
outras, e a taxa de falha é constante ao longo do tempo), então a função de confiabilidade é expressa
na equação 5 e figura (i.e,. Figura 1. Funções de decaimento implementadas para estimar o tempo de
vida do sistema entre falhas):
R (t )  exp (t )
(5)
Tempo adimensional
Figura 1- Funções de decaimento implementadas para estimar o tempo de vida do sistema entre falhas
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Para qualquer tempo t, a confiabilidade R (t) é uma variável aleatória, e, portanto, tem uma FDP
associada. O Teorema de Bayes fornece uma maneira racional para atualizar a confiabilidade FDP
com base em novas informações Kottegoda e Rosso (1997). Isso é útil para a manutenção preventiva,
uma vez, na medida em que inspeções e ações corretivas são feitas, eles permitem uma reavaliação
da confiabilidade do sistema no tempo correspondente, e, portanto, atualizar em termos de
confiabilidade Korving (2008).
3. Resultados Obtidos
A análise complementar não só permite adiantar uma atividade de manutenção em um setor
especifico ou evitar o chamado de reclamação dos usuários com o que finalmente é feita a medição
da qualidade do serviço emprestado Sanhueza, (2008); Peñalverde, (2002); Samples, (2000), mas
também permite perceber danos no sistema, ligações erradas do sistema pluvial para esgoto, perda da
capacidade por incremento de usuários, mudanças no uso do solo ou uso inadequado da rede em
setores localizados por descargas de materiais não usuais.
As metodologias integradas podem ser mapeadas facilmente em diferentes escalas “agregada e
desagregada” a partir da definição inicial da área de estudo e capacidade operativa para a resposta do
planejamento temporal e espacial, como é observado na Figura (i.e,. Figura 2.Resultados em
diferentes escalas geográficas para a gestão e planejamento de atividades de manutenção no sistema
de esgoto).
Figura 2 Resultados em diferentes escalas geográficas para a gestão e planejamento de atividades de manutenção no
sistema de esgoto
De acordo com o período de tempo de antecedência da simulação, o modelo de distribuição
exponencial selecionado e o número de áreas para priorizar, aumenta a capacidade preditiva da
metologia e diminui com o inverso das variáveis consideradas. Dos resultados obtidos, pode-se
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ressaltar que mediante verificações da capacidade preditiva da metodologia, foram alcançados até
85% de acertos sobre setores criticos estudados e, no total, a faixa de certeza alcançou de 65% a 80%
em média.
Fica clara a relação diretamente proporcional do regime climático sobre os processos de
manuntenção, incrementando-se atividades nos periodos chuvosos e diminuindo em até um terço na
temporada seca. Isto supõe um período de tempo onde pode ser planejada e executada a manutenção
proativa dos sistemas, enquanto as alterações climáticas permitam redefinir o esquema de trabalho.
4. Conclusões
Para que a metodologia apresente um resultado eficaz faz-se necessário que os operadores de
manutenção realizem corretamente seu trabalho, a existência do cadastro atualizado das redes
(quando possível com referência geográfica), base de dados ou registros históricos de manutenção,
endereço ou localização geográfica das atividades e datas.
O mapeamento das metodologias integradas, a informação como análise de frequência e o
estado do sistema na área estudada no tempo fornecem uma ferramenta de gerenciamento adaptável
e replicável, que pode ser aperfeiçoada com inserção de uma interface gráfica amigável e intuitiva,
figura (i.e,. Figura 3.Interface gráfica para a gestão da manutenção). Por fim, tem-se como propósito
final planejar economicamente e antecipar as falhas do sistema que afetam um grande número de
usuários.
Figura 3 Interface gráfica para a gestão da manutenção
A metodologia fornece duas abordagens de análise: a primeira é a susceptibilidade da rede para
apresentar as atividades de manutenção compatíveis com as características físicas da rede e a segunda
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com a frequência de atividade históricas de manutenção, permitindo aproximar-se para definir o
tempo e a frequência de manutenção de cada uma delas.
Com a implementação da metodologia para desagregar os resultados alcançados, permite-se
gerenciar mais facilmente as atividades de manutenção preventiva no nível operacional para propor
um planejamento com mais detalhado, ou agregar e desagregar informações a serem exibidas ou
saídas para outro nível de importância dentro das empresas ou organização. À medida que mais dados
são coletados, será possível reduzir a área de análise e diminuir as incertezas.
Para quantificar a capacidade preditiva da metodologia pode-se, como exercício de
identificação, verificar do registro histórico e modelar com um ano antecipado ou meses; isto porque
não se pode definir como uma calibração da metodologia pela incerteza que envolvem as variáveis
estudadas.
Os sistemas de identificação das áreas críticas propensas a atividades de manutenção de esgoto
atualmente utilizados em todo o mundo têm análise de parâmetros hidráulicos integrados e um maior
número de características físicas da rede Ferner (2000); Breysse (2003), por isso requer um grande
esforço na revisão e complementação do cadastro de redes existentes e uma modelagem hidráulica
detalhada confiável, para aperfeiçoar a análise.
O tamanho das áreas, ou Smps definidos, resultou em uma estratégia interessante para o
planejamento, dado que permitiu aproximar a falha do sistema ao endereço concreto ou até uma
estrutura especifica do sistema.
Metodologias deste tipo podem ser implementadas junto com modelos hidrológicos e transporte
de sedimentos, em procura de uma resposta fisicamente baseada ao problema de planejamento da
manutenção. Pesquisas deste tipo se estão desenvolvendo no Núcleo Integrador de Bacias
Hidrográficas (NIBH) da USP São Carlos, focadas na estimativa da relação custo-benefício da
construção e manutenção de técnicas compensatórias em bacias urbanas.
Para futuras pesquisas é necessário incorporar um maior número de funções de confiabilidade,
até caracterizar o fenômeno de uma forma precisa. Ainda de testar a ferramenta com um maior
número de dados, manter atualizados os sistemas de informação e sensibilizar aos usuários sobre o
uso adequado e existência das redes que são patrimônio importante das cidades.
Referências
ANA, E. BAUWENS, W. (2007). Sewer Network asset management decision-support tools: A
review. Department of Hydrology and Hydraulic Engineering, Vrije Universiteit Brussels, Pleinlaan
2, Brussels, Belgium. International Symposium on New Directions in Urban Water Management.
XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos
7
ANA, E. BAUWENS, W. (2010). Modeling the structural deterioration of urban drainage pipes: the
state-of-the-art in statistical methods. Urban Water Journal. Vol. 7, No. 1, 47–59.
ASHLEY, R. FRASER, A. BURROWS, R. BLANKSBY, J. (2001). The management of sediment
in combined sewers. Urban Water 2. ELSEVIER, pp. 263-275.
BREYSSE, D. VASCONCELOS, E. LE GAUFFRE, P. (2003). Decision making in sewer
maintenance strategies: simulation as a practical tool. Centre de Développement des Géosciences
Appliquées, Université Bordeaux. Talence cedex, France. International Journal on Risk Assessment
and Management. pp. 345-375.
DIAZ-GRANADOS, M. RODRIGUEZ, J. (2011). Implementación del Sistema de Mantenimiento
de Alcantarillado (SIMA) Empresa de Acueducto y Alcantarillado de Bogotá. Universidad de los
Andes.
FERNER, R. (2000). Approaches to sewer maintenance: a review. Water Engineering Research
Group, University of Hertfordshire. Urban Water 2. Elsevier 342-356.
GERARD, C. CHOCAT, B. (1999) Prediction of sediment build-up from analysis of physical
network data. Water Science and Technology vol. 39 No. 9. ELSEVIER. Pergamon. 185-192.
GONDRES, I. LAJES, S. RODRÍGUEZ, N. DEL CASTILLO, A. (2007). Utilización de la lógica
difusa en la gestión del mantenimiento caso de estudio. Scientia et Technica año XIII, No 34, Mayo
de 2007. Universidad tecnológica de Pereira, Colombia; pp. 25-30.
KORVING, H. VAN NOORTWIJK, M. (2008). Bayesian updating of a prediction model for sewer
degradation. Urban Water Journal. Vol. 5, No. 1, 49–55.
KOTTEGODA, N. ROSSO, R. (1997). Probability, Statistics, and Reliability for Civil and
Environmental Engineers, McGraw Hill.
MAKROPOULOS, C, K. BUTLER, D. (2005). A Neurofuzzy spatial decision support system for
pipe replacement prioritisation. Urban Water Journal, Vol. 2, No. 3, 141 – 150.
SANHUEZA, J. NÚÑEZ, R. LESTY, Y. (2008). Implementación de un plan integral de
mantenimiento para la red de alcantarillado de A.S. del gran Santiago. XXXI Congreso
interamericano AIDIS, Santiago de Chile 12-15 de Octubre; pp. 450-453.
PEÑALVER, F. KRONBORG, P. DE MIGUEL, C. (2002). Estudio para la identificación de zonas
de sedimentación en colectores de Valdebernardo. Ciencia técnica de la ingeniería civil. Revista de
obras públicas, No 3421. 33-46.
SAMPLES, I. F. AND ZHANG, Z. (2000). Controlling sanitary sewer overflows by preventive
maintenance — a battle against nature. Environmetrics, 11: 449–462.
VAN RIEL, W. (2014). Intuition and information in decision-making for sewer asset management.
Urban Water Journal. Vol. 11, No. 6, 506–518.
XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos
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