Digitalization evolution of urban water infrastructure management to facilitate digital twin technologies adoption

Abuawad, Inas (2026). Digitalization evolution of urban water infrastructure management to facilitate digital twin technologies adoption. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Urban water infrastructure systems are crucial to cities' operations; they deliver vital water services that support public needs and convenience. However, these systems face escalating complex challenges that traditional management approaches struggle to cope with. Planning and design of water infrastructure projects are fundamental for water network functionality. Yet water projects are poorly managed and suffer from complexity and inefficiency due to fragmented legacy practices, insufficient data, and poor collaboration. Digital Twin (DT) technologies offer integrated, data-driven frameworks to enhance project performance over the entire infrastructure life cycle. However, their adoption in the water sector remains limited due to low awareness, a lack of empirical evidence on adoption factors, few case studies, and user acceptance issues. This thesis investigates the causes of slow adoption of DTs among diverse water stakeholders, aiming to facilitate their adoption in water infrastructure management. To achieve this, three empirical studies were conducted in the United Arab Emirates (UAE), a leader of technological innovation in the Middle East and globally.

The first study investigates barriers to adopting DTs during the design and construction of D&C of water projects from the perspective of digitally savvy water stakeholders. A mixed method approach was used, comprising a structured questionnaire followed by a focus group discussion to contextualize and validate the results. The findings first indicate that key barriers are cybersecurity and data availability issues, a lack of standardization, limited government promotion, workforce digital skill gaps, and concerns about incremental costs. Qualitative insights highlight workforce skill capacity gaps as the most salient barrier, followed by cybersecurity, data quality, governance needs, and cultural resistance. The findings demonstrate how workforce, data-technical, cultural, and institutional dimensions collectively shape perceptions of DT adoption in water infrastructure projects. The study provides actionable insights for architecture, engineering, and construction (AEC) managers, technology providers, and government policymakers to facilitate DT integration and strengthen digital capacity, advancing the UAE’s vision for sustainable water management. The study contributes with a refined two-level insight framework on barriers analysis with underlaying factors. Besides, it validates context-specific barriers, adding to the global discourse on digitalization in urban water management. Thereby, it facilitates early-stage adoption and open avenues for future studies on digital transformation in water management.

To address insufficient awareness of adoption drivers and the limited empirical evidence of project success. The second study examines the key drivers and perceived project success of digital water project implementations in the UAE. The analysis focuses on survey responses collected exclusively from digitally experienced stakeholders and triangulates with synthesized qualitative data on water case studies. The survey results indicate that performance optimization, leveraging data to reduce costs, asset-risk mitigation, and public-safety management are the key drivers of DTs adoption. Participants concurred on all drivers, except cost reduction and customer service, reflecting varying organizational priorities. Triangulation with global case studies corroborates the findings but highlights regulatory compliance as a more dominant driver globally than perceived within the UAE context. Both results show that digital twining projects are associated with positive perceptions of project success, as evidenced by goals’ achievement and team satisfaction. The study provides insights for policymakers in the UAE, underscoring the need for adaptive regulatory frameworks, coordinated governance, and clear mandates that connect DTs deployment to asset management and sustainability outcomes. The results advance the emerging literature on digitalization in critical infrastructure. They identify, for the first time, empirical drivers of adoption in the Middle East and offer a perspective on project success, thereby informing water stakeholders and guiding future research directions.

The fast evolution of digital platforms offers new opportunities to improve service delivery through citizen engagement. An Internet of Things (IoT)-enabled application offered by the water authority in Dubai provides the public with alert notifications for high water use. User acceptance is essential for effectively managing water consumption through households' digital tool. However, user acceptance continues to hinder the tool's adoption and successful implementation. The third study proposes an extended acceptance model based on the technology acceptance model (TAM) framework, incorporating relevant factors to predict users’ intentions to use the digital tool. Primary data were collected from Dubai citizens via a cross-sectional survey, resulting in 149 valid responses. The responses were analyzed using structural equation modeling (Weighted Least Squares Mean and Variance-adjusted (WLSMV) in the R programming environment. The results indicate that water security concern (WSC), a novel construct, and perceived usefulness (PU) are the direct enablers of behavioral intention (BI). Mobile self-efficacy (MSE) is a significant positive predictor of perceived ease of use (PEOU), whereas mobile device anxiety (MDA) negatively predicts it. Government policies (GP) significantly influence perceived usefulness (PU). As expected, PEOU positively predicted PU, which in turn significantly predicted BI, underscoring the TAM relationships. The extended model demonstrated substantial predictive power in behavioral intention. The study's implications offer a valid predictive framework for planning digital water tools, extend TAM into governance sustainability settings, and pave the way for further experimental studies on adoption and post-implementation settings.

Titre traduit

Évolution numérique de la gestion des infrastructures d'eau urbaines pour faciliter l'adoption des technologies de jumeaux numériques

Résumé traduit

Les systèmes d'infrastructure hydraulique urbaine sont essentiels au fonctionnement des villes, fournissant des services d'eau indispensables qui soutiennent les besoins et la commodité publiques. Cependant, ces systèmes font face à des défis de plus en plus complexes que les approches de gestion traditionnelles peinent à relever. La planification et la conception des projets d'infrastructure hydraulique sont cruciales pour le bon fonctionnement du réseau d'eau. Pourtant, leur gestion est souvent déficiente, en raison de la complexité et de l'inefficacité causées par des pratiques héritées fragmentées, caractérisées par un manque de données et une faible collaboration. Les technologies de Jumeau Numérique offrent des cadres prometteurs, basés sur les données, pour améliorer la performance des projets tout au long du cycle de vie de l'infrastructure. Cependant, leur adoption dans le secteur de l'eau reste limitée en raison d'une faible sensibilisation, d'un manque de preuves empiriques sur les facteurs d'adoption, de peu d'études de cas, et de problèmes d'acceptation par les utilisateurs. Cette thèse étudie les causes de la lenteur de l'adoption des Jumeaux Numériques parmi les diverses parties prenantes du secteur de l'eau, dans le but de faciliter leur intégration dans la gestion de l'eau. Pour ce faire, trois études empiriques ont été menées aux Émirats arabes unis (EAU), un environnement non contraint financièrement et un leader en innovation technologique au Moyen-Orient et à l’échelle mondiale.

La première étude examine les obstacles à l'adoption des technologies numériques lors de la conception et de la construction de projets hydrauliques, du point de vue des acteurs du secteur de l'eau maîtrisant les outils numériques. Une approche mixte a été utilisée, comprenant un questionnaire structuré suivi d'une discussion de groupe afin de contextualiser et de valider les résultats. Les résultats indiquent que les principaux obstacles sont les problèmes de cybersécurité et de disponibilité des données, le manque de normalisation, la promotion limitée par les pouvoirs publics, les lacunes en compétences numériques de la main-d'œuvre et les préoccupations liées aux coûts supplémentaires. Les analyses qualitatives mettent en évidence les lacunes en compétences de la main-d'œuvre comme l'obstacle le plus important, suivies par la cybersécurité, la qualité des données, les besoins en matière de gouvernance et les résistances culturelles. Les résultats démontrent comment les dimensions liées à la main-d'œuvre, aux données et aux aspects techniques, culturelles et institutionnels façonnent collectivement la perception de l'adoption des technologies numériques dans les projets d'infrastructures hydrauliques. L'étude fournit des pistes concrètes aux gestionnaires des secteurs de l'architecture, de l'ingénierie et de la construction (AIC), aux fournisseurs de technologies et aux décideurs politiques afin de faciliter l'intégration des technologies numériques et de renforcer les capacités numériques, contribuant ainsi à la réalisation de la vision des Émirats arabes unis en matière de gestion durable de l'eau. L'étude propose un cadre d'analyse des obstacles à deux niveaux, enrichi des facteurs sous-jacents. De plus, elle met en évidence les obstacles contextuels, contribuant ainsi au débat mondial sur la numérisation de la gestion de l'eau en milieu urbain. Elle facilite ainsi l'adoption précoce de ces solutions et ouvre la voie à de futures études sur la transformation numérique de la gestion de l'eau.

Pour répondre à la méconnaissance des facteurs d’adoption des DT et au manque de preuves empiriques de succès des projets, la deuxième étude examine les principaux moteurs et la perception du succès des projets d’eau numérique au sein des Émirats arabes unis. L’analyse se concentre sur les réponses à un sondage recueillies exclusivement auprès de parties prenantes expérimentées dans le numérique, et triangule ces données avec des études de cas mondiales sur la digitalisation de l’eau. Les résultats du sondage indiquent que l’optimisation des performances, l’utilisation des données pour réduire les coûts, la mitigation des risques liés aux actifs, et la gestion de la sécurité publique sont les principaux moteurs de l’adoption des DT. Les participants ont partagé un consensus sur tous ces moteurs, sauf pour la réduction des coûts et le service client, ce qui reflète des priorités organisationnelles variées. La triangulation avec des études de cas mondiales confirme ces résultats et met en évidence la conformité réglementaire comme un moteur plus dominant à l’échelle mondiale qu’au sein du contexte des Émirats. Les deux résultats montrent que les initiatives de jumelage numérique sont associées à des perceptions positives du succès des projets, comme en témoigne la réalisation des objectifs et la satisfaction des équipes. L’étude fournit des insights pour les décideurs aux Émirats, soulignant la nécessité de cadres réglementaires adaptatifs, d’une gouvernance coordonnée, et de mandats clairs liant le déploiement des DT à la gestion des actifs et aux enjeux de durabilité. Ces résultats enrichissent la littérature émergente sur la digitalisation des infrastructures critiques en identifiant, pour la première fois, des facteurs empiriques d’adoption au Moyen-Orient. De plus, ils offrent une perspective sur l’évaluation du succès des projets, ce qui informe les acteurs de l’eau et oriente les recherches futures.

L'évolution rapide des applications numériques offre un potentiel pour améliorer la prestation de services en favorisant l'engagement citoyen. Une application basée sur l'Internet des objets (IoT) proposée par l'autorité de l'eau à Dubaï fournit aux usagers des notifications d'alerte en cas de consommation excessive d'eau. L'acceptation par les utilisateurs est essentielle pour gérer efficacement la consommation d'eau via des outils numériques destinés aux ménages. Cependant, malgré la technologie en place, l'acceptation des utilisateurs continue de freiner l'adoption et la mise en œuvre réussie de l'outil. Cette étude propose un modèle d'acceptation étendu basé sur le cadre du modèle d'acceptation de la technologie (MAT), intégrant des facteurs pertinents pour prédire les intentions des utilisateurs à utiliser l'outil. Les données principales ont été recueillies auprès de citoyens de Dubaï via une enquête transversale, aboutissant à 149 réponses valides. Les réponses ont été analysées à l'aide de la modélisation par équations structurelles (MES) dans l'environnement de programmation R. Les résultats indiquent que la préoccupation pour la sécurité de l'eau (PSE), une construction nouvelle, et l'utilité perçue (UP) sont les facteurs directeurs de l'intention comportementale (IC). L'auto-efficacité mobile (AEM) est un prédicteur positif significatif de la facilité d'utilisation perçue (FUP), tandis que l'anxiété liée à l'utilisation des appareils mobiles (AUM) la prédit négativement. Les politiques gouvernementales (PG) influencent significativement l'utilité perçue (UP). Comme prévu, la FUP prédit positivement l'UP, qui à son tour prédit significativement l'IC, soulignant les relations du MAT. Dans l'ensemble, le modèle étendu a démontré une forte capacité prédictive, expliquant 93,2 % de la variance de l'intention comportementale. Les implications de l'étude offrent un cadre prédictif valable pour la planification des outils numériques liés à l'eau, étendent le MAT dans des contextes de gouvernance durable, et ouvrent la voie à de futures études expérimentales sur l'adoption et la post-implémentation.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Manuscript-based thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment for the degree of Doctor of Philosophy". Comprend des références bibliographiques (pages 209-228).
Mots-clés libres:	technologie de jumeau numérique, numérisation de l'eau, obstacles, moteurs, validation, Internet des objets, IoT, acceptation de la technologie, gestion des parties prenantes
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur(-trice) Assaf, Gabriel J.
Codirecteur:	Codirecteur(-trice) de mémoire/thèse Katsanis, Constantine
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	13 mai 2026 19:15
Dernière modification:	13 mai 2026 19:15
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/3905

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