Przykładowo ścieki wypływające z sieci kanalizacyjnej są dopływem ścieków surowych do oczyszczalni ścieków. Jednak traktowanie tych obiektów w sposób autonomiczny ma niekorzystny wpływ na sposób ich informatyzacji, która również ma charakter lokalny i niezależny. Jest to wyraźnie widoczne szczególnie w przypadku sieci wodociągowych i kanalizacyjnych, gdy systemy map numerycznych, systemy monitoringu i nawet modele hydrauliczne wdraża się indywidualnie w każdym obiekcie, zamiast traktować je jako jeden system naczyń połączonych. W rezultacie bardziej zaawansowana próba informatyzacji tych obiektów, dotycząca np. modelowania hydraulicznego sieci, kończy się zwykle niepowodzeniem. Dlatego zalecanym rozwiązaniem jest kompleksowa informatyzacja, obejmująca kilka lub nawet wszystkie obiekty przedsiębiorstwa wodociągowego, traktowane jako jeden system wodno-ściekowy. W efekcie zwiększa się efektywność wprowadzanych technologii informatycznych, redukuje koszty ich wdrażania i zyskuje się możliwość usprawnienia zarządzania przedsiębiorstwem wodociągowym. Realizacja tych celów jest możliwa za pomocą zintegrowanych systemów ICT, rozwijanych i wdrażanych w ścisłej współpracy między wyspecjalizowaną w tym obszarze jednostką naukowo-badawczą, przedsiębiorstwem wodociągowym i profesjonalną firmą informatyczną.

Stan informatyzacji

Stan informatyzacji krajowych przedsiębiorstw wodociągowych jest dosyć niski, mimo istotnego postępu w tym zakresie, dokonanego w ostatnich latach. Przyczyną jest traktowanie obiektów wodociągowych i kanalizacyjnych jako podmiotów niezależnych, informatyzowanych lokalnie, ale również brak odpowiedniej wiedzy kadry kierowniczej przedsiębiorstw na temat możliwości oferowanych przez współczesne rozwiązania informatyczne i także mało efektywna współpraca między przedsiębiorstwami wodociągowymi a krajowymi jednostkami naukowo-badawczymi, mogącymi zaoferować takie rozwiązania. W rezultacie informatyzuje się obiekty przedsiębiorstwa wodociągowego pojedynczo. Nawet w ramach takiej lokalnej informatyzacji działanie zyskuje charakter cząstkowy, a nie kompleksowy. Oznacza to, że informatyzując na przykład sieć wodociągową, zakupuje się i wdraża niezależnie od siebie systemy GIS, monitoringu i bilingowe, a nawet modele hydrauliczne, podczas gdy powinny one od początku być traktowane jako moduły jednolitego systemu informatycznego. Zdarzają się również przypadki podejmowania prac nad modelem hydraulicznym sieci kanalizacyjnej bez wcześniejszego zamodelowania sieci wodociągowej, której wyjście jest przecież sygnałem wejściowym dla sieci kanalizacyjnej. Z tego wynikają problemy z uzyskaniem poprawnych modeli hydraulicznych sieci, które miałyby zastosowanie eksploatacyjne, a wszelkie późniejsze próby, mające na celu integrację wdrożonych wcześniej niezależnie programów są bardzo utrudnione i kosztowne, dlatego niechętnie podejmowane.

Jednocześnie problemy, z którymi borykają się przedsiębiorstwa wodociągowe w zakresie zarządzania sieciami wodociągowo-kanalizacyjnymi, są bardzo liczne. Przykładowo można wymienić usprawnienie odczytu zużycia wody przez użytkowników sieci wodociągowej, wykrywanie i lokalizację awarii w sieci wodociągowej i kanalizacyjnej, w tym wycieków ukrytych, szacowanie strat wody w wyniku awarii sieci wodociągowej, poprawę jakości wody w końcówkach sieci wodociągowej, sterowanie operacyjne siecią wodociągową, w tym sterowanie pompami, zaworami zwrotnymi, reduktorami ciśnienia i zasuwami, optymalizację pracy sieci wodociągowej ze względu na uzyskiwane ciśnienia w węzłach rozbioru wody i sieci kanalizacyjnej ze względu na wypełnienia kanałów, a także planowanie prac inwestycyjnych związanych z rewitalizacją lub rozbudową sieci wodociągowych i kanalizacyjnych. Wszystkie wymienione problemy można obecnie rozwiązywać, stosując odpowiednie algorytmy modelowania matematycznego, optymalizacji i sterowania. Źródłem danych dla tych algorytmów mogą być systemy SCADA i systemy GIS z odnośnymi bazami danych. Na rynku krajowym istnieją firmy rozwijające systemy monitoringu i GIS dedykowane branży wodociągowej. Ponadto na uczelniach i w instytutach badawczych istnieje kadra rozwijająca odpowiednie algorytmy optymalizacyjne oraz modelowania matematycznego.

Systemy ICT

W Instytucie Badań Systemowych PAN od kilkunastu lat prowadzi się prace dotyczące rozwoju systemów ICT dla branży wodociągowej. Obecnie są testowane i w dalszym ciągu rozwijane o kolejne algorytmy trzy systemy dla sieci wodociągowej i jeden dla sieci kanalizacyjnych. Systemy wodociągowe, to MOSUW (Modelowanie-Optymalizacja-Sterowanie-Urządzeń-Wodociągowych), MOSKAN-W (Modelowanie-Optymalizacja-Systemów-Kanalizacyjno-Wodociągowych) i WDS (Water-Design-System), natomiast system kanalizacyjny, to MOSKAN (Modelowanie-Optymalizacja-Systemów-Kanalizacyjnych). Przy tym MOSUW i WDS to programy stacjonarne uruchamiane na lokalnych komputerach, natomiast MOSKAN i MOSKAN-W to aplikacje internetowe, umiejscowione na serwerze IBS PAN z dostępem do nich przy użyciu przydzielonego logina i hasła. Opracowane systemy są w rzeczywistości pakietami współpracujących ze sobą programów wykonujących obliczenia modelowania hydraulicznego sieci wodociągowej lub kanalizacyjnej i optymalizacji, przy czym w systemach MOSKAN-W i WDS obliczenia hydrauliczne sieci wodociągowej są wykonywane za pomocą algorytmu pochodzącego z programu EPANET, natomiast w systemie MOSKAN obliczenia hydrauliczne sieci kanalizacyjnej są wykonywane za pomocą algorytmu zaczerpniętego z programu SWMM5. Wszystkie systemy są zintegrowane z systemem GIS, którego branżowa baza danych jest źródłem danych obliczeniowych do modelowania hydraulicznego i optymalizacji. Rozwiązanie webowe systemów MOSKAN i MOSKAN-W jest przeznaczone dla użytkowników, w tym przedsiębiorstw wodociągowych, niedysponujących własnym systemem GIS, w którym definiuje się mapę numeryczną badanej sieci wodociągowej lub kanalizacyjnej. Systemy MOSKAN-W i MOSUW są obecnie testowane i wdrażane w sieci wodociągowej w GPW w Katowicach. Na rysunku przedstawiono przykładową realizację koncepcji dwóch systemów ICT z modułami obliczeniowymi MOSUW i MOSKAN dla sieci wodociągowych i sieci kanalizacyjnych. Struktura obu systemów jest podobna, przy czym w przypadku systemu z modułem MOSKAN nie występują moduły bilingowy i sterowania operacyjnego.

Podstawą każdego systemu informatycznego są systemy GIS i SCADA (oraz system bilingowy w przypadku sieci wodociągowej), stanowiące źródła danych dla modeli hydraulicznych sieci, oraz model hydrauliczny, będący źródłem danych dla algorytmów optymalizacyjnych. Sprzężenie między systemami GIS a SCADA jest realizowane za pomocą tabel danych generowanych przez odnośne bazy danych w postaci tzw. widoków. W systemie GIS następuje dołączenie do grafu geodezyjnego sieci wodociągowej lub kanalizacyjnej odpowiednio rozbiorów wody, względnie źródeł ścieków. W ten sposób zmodyfikowany graf w postaci odpowiedniej tabeli danych jest importowany przez model hydrauliczny. Model hydrauliczny w systemie ICT w przypadku jedynie obliczeń hydraulicznych korzysta bezpośrednio z zaimportowanego grafu geodezyjnego badanej sieci, natomiast przy obliczeniach optymalizacyjnych graf geodezyjny jest upraszczany do postaci grafu hydraulicznego, pozbawianego nieistotnych dla obliczeń węzłów, co redukuje wymiar obliczanego układu równań opisującego sieć i przyśpiesza obliczenia.

MOSUW dla kanalizacji

Aplikacja MOSUW (rys. 2) składa się z kilkunastu programów, wykonujących np. następujące zadania: planowanie systemu monitoringu na sieci wodociągowej umożliwiającego kalibrację jej modelu hydraulicznego; automatyczna kalibracja modelu hydraulicznego; detekcja i lokalizacja wycieków; modelowanie i prognozowanie obciążenia hydraulicznego sieci względnie wybranych węzłów odbiorczych; sterowanie operacyjne pompami lub zespołami pompowymi w pompowniach źródłowych i przepompowniach strefowych; optymalizacja hydrauliczna sieci; liczenie wieku wody i poprawa jej jakości poprzez sterowanie zasuwami i zmianę prędkości przepływu w przewodach sieci; planowanie rewitalizacji i projektowanie rozbudowy sieci wodociągowej. Programem kluczowym w module MOSUW jest model hydrauliczny sieci wodociągowej (MOSUW-H), wykonujący pojedyncze obliczenia symulacji sieci. Pozostałe programy modułu, rozwiązujące zadania dotyczące zarządzania siecią wodociągową, korzystają także z modelu hydraulicznego, przy czym obliczenia hydrauliczne sieci są wówczas wykonywane wielokrotnie, a liczba tych obliczeń zależy od konkretnego zadania. Może ona być bardzo duża, jeżeli do rozwiązania zadania wykorzystuje się algorytm optymalizacji. Dlatego istotne jest to, aby w obliczeniach hydraulicznych nie stosować grafu geodezyjnego sieci, a jedynie w postaci grafu hydraulicznego. W module MOSUW znajdują się również programy aproksymacji krigingowej do wyznaczania map rozkładów wybranych parametrów sieci wodociągowej, takich jak przepływy, ciśnienia, wiek wody itp. (aplikacja Kriging applications) oraz programy modelowania matematycznego do obliczania obciążenia hydraulicznego sieci wodociągowej (aplikacja Objects identification).

MOSKAN dla wodociągów

MOSKAN to system przeznaczony dla komórek organizacyjnych przedsiębiorstw komunalnych odpowiedzialnych za eksploatację sieci kanalizacyjnych oraz biur projektowych zajmujących się projektowaniem sieci. Pozwala on tworzyć modele sieci kanalizacyjnych ściekowych, deszczowych oraz ogólnospławnych. Na podstawie modeli symulacyjnych można badać zachowanie sieci w różnych wariantach obciążeń, a także użyć systemu jako narzędzia wspomagającego opracowywanie projektów nowych sieci oraz projektów przebudowy sieci związanych ze zmianą warunków eksploatacji. Podstawowe funkcje systemu to: jednoczesna obsługa wielu użytkowników; jednoczesna obsługa wielu projektów definiowanych dla badanych sieci; import i eksport danych w postaci plików tekstowych lub tabel danych; wprowadzanie i modyfikowanie badanej sieci kanalizacyjnej w trybie interakcyjnym; edycja parametrów opisujących elementy sieci; przeprowadzanie symulacyjnych obliczeń hydraulicznych; prezentacja wyników symulacji w postaci tabelarycznej i graficznej; prezentacja animacji obrazującej przeciążenia hydrauliczne w sieci; gromadzenie informacji o stanie technicznym kanałów; optymalizacja, rewitalizacja i projektowanie sieci.

Modelowanie sieci kanalizacyjnej jest bardziej złożone niż modelowanie sieci wodociągowej, gdyż w tym drugim przypadku mamy do czynienia jedynie z modelem sieci, natomiast w przypadku sieci kanalizacyjnej należy zdefiniować również modele źródeł, w tym profile czasowe wpływających do sieci ścieków komunalnych i modele opadów deszczowych, oraz model terenu, na którym jest zlokalizowana sieć. Dlatego bardzo istotne jest to, aby sieć kanalizacyjną modelować po uprzednim zamodelowaniu sieci wodociągowej, której obciążenia węzłowe stanowią źródła ścieków komunalnych dla sieci kanalizacyjnej, i aby model sieci kanalizacyjnej był zintegrowany z systemem GIS, z którego pozyskuje się później model numeryczny zlewni.

Podstawowe i dosyć liczne dane niezbędne do utworzenia modelu hydraulicznego sieci kanalizacyjnej dotyczą więc opisu sieci, opisu źródeł i opisu terenu. W pierwszym przypadku są to struktura sieci, współrzędne x, y, z punktów węzłowych oraz rodzaj materiału, wymiary i chropowatość kanałów, w drugim przypadku są to wielkości strumieni i profile czasowe dopływających ścieków a w trzecim to powierzchnia zlewni, współczynniki nachylenia terenu i parametry określające przepuszczalność gruntu.

Podsumowanie

Podsumowując, warto skupić się na trzech kluczowych kwestiach. Pierwsza dotyczy oceny stanu faktycznego informatyzacji w krajowych przedsiębiorstwach wodociągowych. Należy podkreślić, że jest on ogólnie niezadowalający, a jego cechy charakterystyczne stanowią m.in.: brak w większości przedsiębiorstw wodociągowych systemów GIS dla sieci wod-kan, a jeżeli są one wdrożone, to bez przemyślanej koncepcji ich integracji z modelami hydraulicznymi sieci; brak sieci systemów monitoringu zaplanowanych w ten sposób, aby umożliwiały kalibrację modeli hydraulicznych; brak w przedsiębiorstwach zautomatyzowanych systemów zliczania sprzedanej wody (AMR ? Automatic Meter Reading Systems), umożliwiających dokładne definiowanie ilości i charakterystyk czasowych rozbiorów wody w węzłach odbiorczych sieci wodociągowej; brak w sieciach wodociągowych i kanalizacyjnych skalibrowanych modeli hydraulicznych sieci wspomagających ich bieżącą eksploatację; brak w przedsiębiorstwach wodociągowych narzędzi, a nawet koncepcji do wspomagania zarządzania przedsiębiorstwem lub jego obiektami z wykorzystaniem komputerowych metod modelowania matematycznego i optymalizacji; brak w przedsiębiorstwach zastosowań zintegrowanych systemów ICT dla sieci wodociągowej i kanalizacyjnej; na ogół brakuje również koncepcji integracji już eksploatowanych w przedsiębiorstwie wodociągowym programów komputerowych, takich jak GIS, SCADA czy systemy bilingowe, co umożliwiłoby w przyszłości stworzenie jednolitego systemu informatycznego, usprawniającego pracę przedsiębiorstwa.

Druga kwestia dotyczy przyczyn przedstawionej sytuacji. Można wymienić ich kilka, np. brak całościowej, a nie fragmentarycznej wiedzy o możliwościach współczesnych technik i technologii informacyjnych; chroniczny brak pieniędzy na innowacje informatyczne, szczególnie w małych i średnich przedsiębiorstwach wodociągowych; niemożność łatwego i szybkiego zapoznania się kadry technicznej przedsiębiorstwa wodociągowego z produktami informatycznymi oferowanymi aktualnie przez firmy informatyczne i krajowe jednostki naukowo-badawcze; brak zorganizowanej i systematycznej współpracy między przedsiębiorstwami wodociągowymi a uczelniami i instytutami badawczymi; brak w kraju i Unii Europejskiej odpowiednich programów badawczych o charakterze aplikacyjnym, dopasowanych do potrzeb i możliwości przedsiębiorstw wodociągowych i dedykowanych branży wodociągowej; brak ogólnie koncepcji poprawy sytuacji w sposób systemowy. Wymienione przyczyny powodują, że kolejnym istotnym powodem braku kompleksowych wdrożeń informatycznych w przedsiębiorstwach wodociągowych jest również niechęć zarządów przedsiębiorstw komunalnych do angażowania się w przedsięwzięcia i projekty krajowe czy regionalne o charakterze badawczo-rozwojowym. Wymagają one bowiem ze strony przedsiębiorstwa zadeklarowania środków finansowych na realizację badań, w pewnym stopniu komplikują dotychczasowy tryb pracy załogi i jednocześnie ? obciążając zwykle przedsiębiorstwo odpowiedzialnością za brak sukcesów ? nie dają gwarancji, że założone cele zostaną w pełni osiągnięte, gdyż prowadzone w ramach takich projektów prace mają charakter działań innowacyjnych, a więc nie w pełni przewidywalnych.

Trzecia kwestia dotyczy warunków, które umożliwiłyby przezwyciężenie dotychczasowego impasu i usprawniłyby informatyzowanie przedsiębiorstw wodociągowych. Pierwszy warunek to organizowanie w skali kraju szkoleń dla kadry kierowniczej i technicznej przedsiębiorstw wodociągowych na temat nowoczesnych technik informacyjnych wspomagających zarządzanie przedsiębiorstwem, odnośnych produktów narzędziowych dostępnych na rynku, a także firm informatycznych rozwijających te narzędzia. Szkolenia powinny mieć charakter kompleksowy i umożliwiać porównanie oferowanych metod, algorytmów oraz produktów. Drugi warunek, to stworzenie mechanizmów organizacyjnych i finansowych, umożliwiających współpracę przedsiębiorstw wodociągowych z krajowymi uczelniami i instytutami badawczymi, co pozwoliłoby obu stronom sformułować i sformalizować problemy eksploatacyjne występujące w przedsiębiorstwach i ocenić potencjał jednostek naukowych, umożliwiający ich rozwiązanie. Trzeci warunek, to organizacja i uruchomienie odpowiednich programów badawczo-rozwojowych, dopasowanych do potrzeb i możliwości branży wodociągowej, które, umożliwiając dofinansowanie prac o charakterze innowacyjnym, nie obciążałyby przedsiębiorstw oraz także publicznych instytutów badawczych odpowiedzialnością finansową za brak założonych efektów, gdy nie było to świadomie zawinione przez którąś ze stron.

 

Artykuł został napisany w ramach projektu NCBiR nr POIG.01.03.01-14-034/12, współfinansowanego przez Unię Europejską i realizowanego w ramach Programu Operacyjnego Innowacyjna Gospodarka, oś priorytetowa: Badania i rozwój nowoczesnych technologii, działanie 1.3. Wsparcie projektów B+R na rzecz przedsiębiorców, realizowanych przez jednostki naukowe, poddziałanie 1.3.1. Projekty rozwojowe.

 

Źródła

  1. Służalec A., Studziński J., Wójtowicz P., Ziółkowski A.: Erstellung des hydraulischen Modells eines kommunalen Abwassernetzes und dessen Kalibrierung anhand echter Daten. [w:] Nguyen Xuan Thin: Modelierung und Simulation von Ökosystemen, Reihe: Umweltinformatik. Workshop Kölpinsee 2013. Rhombos-Verlag Berlin 2014.
  2. Sluzalec A., Studzinski J., Ziolkowski A.: MOSKAN-W – the web application for modelling and designing of water supply system. [w:] Wittmann J.: Simulation in Umwelt- und Geowissenschaften, Reihe: Umweltinformatik. ASIM-Mitteilung AM 150. Workshop Osnabrück 2014.
  3. Stachura M., Fajdek B., Studziński J.: Optimization of water supply network rehabilitattion usung genetic algorithms. Industrial Simulation Conference (ISC 2014). 11-13.06.2014. Hoegskolan. EUROSIS 2014.
  4. Stachura M., Studziński J.: Prognozowanie obciązenia hydraulicznego miejskiego systemu wodociągowego z wykorzystaniem modeli rozmytych typu TSK. ?Ochrona Środowiska? 1/2014.
  5. Rojek I., Studziński J.: Comparison of different types of neuronal nets for failures location within water supply networks. ?Maintenance and Reliability? 1/2014.
  6. Studzinski J.: O kapitale ludzkim i społecznym, o zarządzaniu nimi i ich wpływie na rozwój organizacji. Studia i Materiały Polskiego Stowarzyszenia Zarządzania Wiedzą. 2013.
  7. Studziński J.: Some algorithms supporting the water network management by use of simulation of network hydraulic model. Industrial Simulation Conference (ISC 2014). 11-13.06.2014, Hoegskolan, EUROSIS 2014.
  8. Studzinski J., Kurowski M.: Water network pumps control reducing the energy costs. 28th International Conference on Informatics for Environmental Protection. Oldenburg 10-12.09.2014.
  9. Studziński J., Kurowski M.: Computer aided planning of water nets revitalization. [w:] Brito A.C., Tavares J.M., de Oliveira C.B.(eds): Modelling and Simulation 2014. The European Simulation and Modelling Conference 2014. EUROSIS 2014.
  10. Studziński J., Służalec A., Ziółkowski A.: Wspomagane komputerowo kompleksowe zarządzanie miejskimi sieciami wodociągowo-kanalizacyjnymi. [w:] Dymaczewski Z., Jeż-Walkowiak J., Nowak M. (red.): Zaopatrzenie w wodę, jakość i ochrona wód. PZITS Poznań 2014.
  11. Studziński J., Wójtowicz P., Zimoch I.: Concept of an Integrated ICT System for the management of the Large-Scale Water Distribuiton Network of the Upper Silesian Waterworks in Poland. Proceedings of the IWA 6th Eastern European Young Water Professionals Conference ?EAST Meets WEST?. Instabul, 28-30 May 2014.
  12. Wójtowicz P., Pawlak A., Studziński J.: Automated meter reading for water demand forecast and hydraulic modelling of the municipal water distribution system in Mikołów, Poland. 11th International Conference on Hydroinformatics HIC 2014. NY City, USA, 17-21.08.2014.