Narzędzia informatyzacji miejskich sieci wodociągowych

Informatyzacja, a właściwie komputeryzacja krajowych przedsiębiorstw wodociągowych trwa już kilkadziesiąt lat, uległa przyspieszeniu w latach 90. po transformacji ustrojowej i postępuje szybciej od momentu wejścia Polski do Unii Europejskiej. Przyczyny tego to gwałtowny rozwój technologii komputerowych w ostatnim ćwierćwieczu oraz dostęp krajowych przedsiębiorstw do nowoczesnych rozwiązań informatycznych w ostatnich latach. Wydawało się, że dostępność światowych rozwiązań powinna szybko doprowadzić do wyrównania się poziomów informatyzacji: światowego i krajowego w polskich przedsiębiorstwach wodociągowych, jednak tak się nie stało. Uzyskany dotychczas efekt, to nierównomierna, niejednorodna i dosyć chaotyczna informatyzacja przedsiębiorstw.

 

Są dwie podstawowe przyczyny dosyć mizernego stanu informatyzacji krajowych przedsiębiorstw wodociągowych. Pierwszą z nich jest fakt, iż przedsiębiorstwa nie mają na ogół wiedzy o możliwościach oferowanych przez informatykę w zakresie usprawnienia ich pracy. Kolejnym powodem są koszty. Nowe technologie informatyczne są drogie i przedsiębiorstwa niechętnie przeznaczają środki na cele o wątpliwych, z ich punktu widzenia, korzyściach.

W rezultacie w większości przedsiębiorstw wodociągowych w kraju stan informatyzacji jest niski. Technologie informatyczne wprowadza się w nich w sposób samodzielny i niezorganizowany i jednocześnie jest im trudno decydować się na duże wydatki dotyczące spraw, o których mało wiedzą.

Właściwa i zgodna ze światowymi trendami informatyzacja przedsiębiorstwa wodociągowego polega na wdrażaniu zintegrowanych systemów informatycznych. Systemy te realizują w sposób kompleksowy funkcje techniczne i organizacyjno-administracyjne zarządzania przedsiębiorstwem.

Aby taka informatyzacja mogła nastąpić, muszą być spełnione pewne warunki, m.in. duże zaangażowanie pracowników i kadry kierowniczej, odpowiednia organizacja pracy przy wdrażaniu nowych rozwiązań informatycznych, a także wprowadzenie pewnych zmian w strukturze organizacyjnej przedsiębiorstwa.

Spełnienie tych warunków jest, niestety, uciążliwe, czasochłonne i bardzo kosztowne. W rezultacie na ogół nigdy nie postępuje się w ten sposób. Powszechnie kupuje się pojedyncze programy przeznaczone do realizacji różnych zadań i wdrażane w różnych działach przedsiębiorstwa. Nie przewiduje się przy tym współpracy tych programów.

Powoduje to, że po pewnym czasie w przedsiębiorstwie funkcjonuje wiele programów pochodzących z wielu firm, a ich obsługa i administrowanie nimi stają się coraz trudniejsze i wymagają zaangażowania coraz większej liczby osób. Czasami taka informatyzacja zamiast usprawniać pracę przedsiębiorstwa, komplikuje ją.

 

Aby ta sytuacja uległa zmianie, należy spełnić kilka kluczowych wymagań. Powinno się prowadzić szeroką, odpowiednio zorganizowaną akcję informacyjną i promocyjną dla branży wodociągowej, podczas której trzeba ukazywać zalety, możliwości i światowe trendy rozwoju technologii informatycznych stosowanych w przedsiębiorstwach wodociągowych. Należałoby uruchomić również mechanizmy finansowe, wspomagające przedsiębiorstwa wodociągowe wdrażające nowoczesne technologie informatyczne, oraz skuteczne mechanizmy transferu technologii z instytutów badawczych do przedsiębiorstw wodociągowych. Zasadniczo te działania są prowadzone, jednak często nie dba się o ich skoordynowanie, a ich skuteczność jest niewielka.

Należy zastosować podejście wiążące wszystkie działania w jedną całość i uzależniające je od siebie. W efekcie dostępna będzie wiedza o tym, jakie są obecnie możliwości nowoczesnych narzędzi informatycznych, jakie prace badawczo-rozwojowe prowadzi się w poszczególnych instytutach badawczych i jakie są potrzeby przedsiębiorstw wodociągowych w zakresie rozwiązań oraz technologii informatycznych.

 

Powszechna praktyka informatyzacji krajowych przedsiębiorstw wodociągowych polega na zakupie programów komputerowych do realizacji pojedynczych zadań i na ich samodzielnym uruchamianiu bez przewidywania ich wzajemnej współpracy. W wielu przedsiębiorstwach wdraża się obecnie systemy mapy numerycznej sieci wodociągowych, w części przedsiębiorstw instaluje się na sieciach systemy monitoringu, w niektórych próbuje się stosować modele hydrauliczne sieci. Wadą takich działań jest to, że są podejmowane i prowadzone niezależnie od siebie, a wymienione systemy są traktowane jako autonomiczne, niewspółpracujące ze sobą programy komputerowe.

Mapa numeryczna traktowana autonomicznie służy jako źródło informacji graficznych, technicznych i technologicznych o sieci wodociągowej, do wizualizacji komputerowej sieci oraz do wykonywania różnych, związanych z nią analiz tematyczno-przestrzennych (rys. 1). Takie analizy, to na przykład wskazanie zasuw na sieci, które należy zamknąć w przypadku awarii, aby odciąć dopływ wody do uszkodzonego przewodu, lub zobrazowanie lokalizacji i zasięgu działania wszystkich czynnych hydrantów przeciwpożarowych na danym obszarze, co stanowi istotną informację dla straży pożarnej przyjeżdżającej na miejsce pożaru.

 

Działający w sposób autonomiczny system monitoringu służy do rejestracji, wizualizacji komputerowej i archiwizacji pomiarów przepływów i ciśnień przesyłanych z punktów pomiarowych rozmieszczonych na sieci wodociągowej, przede wszystkim na ujęciach wody, w przepompowniach strefowych i na końcówkach sieci. Można go użyć również do realizacji prostego algorytmu wykrywania nietypowych stanów pracy sieci, spowodowanych np. awariami (rys. 2).

 

Algorytm ten polega na wyznaczeniu pewnych standardowych krzywych ciśnienia i przepływu dla określonych punktów pomiarowych systemu monitoringu i porównywaniu ich z aktualnymi przebiegami mierzonych parametrów. W przypadku wystąpienia istotnych różnic między standardową i mierzoną krzywą ciśnienia lub przepływu w danym punkcie można wnioskować o stanie awaryjnym na sieci.

Z kolei model hydrauliczny sieci wodociągowej (po jego kalibracji) służy do obliczania przepływów i ciśnień we wszystkich przewodach i węzłach sieci wodociągowej. W przypadku poprawnie przeprowadzonej kalibracji, czyli dopasowaniu modelu do pracującego obiektu, wyniki obliczeń hydraulicznych mogą stanowić ważne źródło informacji o jakości pracy sieci (rys. 3).

 

Problem polega na tym, że chociaż każdy z przedstawionych programów jest użyteczny, to działając niezależnie, nie wykorzystują wszystkich możliwości, jakie pojawiają się w przypadku, gdy nastąpi ich współpraca. Sprzęgnięcie tych programów w ramach zintegrowanego systemu informatycznego znacznie rozszerza zakres ich użyteczności.

 

W Instytucie Badań Systemowych Polskiej Akademii Nauk opracowano i przetestowano koncepcję zintegrowanego informatycznego systemu zarządzania miejskim systemem zaopatrzenia w wodę. System ma otwartą budowę modułową i składa się z pięciu podstawowych modułów: systemu GIS generującego mapę numeryczną sieci wodociągowej, systemu SCADA monitoringu sieci, systemu bilingowego CIS (Customers Information System) do rejestracji ilości sprzedanej wody i archiwizacji użytkowników sieci wodociągowej, modelu hydraulicznego sieci oraz programu optymalizacji wielokryterialnej.

Ponadto system zawiera w swojej strukturze szereg dodatkowych programów zintegrowanych z wymienionymi modułami i wykonujących zadania cząstkowe, związane z zarządzaniem siecią wodociągową.

Branżowa Baza Danych (BBD) systemu GIS gromadzi informacje techniczne, technologiczne i ekonomiczne, niezbędne do zarządzania siecią. BBD jest elementem integrującym wszystkie moduły i programy systemu. Poprzez specjalne pliki buforowe zachodzi wzajemna komunikacja między modułami systemu (rys. 4). Dzięki temu mechanizmowi komunikacji wszystkie programy mogą ze sobą współpracować.

 

Wszystkie programy systemu mogą być uruchamiane również w sposób autonomiczny. Model hydrauliczny zawarty w strukturze systemu wyznacza średnie dobowe lub bieżące godzinowe przepływy i ciśnienia w sieci. W modelu hydraulicznym można zadawać do obliczeń symulacyjnych rozbiory węzłowe lub odcinkowe. Obliczenia hydrauliczne są wykonywane na podstawie grafów obliczeniowych sieci generowanych przez system GIS mapy numerycznej. Grafy sieci wodociągowej są generowane przez system GIS w trzech wersjach – jako: grafy maksymalne, grafy minimalne i grafy mieszane. Grafy maksymalne wykorzystywane są do wykonywania pojedynczych obliczeń hydraulicznych sieci wodociągowej. Grafy minimalne i mieszane służą do rozwiązywania zadań optymalizacji, projektowania i sterowania operacyjnego siecią.

Model hydrauliczny jest sprzęgnięty z systemem CIS, skąd pozyskuje dane o okresowych rozbiorach w węzłach użytkowników sieci. Sprzęgnięcie mapy numerycznej z modelem hydraulicznym umożliwia rozwiązywanie zadania optymalnego doboru punktów pomiarowych dla systemu monitoringu. Przy lokalizacji punktów pomiarowych należy minimalizować ich liczbę i maksymalizować ilość dostarczanej przez nie informacji. Liczba punktów pomiarowych zależy w ogólnym przypadku od wielkości i złożoności badanej sieci wodociągowej. Transmisja danych między punktami pomiarowymi i programem wizualizacji systemu monitoringu może się odbywać za pomocą telefonii komórkowej w systemie GPRS (transmisja pakietowa) lub drogą radiową przy użyciu radiomodemów. Z modelem hydraulicznym współpracuje program optymalizacji wielokryterialnej. Program optymalizacji umożliwia definiowanie do dziesięciu funkcji kryterialnych. Sprzęgnięcie mapy numerycznej z modelem hydraulicznym i programem optymalizacji umożliwia wykonywanie zadań optymalizacji, projektowania i sterowania siecią wodociągową oraz automatyczną kalibrację modelu hydraulicznego. Sprzęgnięcie mapy numerycznej z systemem monitoringu i programem optymalizacji pozwala na wykonywanie automatycznej kalibracji i rekalibracji modelu hydraulicznego (rys. 5).

 

Sprzęgnięcie mapy numerycznej z modelem hydraulicznym i systemem monitoringu umożliwia rozwiązywanie zadania lokalizacji awarii i wycieków w sieci wodociągowej w sposób bardziej złożony i dokładny niż jest to możliwe w przypadku użycia jedynie systemu monitoringu. W strukturze systemu informatycznego znajduje się program aproksymacji przestrzennej z użyciem algorytmów krigingowych. Sprzęgnięcie mapy numerycznej z modelem hydraulicznym i programem aproksymacji krigingowej umożliwia wyznaczanie współrzędnych wysokościowych punktów węzłowych sieci wodociągowej. Punkty węzłowe sieci są niezbędne do wygenerowania grafu obliczeniowego sieci, pozwalającego na uruchomienie modelu hydraulicznego. Sprzęgnięcie mapy numerycznej z modelem hydraulicznym i programem aproksymacji krigingowej umożliwia również wyznaczanie map rozkładów przepływów i ciśnień w sieci wodociągowej (rys. 6). Mapy rozkładów przepływów i ciśnień umożliwiają operatorowi sieci szybką jakościową ocenę stanu jej pracy i lokalizację obszarów o niewłaściwych prędkościach lub ciśnieniach wody.

Opracowany system informatyczny realizuje następujące podstawowe funkcje zarządzania siecią wodociągową: komputerowa wizualizacja sieci lub jej wybranych fragmentów, wyznaczanie aktualnego stanu pracy sieci, optymalizacja, projektowanie i sterowanie operacyjne siecią oraz lokalizacja ukrytych wycieków wody.

Przedstawiony system informatyczny służy obecnie do tzw. zarządzania twardego (hard management) siecią wodociągową. Są to zadania o charakterze technicznym.

Inna sfera zarządzania obejmuje zadania o charakterze organizacyjno-administracyjno-finansowym. Wchodzą one w zakres tzw. zarządzania miękkiego (soft management). Opracowany system informatyczny jest obecnie rozbudowywany również o takie funkcje. Dokonuje się integracji już opracowanych modułów systemu z nowymi programami o charakterze zarządczym. Są to programy zwykle już eksploatowane w przedsiębiorstwie wodociągowym, takie jak: program obsługi finansowo-księgowej, program rejestracji i nadzoru wydawanych warunków technicznych, program rejestracji odbiorów technicznych sieci wodociągowej, program rejestracji awarii występujących w sieci oraz program obsługi planowanych przeglądów eksploatacyjnych sieci.

Włączenie tych programów do struktury systemu informatycznego zwiększy jego funkcjonalność a także zintegruje pracę działów przedsiębiorstwa wodociągowego.

 

 

Instytut Badań Systemowych PAN,

Warszawa

 

1.                  Bałut A.: Komputerowe wspomaganie w zarządzaniu systemami wodociągowymi. „Wodociągi i Kanalizacja” 12/2009.

2.                  Bałut A., Urbaniak A.: GIS w modelowaniu i analizie sieci wodociągowych. „Wodociągi i Kanalizacja” 1/2010.

3.                  Karczmarska D.: Informatyzacja wodociągów krajowych. Raport IBS PAN, RB 08/2008. Warszawa 2008.

4.                  Pawlak A.: Modelowanie i optymalizacja układu dystrybucji wody. Raport IBS PAN, RB 07/2008. Warszawa 208.

5.                  Studziński J.:Wspomaganie zarządzania miejskim przedsiębiorstwem wodociągowym za pomocą informacji z systemów monitoringu i mapy numerycznej. Studia i materiały PSZW, tom 14. PSZW. Bydgoszcz 2008.

6.                  Studzinski J.: Some algorithms supporting the computer aided mamagement of communal water nets. [w:] Al-Akaidi M. (ed.): Modelling and Simulation’2009. EUROSIS-ETI Publication Leicester, UK 2009.

7.                  Studzinski J.: Waternet modelling and model calibration for the waterworks management. Studia i Materiały PSZW, tom 24. PSZW. Bydgoszcz 2009.

8.                  Studzinski J., Straubel R.: Optymalizacja i sterowanie miejskiej sieci wodociągowej na podstawie modeli matematycznych. Studia i Materialy PSZW, tom 10. PSZW. Bydgoszcz 2007.

9.                  Żyła A.: System monitoringu sieci wodociągowej w Rzeszowie. Raport IBS PAN, RB 09/2008. Warszawa 2008.