Информационно-вычислительный комплекс для автоматизации диспетчерского управления системами водоснабжения и водоотведения

Алексеев Александр Владимирович; Новицкий Николай Николаевич; Мелехов Евгений Сергеевич

УДК 004.94, 628.14, 628.218

ИНФОРМАЦИОННО-ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ АВТОМАТИЗАЦИИ ДИСПЕТЧЕРСКОГО УПРАВЛЕНИЯ СИСТЕМАМИ ВОДОСНАБЖЕНИЯ И ВОДООТВЕДЕНИЯ

1 2

, Институт систем энергетики им. Мелентьева СО РАН, 664033, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 130. 3Иркутский государственный технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.

Рассмотрена необходимость создания автоматизированного рабочего места диспетчера систем водо-снабжения и водоотведения. Проанализированы проблемы управления режимами водоснабжения и водоотведения. Сформулированы требования к разрабатываемому вычислительному комплексу. Описаны технология генерации оперативных схем и программные средства ее поддержки. Апробация программ проводилась в МУП «Водоканал» г. Иркутска.

Ил. 6. Библиогр. 3 назв.

Ключевые слова: водоснабжение; водоотведение; автоматизированное рабочее место диспетчера; оперативная схема; ИВС «АНГАРА».

INFORMATION-COMPUTER ENVIRONMENT TO AUTOMATE DISPATCHER'S SUPERVISORY CONTROL OF WATER SUPPLY AND SEWAGE NETWORK SYSTEMS A.V. Alekseev, N.N. Novitskii, E.S. Melekhov

Melentiev Energy Systems Institute SB RAS, 130 Lermontov St., Irkutsk, 664033, Russia. Irkutsk State Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia.

The task to create an automated working place for water supply and sewage disposal dispatcher is considered. The article deals with the problems of water supply and sewage network mode control; formulates the requirements for the developed computer complex and describes the technology for operational diagram generation as well as software to support it. The developed programs have been tested in Irkutsk Municipal Unitary enterprise "Vodokanal". 6 figures. 3 sources.

Key words: water supply; sewage disposal; dispatcher's automated working place; operational diagram; information -computer environment "Angara".

Создание систем подачи и распределения воды и систем водоотведения, в основном завершившееся к середине 80-х годов прошлого века, позволило решить проблему обеспечения водой быстро растущих городов и промышленных центров России. В процессе становления рыночной экономики, наряду с несомненными экономическими преимуществами таких систем, отчетливо проявились и их недостатки, связанные с недостаточной управляемостью, надежностью, оснащенностью контрольно-измерительными приборами. В последние десятилетия также имеют место тенденции общего старения оборудования, резкого изменения структуры и уровня нагрузок, недостаточной интенсивности работ по развитию и рекон-

струкции систем водоснабжения (ВСС) и водоотведения (СВО). Это, в свою очередь, приводит к непроектным режимам их работы, росту потерь воды и затрат электроэнергии на перекачку, повышенной аварийности, нарушениям в обеспечении потребителей.

Отсутствие полномасштабных информационно-измерительных, расчетно-аналитических и управляющих систем для предприятий водопроводно-канализационного хозяйства (ВКХ) городов России до настоящего времени являлись основным сдерживающим фактором повышения эффективности управления функционированием ВКХ. На большинстве предприятий в лучшем случае обеспечивается сбор информации о давлениях на НС и в отдельных харак-

1Алексеев Александр Владимирович, кандидат технических наук, старший научный сотрудник лаборатории трубопроводных систем, тел.: 89025160606, e-mail: alexeev@isem.sei.irk.ru

Alekseev Alexander, Candidate of technical sciences, Senior Researcher of Pipeline System Laboratory, tel.: 89025160606, e-mail: alexeev@isem.sei.irk.ru

2Новицкий Николай Николаевич, доктор технических наук, главный научный сотрудник, зав. лабораторией трубопроводных систем, тел.: 89501441579, e-mail: pipenet@isem.sei.irk.ru

Novitskii Nikolai, Doctor of technical sciences, Chief Researcher of Pipeline Systems Laboratory, tel.: 89501441579, e-mail: pipenet@isem.sei.irk.ru

Мелехов Евгений Сергеевич, кандидат технических наук, доцент кафедры городского строительства и хозяйства, тел.: 89086624237, e-mail: melechov@istu.edu

Melekhov Evgeny, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Urban Development and Municipal Economy, tel.: 89086624237, e-mail: melechov@istu.edu

терных (диктующих) точках сети, значительно реже -

0 расходах. При этом господствующее положение занимает концепция управления режимами по регламенту, который вырабатывался на основе многолетнего опыта эксплуатации систем.

Для организации эффективного управления системами ВКХ в постоянно меняющихся условиях требуется наличие актуальных оперативных электронных схем (ОС). Кроме того, необходим комплекс быстродействующих программ для проведения гидравлических расчетов и выработки рекомендаций по управлению ВСС и СВО. Не менее важным является и создание единой информационной системы предприятия, позволяющей координировать решения различных служб по управлению объектами ВКХ.

Ниже излагается опыт разработки информационно-вычислительного комплекса (ИВК) для автоматизации процессов диспетчерского управления ВСС и СВО и его применения на ВКХ г. Иркутска.

На балансе МУП «Водоканал» содержится более

1 тыс. км водопроводных сетей и около 1 тыс. км сетей водоотведения, 35 водопроводных НС второго-третьего подъема, 69 канализационных НС. Характерная особенность ВСС г. Иркутска - сильная закольцо-ванность сетей, отчего возникает невозможность выделения отдельных фрагментов, присоединенных к

основной сети единственным узлом, и необходимость выполнения гидравлических расчетов на полной расчетной схеме размерностью более 20 тыс. узлов. А их в схеме свыше 50 тыс. Трудности ее моделирования, в том числе, обусловлены неоднородностью структуры сетей с напорным и безнапорным режимами течения, причем во многих случаях тоже закольцованных.

На предприятии существует телеметрическая система сбора данных по давлениям, состоянию насосного оборудования и потребляемой электроэнергии по основным НС, но данные по расходу доступны только для водопроводной НС второго подъема. Кроме этого, имеется дистанционное измерение давления в нескольких диктующих точках сети. Общий вид схемы водоснабжения представлен на рис. 1.

При разработке и внедрении необходимого информационно-вычислительного комплекса для ВКХ ставились следующие цели:

1. Создание единого информационного пространства предприятия; организация доступа различных подразделений к информации; интеграция ИВК в существующую автоматизированную систему; исключение дублирования информации различными службами предприятия.

2. Поддержка систем двух типов: ВСС и СВО.

Рис. 1. Схема водоснабжения г. Иркутска

3. Создание электронных ОС для ВСС и СВО г. Иркутска. Развитие программных средств поддержки ОС при диспетчерском управлении.

4. Формирование электронных журналов повреждений и переключений.

5. Внедрение разработанного в ИСЭМ СО РАН программно-вычислительного комплекса (ПВК) «АНГАРА-ВС» [1] для проведения гидравлических расчетов ВСС и автоматизация графического анализа нарушений режима на ОС и пьезометрических графиках.

6. Интеграция разработанного в НИ ИрГТУ программного комплекса для расчета режимов СВО [2], построения продольных профилей канализационных сетей.

Существовавшая схема информационного обеспечения подразделений ВКХ характеризовалась значительной разрозненностью информации, ее дублированием, трудностями доступа и обмена между разными службами. Для устранения этих проблем был реализован прообраз единого информационного пространства, основанный на использовании информационно-вычислительной среды (ИВС) «АНГАРА» [3] и СУБД SQL Server. Вся технологическая информация, связанная с ВСС и СВО и их подсистемами, хранится в единой базе данных, к которой предоставлен доступ всем сотрудникам в соответствии с их должностными обязанностями (рис. 2). Во избежание внесения ошибок однозначно определено место ввода разного типа данных. Для каждого пользователя обусловливается состав и форма отображаемых данных (типы систем,

управляющие элементы, состав по элементам, выделения на схеме и пр.).

Реализованные в ИВС «АНГАРА» принципы многоуровневого моделирования позволяют формировать ОС трех типов:

• иерархические (каждый элемент схемы верхнего уровня может быть представлен собственной схемой нижнего уровня);

• параллельные (из схем элементов собирается дополнительная схема верхнего уровня большей степени детальности);

• вложенные (при изменении масштаба отображения схемы ее элементы заменяются собственными схемами).

Для диспетчерского управления ВСС и СВО, с точки зрения оперативности доступа к первичным управляющим элементам (задвижки, насосы), наиболее подходит последний вариант, при котором ОС автоматически формируется из расчетной схемы верхнего уровня путем раскрытия схем НС, колодцев, камер, резервуаров и др. При этом значительно увеличивается размерность построения. Так, для схемы ВСС г. Иркутска число узлов увеличивается с 20 тыс. до 50 тыс. А с учетом схемы водоотведения общее число узлов превышает 100 тыс., что выдвигает повышенные требования к быстродействию функций «отрисовки» ОС. Формирование ОС максимально автоматизировано. Так, создание схемы колодца или камеры происходит автоматически по команде пользователя, которому нужно лишь указать, на каких ветвях установлены задвижки.

Телеметрия

Данные по абонентам

SQL Server

БД ИВС «АНГАРА» БЛ Журнал диспетчера

БД 1С Предприятие

инженер по режимам

главный инженер

ПТО Цех водопровода Цех канализации Цех НС

Рис. 2. Единое информационное пространство предприятия ВКХ

Электронная ОС (рис. 3) для решения информационных и диспетчерских задач включает следующие составляющие:

• адресный план города;

• схемы водопроводных и канализационных сетей города;

• схемы сетевых сооружений (водозаборы, НС, резервуары, пожарные гидранты, водопроводные камеры и колодцы с установленными в них насосными агрегатами, КИП, запорно-регулирующей арматурой);

• данные по параметрам элементов сетей и сетевых объектов ВСС и СВО;

• данные по паспортным характеристикам объектов и оборудования ВСС и СВО;

• данные по нагрузкам абонентов, типам установленных приборов учета, показаниям приборов учета из единой информационной системы предприятия;

• связь абонентов системы СВО с потребителями схемы СПРВ для получения данных по объемам стоков.

Для решения информационных и аналитических задач были реализованы программные средства поддержки ОС. Вопросы, связанные с созданием схем

сетевых сооружений, построением ОС, поиском на оперативной схеме, просмотром данных по элементам схемы и т.п., решаются непосредственно в ИВС. Для ОС доступны все имеющиеся в ИВС «АНГАРА» аналитические функции, связанные с представлением информации на схеме. Пользователи имеют возможность выделять элементы схемы цветом и размером в зависимости от значений произвольных параметров (давление, геодезические отметки, расходы, диаметры участков, ФИО ответственных мастеров и пр.), в том числе контролировать выход параметров за пределы допустимой области. Отдельно разработан блок топологических задач, позволяющий путем переключения запорной арматуры в колодцах, камерах и НС включать или отключать фрагменты сети (например, поврежденного участка трубопровода). При этом выбор запорной арматуры может производиться как автоматически (поиск ближайших секционирующих задвижек), так и по указанию пользователя (рис. 4). В результате отключение фрагмента сети формируются отчеты о последствиях отключения (количество потребителей по каждой категории, суммарная нагрузка, объем опорожняемой сети и др.).

Рис. 3. Фрагмент электронной оперативной схемы

Рис. 4. Отключение фрагмента сети на оперативной схеме

Все результаты переключений, проведенных на ОС, автоматически переносятся на расчетную схему, с которой работают задачи расчета потокораспределе-ния, проверки допустимости режима, построения пьезометрических графиков и другие, входящие в программно-вычислительный комплекс «АНГАРА-ВС».

Основное назначение ИВК «АНГАРА-ВС» - автоматизация процессов разработки эксплуатационных режимов (основных, ремонтных, послеаварийных) водопроводных сетей произвольной конфигурации (разветвленные, многоконтурные), структуры (с любым числом и размещением источников, НС, проме-

жуточных узлов регулирования и других элементов) практически любой размерности. При этом возможно проведение как расчета отдельно взятого уровня (например, магистральной или распределительной сети), так и многоуровневого расчета режима ВСС в целом.

Программный комплекс по расчету СВО позволяет проводить гидравлические расчеты, строить профили канализационной сети. Программный комплекс и заложенная в него методика могут быть использованы при определении степени загрузки сети, мест засорений и зарастаний (рис. 5).

Рис. 5. Профиль канализационной сети при засорении участка

Создание единой электронной ОС и программных средств ее поддержки обеспечивает следующие новые возможности:

• наглядное представление разнородной информации о схемах и параметрах ВСС и СВО;

• многоуровневую организацию данных по структуре и параметрам ВСС и СВО, обеспечивающую степень детализации информации вплоть до запорно-регулирующей арматуры и контрольно-измерительных приборов;

• оперативное получение данных по электронным паспортам объектов и элементов ВСС и СВО;

• отображение информации по результатам расчета потокораспределения и анализа режимов функционирования ВСС и СВО;

• оперативный доступ к информации относительно любого фрагмента или элемента сетей;

• санкционированное внесение изменений и дополнений как в схему, так и в параметры элементов;

• обеспечение коллективного доступа различных служб предприятия к электронной ОС в режиме просмотра в компьютерной сети;

• совмещение информационных и расчетно-аналитических функций в рамках единого графического интерфейса пользователя;

• автоматизацию формирования отчетов (отключенные потребители, неисправные гидранты и водоразборные колонки, открытые люки и пр.) на основе введенных в систему данных.

Использование ПВК для гидравлических расчетов позволяет:

• автоматизировать анализ допустимости гидравлических режимов при различных переключениях и изменениях на схемах;

• осуществлять графическую интерпретацию исходных данных и результатов расчетов на схемах сетей путем выделения элементов цветом или/и размером по произвольному критерию, а также в виде пьезометрических графиков или профилей;

• диспетчерская служба получает возможность

обосновывать решения по управлению (вариантам переключения), в том числе в аварийных ситуациях, с точки зрения допустимости гидравлических режимов.

Оперативная схема при ее использовании диспетчерской службой предприятия должна соответствовать текущему состоянию ВСС и СВО. В реальных условиях эксплуатации на сетях практически ежедневно проводятся как плановые, так и аварийные отключения, переключения, работы по замене или реновации оборудования. Все эти данные должны быть отражены в ОС. Для актуализации ОС и информирования различных подразделений о текущей ситуации создан журнал повреждений и переключений (рис. 6).

Электронный журнал действует на единой информационной основе (во взаимосвязи с ОС), обеспечивает синхронизацию работы разных служб предприятия в локальной компьютерной сети и автоматизирует следующие этапы обработки информации:

• оформление и регистрация дефекта;

• оформление и регистрация заявки по дефекту (оформление заявки без дефекта);

• оформление бланка переключений;

• составление отчета по перечню отключаемых потребителей (по категориям) и отключаемой нагрузке;

• продление заявки;

• управление журналами (просмотр, поиск, формирование отчетов, печать).

Все службы предприятия получают оперативную информацию о проводимых в настоящее время плановых и аварийных работах и сроках их завершения, отключениях на сети, неисправном оборудовании и пр. Ведение журналов во взаимодействии с электронной ОС позволяет отслеживать историю повреждений и переключений непосредственно на оперативной схеме. Фиксация в журнале времени переключения и ответственных за переключения лиц позволяет дать оценку правильности действий диспетчерского персонала при анализе внештатных ситуаций.

Рис. 6. Электронный журнал диспетчера. Просмотр списка заявок

Дальнейшее развитие функций и повышение эффективности автоматизированного диспетчерского управления ВСС и СВО, главным образом, сдерживается малой мощностью информационно-измерительных и управляющих систем. Перспективным направлением решения информационной проблемы является интеграция систем телеметрии и коммерческого учета. Возможности получения в реальном времени информации о водопотреблении и параметрах режима на НС и сетях создадут реальную почву для постановки и реализации задач:

• идентификации характеристик элементов сетей, включая положение задвижек, характеристик насосов и трубопроводов;

• слежения за режимом;

• прогнозирования нагрузок;

• оптимизации режимов;

• построения диспетчерских графиков ведения режимов и др.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Таким образом, разработанный ИВК, обеспечивая автоматизацию первоочередных процессов анализа и принятия решений при диспетчерском управлении ВКХ, создает основу для наращивания возможностей такого управления. Единое информационное пространство, в том числе, позволяет исключить дублирование и противоречивость данных по ВСС и СВО, обеспечивает полноту и целостность информации, оперативный доступ к ней всем службам предприятия. Основные расчетные функции связаны с топологическим и гидравлическим анализом последствий переключений на сети, а также с поиском самих переключений. Интегрированный в ИВК электронный журнал дает возможности не только в синхронизации решений, принимаемых различными службами предприятия, но и в актуализации ОС в соответствии с текущим состоянием ВСС и СВО.

Статья поступила 18.04.2014 г.

Библиографический список

1. Новицкий Н.Н., Алексеев А.В., Баринова С.Ю. Информационно-вычислительный комплекс "АНГАРА-ВС" для моделирования крупных систем водоснабжения: труды XVI Байкальской Всероссийской конференции «Информационные и математические технологии в науке и управлении». Иркутск: ИСЭМ СО РАН, 2011. Ч. III. C. 192-200.

2. Чупин Р.В., Мелехов Е.С. Развитие теории и практики моделирования и оптимизации систем водоснабжения и водоотведения. Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2011. 323 с.

3. Алексеев А.В., Новицкий Н.Н., Токарев В.В., Шалагино-ва З.И. Принципы разработки и программная реализация информационно-вычислительной среды для компьютерного моделирования трубопроводных и гидравлических систем // Трубопроводные системы энергетики. Методы математического моделирования и оптимизации: сб. науч. тр. Новосибирск: Наука, 2007. С. 221-230.

УДК 004.4+595.796(571.5)

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СРЕДЫ ПРОГРАММИРОВАНИЯ К В АНАЛИЗЕ МОРФОМЕТРИЧЕСКИХ ПРИЗНАКОВ MYRMICA ANGULINODIS RUZS. (INSECTA: HYMENOPTERA: FORMICIDAE) ИЗ РАЗНЫХ ПОПУЛЯЦИЙ БАЙКАЛЬСКОГО РЕГИОНА

1Иркутский государственный технический университет,

664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.

1Сибирский институт физиологии и биохимии растений СО РАН,

664033, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 132.

2Лимнологический институт СО РАН,

664033, Россия, г. Иркутск, ул. Улан-Баторская, 3.

Рассматривается среда программирования R, а также возможности ее применения для экологических исследований. Основным методом здесь служит написание скриптов. Использованием критерия Шапиро-Уилка и способа од-нофакторного дисперсионного анализа в среде программирования R было подтверждено влияние географического расположения мест находок рабочих особей Мушса angulinodis Ruzs на морфометрические характеристики этих особей. Выявлено, что максимальные средние значения морфометрических признаков муравьев отмечаются на севере Республики Бурятии, а минимальные - на юге Иркутской области. Ил. 9. Табл. 2. Библиогр. 8 назв.

Ключевые слова: среда программирования R; муравьи; морфологический анализ; биометрия; Байкальский регион.

1Антонов Игорь Алексеевич, магистрант, тел.: 89642748287, e-mail: jfkgsr@mail.ru, patologi@sifibr.irk.ru Antonov Igor, Master's Degree student, tel.: 89642748287, e-mail: jfkgsr@mail.ru, patologi@sifibr.irk.ru

2Букин Юрий Сергеевич, кандидат биологических наук, старший научный сотрудник лаборатории геносистематики, тел.: 83952422623, e-mail: bukinyura@mail.ru

Bukin Yuri, Candidate of Biology, Senior Researcher of the Laboratory of Genosystematics, tel.: 83952422923, e-mail: bukin-yura@mail.ru

INFORMATION-COMPUTER ENVIRONMENT TO AUTOMATE DISPATCHER'S SUPERVISORY CONTROL OF WATER SUPPLY AND SEWAGE NETWORK SYSTEMS

Текст научной работы на тему «Информационно-вычислительный комплекс для автоматизации диспетчерского управления системами водоснабжения и водоотведения»