ROLA I MO LIWO CI SYSTEMÓW MONITORINGU W ZARZ DZANIU PRZEDSI BIORSTWEM WODOCI GOWYM 1

Transkrypt

1 ROLA I MO LIWO CI SYSTEMÓW MONITORINGU W ZARZ DZANIU PRZEDSI BIORSTWEM WODOCI GOWYM 1 JAN STUDZI SKI Uniwersytet Technologiczno-Przyrodniczy w Bydgoszczy Streszczenie Coraz powszechniej stosuje si w krajowych przedsi biorstwach wodoci gowych systemy SCADA, u ywane do monitoringu i sterowania kluczowymi obiektami przedsi biorstwa, takimi jak stacje uj cia i uzdatniania wody, sieci wodoci gowe i kanalizacyjne oraz oczyszczalnie cieków. Zauwa aln wad stosowania tych systemów jest ich traktowanie jako niezale nych programów, bez integracji z innymi programami stosowanymi równie w przedsi biorstwach wodoci gowych, takimi jak systemy informacji przestrzennej GIS czy modele matematyczne eksploatowanych obiektów. Powoduje to znaczne zubo enie mo liwo ci oferowanych przez systemy monitoringu oraz marnowanie si ogromnej liczby archiwizowanych i niewykorzystywanych danych pomiarowych. W artykule przedstawiono stan obecny informatyzacji krajowych przedsi biorstw wodoci gowych w zakresie systemów monitoringu i pokazano mo liwo ci ich lepszego wykorzystania na przykładzie działa prowadzonych w miejskim przedsi biorstwie wodoci gowo-kanalizacyjnym w Rzeszowie. Słowa kluczowe: zarz dzanie przedsi biorstwem wodoci gowym, systemy monitoringu SCADA, zarz dzanie sieci kanalizacyjn, komputerowe systemy wspomagania decyzji 1. Wprowadzenie Zarz dzanie miejskim przedsi biorstwem wodoci gowym jest zło onym procesem decyzyjnym, który, dla prawidłowej realizacji, wymaga wspomagania komputerowego. Podejmowane decyzje maj charakter strategiczny, długofalowy, charakter taktyczny, zwi zany z planowaniem działa z krótkim horyzontem czasowym, rz du kilku dni lub najwy ej kilku miesi cy, oraz charakter operacyjny, zwi zany z bie c eksploatacj systemu wodoci gowo-kanalizacyjnego. Poprawne zarz dzanie opiera si na posiadanej wiedzy i do wiadczeniu, które z kolei s wynikiem przetwarzania informacji uzyskanych na podstawie pozyskiwanych danych. Do takich danych, generuj cych odpowiednie informacje i pozwalaj cych zdobywa niezb dn do zarz dzania wiedz, nale mi dzy innymi dane pomiarowe pozyskiwane z automatycznych systemów monitoringu. Takie systemy, nale ce do grupy systemów SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition), s od kilkunastu co najmniej lat instalowane w przedsi biorstwach wodoci gowych, na wszystkich jego obiektach, to znaczy na sieciach wodoci gowych, sieciach kanalizacyjnych i w oczyszczalniach cieków. Dostarczaj one ogromnej liczby danych, które s rejestrowane 1 Artykuł napisany w ramach realizacji projektu badawczego Ministerstwa Nauki i Szkolnictwa Wy szego N

2 234 Rola i mo liwo ci systemów monitoringu w zarz dzaniu przedsi biorstwem wodoci gowym i archiwizowane i wykorzystywane do bie cej kontroli i sterowania obiektami przedsi biorstwa wodoci gowego. Problem polega na tym, e mimo tego, i zgromadzone dane s przechowywane, to po bie cym wykorzystaniu przestaj by obiektem dalszego zainteresowania. Oznacza to, e u yteczna wiedza ukryta w tych danych nie zostaje z nich w ogóle wydobyta i w konsekwencji ulega zmarnowaniu. W dalszym ci gu zostanie powiedziane, dlaczego tak si dzieje i co mo na i nale y zrobi, aby t niekorzystn sytuacj zmieni. 2. Zarz dzanie przedsi biorstwem wodoci gowym Zarz dzanie przedsi biorstwem wodoci gowym, to zło ony proces organizacyjny i techniczny, wymagaj cy wspomagania komputerowego, który go usprawnia i uefektywnia. Powszechn praktyk w przedsi biorstwach, nie tylko wodoci gowych, jest, e zarz dzanie dzieli si na dwa, praktycznie niezale ne rodzaje: zarz dzanie organizacyjne i zarz dzanie techniczne. To pierwsze, które mo na nazwa zarz dzaniem mi kkim (soft management), dotyczy zagadnie organizacji pracy, gospodarki finansowej, planowania rozwoju, zarz dzania kapitałem ludzkim itp. i polega przede wszystkim na przepływie i przetwarzaniu ilo ciowym i jako ciowym informacji, bez anga- owania do tego celu zło onych algorytmów obliczeniowych. Jednocze nie jest to zarz dzanie o charakterze strategicznym i taktycznym. Zarz dzanie drugiego rodzaju, które mo na nazwa zarz dzaniem twardym (hard management), dotyczy problemów zwi zanych ze sterowaniem i optymalizacj obiektów przedsi biorstwa i prowadzeniem eksploatowanych w nich procesów technologicznych. Jest to zarz dzanie o charakterze przede wszystkim operacyjnym, wymagaj ce jednocze nie stosowania na ogół skomplikowanych algorytmów obliczeniowych. Przedstawiona sytuacja ju w zało eniu jest niewła ciwa, poniewa lepsze efekty otrzyma si, gdy oba rodzaje zarz dzania potraktuje si ł cznie, jako jeden zło ony i wewn trznie sprz ony proces. Aby jednak tak koncepcj zrealizowa, nale y rozwija i wdra a w przedsi biorstwach, w tym w szczególno ci w przedsi biorstwach wodoci gowych, zintegrowane systemy informatyczne kompleksowego zarz dzania. Zarz dzanie kompleksowe oznacza w tym przypadku, e obejmuje ono wszystkie obszary działania przedsi biorstwa, czyli zarówno działania organizacyjne, jak i techniczne. System informatyczny oznacza, e zarz dzanie jest wspomagane komputerowo, przy u yciu programów wchodz cych w skład systemu. Z kolei system zintegrowany oznacza, e składowe programy systemu współpracuj ze sob przy realizacji zada zarz dzania, czyli e nie jest to po prostu biblioteka niezale nych programów. Problemem w realizacji wymienionej koncepcji jest fakt, e takich systemów obecnie nie ma na rynku i nale y je dopiero rozwija. Przyczyn tego stanu jest przede wszystkim przyj cie wspomnianego zało enia o rozdzielno ci zarz dzania organizacyjnego i technicznego, co skutkuje tym, e ró nymi rodzajami zarz dzania zajmuj si specjali ci i eksperci z ró nych obszarów nauki: w pierwszym przypadku s to przedstawiciele nauk społecznych, nastawieni na sposób my lenia i wnioskowania jako ciowy i spekulacyjny, w drugim przypadku s to przedstawiciele nauk technicznych, nastawieni na sposób my lenia i wnioskowania ilo ciowy i zmatematyzowany. To rozdzielenie rodzajów zarz dzania i wynikaj ce z tego zró nicowanie dyscyplinarne zajmuj cych si tymi zagadnieniami specjalistów rodzi oczywi cie szereg problemów komunikacyjnych i psychologicznych, co powoduje, e na razie nie wida tendencji do integracji obu rodowisk, tak w przypadku programów komputerowych, jak i ich u ytkowników. Jednak taka tendencja powinna si pojawi jak najszybciej i nale y j forsowa, co najmniej z trzech powodów: zarz dzanie organizacyjne i techniczne uzupełniaj si i wzajemnie warunkuj ;

3 POLSKIE STOWARZYSZENIE ZARZ DZANIA WIEDZ Seria: Studia i Materiały, nr 27, kompleksowe traktowanie zarz dzania przedsi biorstwem umo liwia jego usprawnienie i uproszczenie; zastosowanie metod ilo ciowych, przej tych z zarz dzania technicznego, w zarz dzaniu organizacyjnym, pozwala to zarz dzanie ujednoznaczni oraz znacznie przyspieszy i zoptymalizowa wchodz ce w jego skład procesy, na przykład planowania inwestycyjnego. Brak kompleksowego podej cia do problematyki zarz dzania powoduje, e zamiast rozwijania zintegrowanych systemów informatycznych, przedsi biorstw, w tym wodoci gowych, zakupuj i eksploatuj one wiele samodzielnych programów komputerowych do wykonywania poszczególnych, cz stkowych zada. Prowadzi to w skrajnym przypadku nawet do pewnego chaosu informatycznego, gdy administrowanie wieloma programami zaczyna by kłopotliwe i czasochłonne. Natomiast w ka dym przypadku powoduje to niemo no pełnego wykorzystania wszystkich informacji i danych pomiarowych gromadzonych w przedsi biorstwie, w bazach danych ró nych programów. W szczególno ci dotyczy to niewykorzystania potencjału wiedzy tkwi cego w ogromnych zbiorach danych generowanych przez systemy monitoringu. 3. Systemy monitoringu w przedsi biorstwie wodoci gowym Miejskie przedsi biorstwo wodoci gowe zajmuje si zwykle eksploatacj czterech obiektów, traktowanych na ogół w sposób autonomiczny. S to: stacje poboru i uzdatniania wody, sie wodoci gowa, sie kanalizacyjna i oczyszczalnia cieków. W ka dym z tych obiektów instaluje si systemy monitoringu, przeznaczone przede wszystkim do bie cej kontroli prowadzonych w nich procesów technicznych i technologicznych, oraz do sterowania tymi procesami za pomoc lokalnych układów regulacji automatycznej. We wszystkich wymienionych obiektach znajduj si liczne zestawy pompowe, a w przypadku oczyszczalni cieków, dodatkowo zestawy dmuchaw napowietrzaj cych cieki w komorach z osadem czynnym, i praca układów regulacji automatycznej polega na stabilizacji pracy nadzorowanych procesów poprzez utrzymanie na zadanym poziomie warto ci okre lonych parametrów procesowych. Te parametry, to przede wszystkim ci nienia wody i cieków w przepompowniach zainstalowanych na sieci wodoci gowej, sieci kanalizacyjnej i oczyszczalni, oraz poziom tlenu rozpuszczonego w komorach napowietrzania oczyszczalni cieków. Oznacza to, e nie steruje si procesami w sposób aktywny, dopuszczaj cy automatyczn zmian warto ci nastaw parametrów w regulatorach układów regulacji, natomiast prowadzi si stabilizacj tych procesów przy zadanych stałych warto ciach nastaw, co mo na traktowa jako sterowanie pasywne. Taki rodzaj sterowania jest prawidłowy w przypadkach, gdy prowadzone procesy s ju w zało eniu stabilne, to znaczy nie wyst puj du e i nieoczekiwane zmiany warunków zewn trznych, wymagaj ce zmiany warto ci parametrów procesowych, czyli zmiany nastaw w regulatorach układów regulacji. Ta sytuacja nie dotyczy jednak na ogół procesów realizowanych w przedsi biorstwach wodoci gowych. Bardzo cz sto zmieniaj si bowiem warunki pracy obiektów wodoci gowych. Na przykład zmiany poboru wody wpływaj na zmian obci enia hydraulicznego sieci wodoci gowej, ulewne deszcze wpływaj na zmian obci enia hydraulicznego sieci kanalizacyjnej, a oba te czynniki zmieniaj obci enie hydrauliczne i stan pracy oczyszczalni cieków. Ju na podstawie powy szych uwag wida, e z jednej strony powinno si w przedsi biorstwach wodoci gowych wprowadza i stosowa algorytmy sterowania aktywnego, z drugiej strony wszystkie obiekty wodoci gowe powinno si traktowa jako jeden zintegrowany system. Sterowanie aktywne, to sterowanie hierarchiczne i predykcyjne. Hierarchiczno sterowania polega na

4 236 Rola i mo liwo ci systemów monitoringu w zarz dzaniu przedsi biorstwem wodoci gowym tym, e przebiega ono co najmniej na dwóch poziomach: na pierwszym, wy szym poziomie działa algorytm zmieniaj cy nastawy regulatorów, na drugim, ni szym poziomie przejmuj prace układy regulacji automatycznej stabilizuj ce proces na poziomie zadanych nastaw. Predykcja sterowania polega na tym, e nastawy regulatorów s zmieniane w zale no ci od przewidywanych zmian warunków zewn trznych procesu, czyli na przykład od przewidywanych zmian ilo ci dopływaj cych cieków surowych i zawartego w nich ładunku zanieczyszcze do oczyszczalni. Z kolei traktowanie obiektów wodoci gowych jako jednego systemu pozwala wzajemnie uzale ni ich eksploatacj, to znaczy praca sieci wodoci gowej wpływa na funkcjonowanie sieci kanalizacyjnej a to z kolei decyduje o działaniu oczyszczalni cieków. Takie podej cie niejako inspiruje do tworzenia systemów informatycznych obejmuj cych swoim działaniem wszystkie obiekty przedsi biorstwa wodoci gowego. Takich systemów, jak ju wspomniano, obecnie nie ma. W koncepcji takiego systemu dominuj c rol odgrywaj cztery moduły: system GIS generuj cy map numeryczn obiektów przedsi biorstwa wodoci gowego, przede wszystkim sieci wodoci gowej i sieci kanalizacyjnej, system monitoringu w sposób jednolity nadzoruj cy prac wszystkich obiektów, modele matematyczne ka dego obiektu przedsi biorstwa i algorytmy optymalizacji, słu ce tak do optymalizacji, jak i sterowania odno- nymi procesami. W takim systemie informatycznym szczególna rola przypada systemom monitoringu. Gromadzone przez nie i odpowiednio przetworzone dane pomiarowe umo liwiaj tworzenie modeli matematycznych obiektów i realizowanych procesów a tak e opracowywanie odpowiednich algorytmów sterowania. Aby systemy monitoringu mogły realizowa te zadania, musz by odpowiednio zaprojektowane i obejmowa swoim działaniem rzeczywi cie cały obszar funkcjonowania przedsi biorstwa wodoci gowego. To wymaga z kolei tak zwanego podej cia systemowego do rozwi zania tego problemu, umo liwiaj cego stworzenie systemu monitoringu pomy lanego od pocz tku jako integralny element zło onego systemu informatycznego. Wymaga to oczywi cie odpowiedniego przygotowania organizacyjnego ze strony przedsi biorstwa i jest przedsi wzi ciem dosy kosztownym. Dlatego nie ma obecnie takich kompleksowo zaprojektowanych systemów monitoringu w krajowych przedsi biorstwach wodoci gowych a te systemy, które funkcjonuj, nie umo liwiaj realizacji wymienionych zada usprawniaj cych zarz dzanie przedsi biorstwem. Mo na wyró ni dwie podstawowe wady instalacji i eksploatacji takich systemów. Po pierwsze, systemy monitoringu, co ju wspomniano, s instalowane niezale nie w ka dym z kluczowych obiektów przedsi biorstwa wodoci gowego i nie tworz jednolitego systemu obejmuj cego całe przedsi biorstwo. W rezultacie dochodzi do sytuacji, gdy ka dy obiekt ma system innego rodzaju, z ró nymi programami rejestracji, wizualizacji i archiwizacji danych pomiarowych i z ró nymi systemami transmisji danych z punktów pomiarowych, opartymi na telefonii komórkowej, transmisji radiowej czy telemetrii. Oznacza to na ogół niekompatybilno systemów monitoringu i równie niemo no wymiany danych mi dzy nimi i wzajemnej komunikacji. Utrudnia to równie administrowanie systemami i podra a ich eksploatacj. Po drugie, tworzenie systemów monitoringu jako lokalnych programów, a nie elementów jednolitego systemu informatycznego, powoduje, e punkty pomiarowe monitoringu lokalizowane s na ogół w miejscach niewła ciwych z punktu widzenia zarz dzania przedsi biorstwem. S to zwykle pompownie i przepompownie wody i cieków oraz wspomniane ju stacje dmuchaw napowietrzaj cych cieki w komorach oczyszczalni. Dane zbierane z takich punktów pomiarowych umo liwiaj

5 POLSKIE STOWARZYSZENIE ZARZ DZANIA WIEDZ Seria: Studia i Materiały, nr 27, wykonywanie standardowych zada zwi zanych z kontrol pracy obiektów przedsi biorstwa i zainstalowanych w nich układów regulacji automatycznej, natomiast nie pozwalaj na opracowywanie modeli matematycznych i algorytmów sterowania, niezb dnych do usprawnienia zarz dzania tymi obiektami. To powoduje równie, e rejestrowane i archiwizowane dane pomiarowe z systemów monitoringu s jedynie gromadzone i po bie cym ich wykorzystaniu do celów przede wszystkim kontrolnych nie znajduj ju dalszego zastosowania. Jednocze nie nale y podkre li, e takie lokalne instalowanie systemów monitoringu jest znacznie ta sze, ni tworzenie zło onego jednolitego systemu dla całego przedsi biorstwa, z wi ksz ni obecnie liczb punktów pomiarowych. Rekapituluj c uwagi przedstawione w tym punkcie, mo na stwierdzi, co nast puje: Systemy monitoringu, instalowane obecnie w przedsi biorstwach wodoci gowych jako systemy lokalne, powinny by projektowane jako systemy obejmuj ce całe przedsi biorstwo wodoci gowe. Systemy monitoringu instalowane w przedsi biorstwie powinny by oparte na jednym programie i jednym systemie transmisji danych, co znacznie redukuje ich koszty inwestycyjne i eksploatacyjne i równie ułatwia ich pó niejsz eksploatacj. Punkty pomiarowe dla systemów monitoringu powinny by ustalane w ten sposób, aby zebrane z nich dane pomiarowe umo liwiały nie tylko bie cy nadzór i kontrol monitorowanych obiektów, ale aby równie umo liwiały opracowanie niezb dnych modeli matematycznych i algorytmów sterowania i zarz dzania obiektami. Dane pomiarowe zbierane z systemów monitoringu powinny by nie tylko przechowywane, jak si dzieje to dotychczas, ale równie wykorzystywane do zdobywania na ich podstawie odpowiedniej wiedzy o przedsi biorstwie, jego obiektach i realizowanych w nich procesach, przy zastosowaniu odpowiednich metod eksploracji danych (data mining). 4. Zadania zarz dzania uwarunkowane danymi z systemów monitoringu Mo na wymieni cały szereg zada zwi zanych z zarz dzaniem przedsi biorstwem wodoci gowym, które s mo liwe do realizacji dzi ki zainstalowanemu w przedsi biorstwie systemowi monitoringu, traktowanemu jako integralny element zło onego systemu informatycznego. Nale y tu podkre li, e nie jest wła ciwe projektowanie i wdra anie jedynie wybranych modułów systemu informatycznego, natomiast w celu uzyskania spodziewanych efektów powinno si planowa od razu system zło ony i zintegrowany, uwzgl dniaj cy cisł współprac wszystkich jego podstawowych modułów, to znaczy systemu GIS mapy numerycznej, systemu monitoringu, modeli matematycznych obiektów i algorytmów optymalizacji. Jest to uzasadnione tak wzgl dami merytorycznymi, jak równie ekonomicznymi i organizacyjnymi. Inne cz stkowe podej cia do wykonania systemu informatycznego wydłu aj proces uzyskania ko cowego produktu, podra aj go i uniemo liwiaj uzyskiwanie wszystkich zało onych celów zwi zanych z zarz dzaniem przedsi biorstwem. Jednak nale y pami ta, e klasyczne przedsi biorstwo wodoci gowe, to poł czone ze sob szeregowo trzy kluczowe obiekty: sie wodoci gowa ze stacjami poboru i uzdatniania wody, sie kanalizacyjna i oczyszczalnia cieków, które wprawdzie s ze sob sprz gni te poprzez sygnały wej ciowe i wyj ciowe, to jednocze nie, z braku sprz enia zwrotnego mi dzy nimi, funkcjonuj

6 238 Rola i mo liwo ci systemów monitoringu w zarz dzaniu przedsi biorstwem wodoci gowym one w du ym stopniu w sposób autonomiczny i równie w ten sposób s one obecnie zarz dzane. Dlatego projektuj c zintegrowany system informatyczny zarz dzania całym przedsi biorstwem wodoci gowym, wydaje si celowym planowanie go jako hybrydy zło onej z trzech podsystemów odpowiedzialnych za ka dy z kluczowych obiektów. Jednocze nie ka dy z tych trzech podsystemów miałby podobn budow modułow, zło on z czterech standardowych modułów, to znaczy z systemów GIS i SCADA oraz z modułu modeli matematycznych i z modułu programów optymalizacji. Dzi ki tym algorytmom obliczeniowym, ka dy z podsystemów mógłby realizowa twarde i mi kkie zadania zarz dzania odno nymi obiektami i w rezultacie całym przedsi biorstwem wodoci gowym. Podstawowe zadania zwi zane z kompleksowym zarz dzaniem przedsi biorstwem wodoci gowym, realizowane przez zintegrowany system informatyczny, s w ogólno ci nast puj ce: Komputerowa wizualizacja sieci wodoci gowej, sieci kanalizacyjnej i oczyszczalni cieków lub wybranych elementów tych obiektów. Wyznaczanie aktualnego stanu pracy ka dego obiektu. Optymalizacja i projektowanie sieci wodoci gowej, sieci kanalizacyjnej i oczyszczalni cieków. Sterowanie operacyjne procesami zaopatrzenia w wod, odbioru i oczyszczania cieków. Lokalizacja awarii i ukrytych wycieków wody w sieci wodoci gowej oraz awarii i ukrytych wycieków cieków w sieci kanalizacyjnej. Planowanie i obsługa planowanych przegl dów eksploatacyjnych sieci wodoci gowej, sieci kanalizacyjnej i oczyszczalni cieków. Planowanie krótko- i długoterminowych prac rewitalizacyjnych i inwestycyjnych na ka dym z obiektów. Rejestracja i nadzór wydawanych warunków technicznych dla prac remontowych, modernizacyjnych i rozbudowy ka dego z obiektów. Rejestracja odbiorów technicznych na sieci wodoci gowej, sieci kanalizacyjnej i w oczyszczalni cieków. Rejestracji awarii wyst puj cych na ka dym z obiektów. Wykonywanie ró norodnych analiz tematycznych i przestrzennych zwi zanych z sieci wodoci gow, sieci kanalizacyjn i oczyszczalni cieków. Cz wymienionych zada mo e by realizowana przez pojedyncze moduły ka dego z podsystemów, jednak wi kszo tych zada jest mo liwa do realizacji jedynie w wyniku współdziałania ró nych modułów, w tym modułu systemu monitoringu. Ponadto system monitoringu jest niezb dny równie do wykonania pewnych zada pomocniczych, umo liwiaj cych tworzenie modułów zintegrowanego systemu informatycznego. Podstawowe zadania wykonywane przez system monitoringu, wzgl dnie mo liwe do wykonania dzi ki jego zastosowaniu, s nast puj ce: 1. Nadzór i kontrola bie cego stanu pracy sieci wodoci gowej, sieci kanalizacyjnej i oczyszczalni cieków. 2. Kalibracja modeli fizykalnych wymienionych obiektów, tworzonych przy u yciu równa bilansowych. 3. Okresowa rekalibracja modeli fizykalnych.

7 POLSKIE STOWARZYSZENIE ZARZ DZANIA WIEDZ Seria: Studia i Materiały, nr 27, Wyznaczanie modeli parametrycznych sieci wodoci gowej, sieci kanalizacyjnej i oczyszczalni cieków, przy u yciu, na przykład, szeregów czasowych, sieci neuronowych i zbiorów rozmytych. 5. Lokalizacja awarii na poszczególnych obiektach. 6. Lokalizacja ukrytych wycieków wody w sieci wodoci gowej i wycieków cieków w sieci kanalizacyjnej. 7. Planowanie lokalizacji punktów pomiarowych dla systemu monitoringu instalowanego na sieci wodoci gowej. Szczególnie istotne jest zadanie zwi zane z planowaniem lokalizacji projektowanego systemu monitoringu. Taki system, aby mógł efektywnie wspomaga pozostałe moduły systemu informatycznego w zarz dzaniu przedsi biorstwem wodoci gowym, musi dostarcza mo liwie du o informacji o stanie pracy monitorowanego obiektu przy mo liwie małej liczbie punktów pomiarowych, ze wzgl du na du e koszty ich instalacji. Idealny przypadek to taki, gdy w ka dym w le i na ka dym odcinku sieci wodoci gowej jest zainstalowany punkt pomiarowy, co praktycznie nie jest mo liwe. Z kolei przypadek najcz ciej spotykany w praktyce to taki, gdy punkty pomiarowe instaluje si w ródle wody i w przepompowniach strefowych sieci wodoci gowej. Dane pomiarowe z takich punktów nie daj jednak informacji o pracy sieci wewn trz tych stref. To powoduje z kolei, e nie jest mo liwa automatyczna kalibracja modeli hydraulicznych sieci, ich rekalibracja, a tak e lokalizacja awarii i ukrytych wycieków wody. Dlatego mo na ju zauwa y, e realizacja takich zada, jak kalibracja modeli hydraulicznych, lokalizacja awarii i projektowanie systemu monitoringu s ze sob ci le zwi zane i wymagaj jednoczesnego zaanga owania kilku modułów systemu informatycznego, czyli systemów GIS i SCADA, modeli matematycznych i równie algorytmów optymalizacji. Aby system monitoringu dla sieci wodoci gowej został wła ciwie zaprojektowany, nale y cz punktów pomiarowych zlokalizowa w tak zwanych punktach wra liwych sieci, to znaczy w punktach, w których rejestruje si zmiany ci nienia lub przepływu spowodowane zmianami tych parametrów zaistniałymi nie tylko w bezpo rednim s siedztwie danego punktu, ale równie w dalszej odległo ci od niego. Takie punkty znajduje si, korzystaj c ze skalibrowanego modelu hydraulicznego sieci wodoci gowej i z wykonanych przy jego u yciu oblicze symulacyjnych, kiedy symuluje si pozorowane wycieki kolejno w ka dym w le sieci. Dla tych wycieków wyznacza si tak zwane stopnie wra liwo ci wszystkich w złów sieci i na podstawie sporz dzonego wykazu w złów według ich stopnia wra liwo ci wybiera si miejsca lokalizacji punktów pomiarowych w w złach o najwi kszej wra liwo ci. Liczba ostatecznie wybranych punktów pomiarowych jest kompromisem mi dzy konieczno ci efektywnego opomiarowania sieci wodoci gowej i ilo ci dost pnych w przedsi biorstwie rodków finansowych. Zło onym problemem jest równie kalibracja modelu hydraulicznego sieci wodoci gowej (ekran takiego modelu pokazano na rys. 2). Mo na jej dokona, korzystaj c z dobrze zaprojektowanego systemu monitoringu i z algorytmu optymalizacji wielokryterialnej. W takim algorytmie, dla potrzeb kalibracji, definiuje si dwa kryteria celu, okre lone na uchybach mi dzy obliczonym z modelu i zmierzonym ci nieniem i przepływem, przy czym warto ci obliczane s porównywane z danymi pozyskiwanymi z punktów pomiarowych systemu monitoringu. Aby wykona takie zadanie, nale y ju jednak dysponowa poprawnie zaprojektowanym systemem monitoringu, co zale y z kolei od posiadania dobrze skalibrowanego modelu hydraulicznego. Dlatego zadanie kalibracji mo na wła ciwie wykona jedynie metod kolejnych przybli e, realizuj c je w kilku

8 240 Rola i mo liwo ci systemów monitoringu w zarz dzaniu przedsi biorstwem wodoci gowym krokach: najpierw dokonuje si kalibracji modelu w sposób r czny, korzystaj c z pomiarów uzyskanych w wyniku szar y pomiarowej przeprowadzonej na sieci wodoci gowej; nast pnie projektuje si system monitoringu, wyznaczaj c wła ciwie usytuowane punkty pomiarowe na podstawie oblicze symulacyjnych wykonanych za pomoc modelu hydraulicznego; wreszcie, maj c wst pnie skalibrowany model i wykonany z jego pomoc system monitoringu, mo na dokona rekalibracji modelu, stosuj c do tego celu algorytm optymalizacji dwukryterialnej. Ostatnie dwa kroki nale y powtarza, rozbudowuj c system monitoringu i dokonuj c rekalibracji modelu hydraulicznego po ka dym remoncie, modernizacji lub rozbudowie sieci wodoci gowej. Realizacja wymienionych wy ej zada doprowadza w konsekwencji do utworzenia dwóch podstawowych modułów systemu informatycznego: modelu hydraulicznego i systemu monitoringu. Umo liwiaj one realizacj zadania zwi zanego z lokalizacj awarii i ukrytych wycieków w sieci wodoci gowej. Zasadniczo mo na to zadanie wykona w prosty sposób, korzystaj c jedynie z systemu monitoringu, co zostało zrealizowane na sieci wodoci gowej w Rzeszowie. Obecnie eksploatowany tam system ProconWin umo liwia mi dzy innymi ledzenie poprawno ci pracy sieci poprzez porównywanie aktualnych przebiegów przepływów i ci nie w punktach pomiarowych z charakterystykami wzorcowymi tych parametrów. Charakterystyki wzorcowe zostały utworzone jako przebiegi u rednione odpowiednich sygnałów zarejestrowanych w tych punktach w kilku poprzednich analogicznych dniach tygodnia. Warto ci przepływów, wzorcowe i bie ce, zapisane w postaci wykresów, mo na wykorzystywa si w praktyce eksploatacyjnej sieci w celach analitycznych. Z takich analiz mog wynika korzy ci ekonomiczne oraz wnioski optymalizuj ce stan i prac sieci wodoci gowej. Na przykład, analizuj c wykres przepływu wody z danego w zła pomiarowego mo na wychwyci rozbie no ci przepływów w stosunku do ostatnich tygodni, dzi ki czemu w łatwy sposób zlokalizowana zostanie anomalia wiadcz ca na przykład o p kni tym ruroci gu. Taki przypadek pokazano na rys. 1. Wida na nim dwa przykładowe przebiegi przepływu, jeden prawidłowy (rysunek lewy) a drugi nietypowy, dla pojedynczego punktu pomiarowego systemu monitoringu. W tym drugim przypadku, gwałtowny, istotnie ró ny od wzorcowego wzrost przepływu wody w sieci wodoci gowej informuje słu by pracownicze przedsi biorstwa o kilku prawdopodobnych nieprawidłowo ciach zaistniałych w tym fragmencie sieci, którymi mog by : - awaria przewodu wodoci gowego, - otwarcie hydrantu przeciwpo arowego, - nagły zwi kszony pobór wody. Pierwsze dwie przyczyny tak nagle nast puj cego wzrostu przepływu wody (awaria, otwarcie hydrantu) wi si z potencjalnymi stratami ekonomicznymi dla przedsi biorstwa: na przykład nie wykryty powierzchniowo upływ wody z sieci poci ga za sob konieczno dodatkowego jej wyprodukowania przez Zakład Uzdatniania Wody MPWiK oraz podwy szenia pracy pomp w pompowniach celem dostarczenia wody do dalszych rejonów miasta. Ponadto otwarty zawór hydrantu przeciwpo arowego nie zawsze oznacza pobór wody zgodnie z jej przeznaczeniem (po- ar), lecz nierzadko kradzie wody, na przykład na cele budowlane b d ogrodnicze.

9 POLSKIE STOWARZYSZENIE ZARZ DZANIA WIEDZ Seria: Studia i Materiały, nr 27, Rysunek 1. Diagram trendu i bie cego prawidłowego przepływu wody (rysunek lewy) oraz porównanie anomalii przepływu (wykres górny na rysunku prawym) ze rednim trendem (wykres dolny) w monitorowanym w le pomiarowym Innym ciekawym zastosowaniem systemu monitoringu sieci wodoci gowej jest praktyczne wykazanie, e pomiary ci nienia zasadniczo s mało przydatne do wykrywania stanów awaryjnych w sieci i raczej nale y korzysta w tym celu jedynie z obserwacji przebiegów przepływu wody i ich porównywania z przebiegami wzorcowymi dla danych punktów pomiarowych. W prowadzonych dotychczas analizach teoretycznych sugerowano raczej korzystanie z pomiarów ci nienia do wykrywania stanów awaryjnych w sieci, bior c pod uwag du o ni sze koszty inwestycyjne zakupu i instalacji ci nieniomierzy w porównaniu z przepływomierzami. Jednak nie brano pod uwag, e w przypadku wyst pienia awarii i zwi zanego z tym wycieku wody nast pi wprawdzie zmiana ilo ci pompowanej wody, natomiast ze wzgl du na wł czenie si zwykle dodatkowych pomp w przepompowni strefowej nie nast pi praktycznie zmiana ci nienia, gdy jego spadek zostanie natychmiast wyrównany przez prac dodatkowych pomp. Czyli o zaistniałej awarii mo e informowa obserwacja przepływów i ewentualnie pracy pomp w przepompowniach, natomiast praktycznie adnej informacji o awarii nie dostarczy obserwacja przebiegów ci nienia. Wida to wyra nie na wykresach na rys. 2 (rysunek prawy), gdzie istotnym zmianom przepływu w obserwowanym punkcie pomiarowym praktycznie nie towarzysz adne zmiany ci nienia w tym punkcie.

10 242 Rola i mo liwo ci systemów monitoringu w zarz dzaniu przedsi biorstwem wodoci gowym Rysunek.. 2. Ekran modelu hydraulicznego sieci wodoci gowej (rysunek lewy) oraz obserwowane warto ci istotnych zmian przepływu i stałego ci nienia w wybranym punkcie pomiarowym systemu monitoringu Przedstawiony wy ej prosty algorytm lokalizacji awarii, a wła ciwie sygnalizacji stanów nietypowych pracy sieci wodoci gowej, mo e by realizowany za pomoc jedynie systemu monitoringu, bez konieczno ci stosowania innych modułów systemu informatycznego. Korzystaj c jednak z dodatkowych wybranych modułów systemu, mo na zaproponowa znacznie bardziej wyrafinowany algorytm lokalizacji awarii i ukrytych wycieków wody. Jest on podobny do algorytmu optymalnego doboru punktów pomiarowych dla planowanego systemu monitoringu i składa si z czterech nast puj cych etapów. Etap pierwszy polega na wyznaczeniu, dla standardowych obci e sieci wodoci gowej, rozkładów ci nie i przepływów w sieci za pomoc oblicze wykonanych modelem hydraulicznym. W rezultacie, dla ka dego standardowego obci enia, otrzymuje si dwie powierzchnie rozkładów. Kolejny etap, to wykonanie oblicze hydraulicznych, równie dla standardowych obci e sieci wodoci gowej, z symulowanymi wyciekami awaryjnymi w ka dym w le sieci. W rezultacie otrzymuje si dla pojedynczego standardowego obci enia sieci liczb powierzchni rozkładów ci- nie i przepływów równ podwójnej liczbie jej w złów. Etap trzeci polega na bie cym ledzeniu stanu pracy sieci wodoci gowej poprzez obserwacj pomiarów w punktach monitoringu i porównywanie ich z warto ciami charakterystyk wzorcowych wyznaczonych dla tych punktów. Wreszcie etap czwarty, to reakcja w przypadku stwierdzenia anomalii w warto ci ci nienia lub przepływu dla jakiego punktu pomiarowego. Uwzgl dniaj c warto ci ci nie i przepływów zarejestrowanych w danym momencie we wszystkich punktach pomiarowych systemu monitoringu, porównuje si je z odno nymi warto ciami ci nie i przepływów na wyznaczonych wcze niej powierzchniach rozkładów dla symulowanych stanów awaryjnych i dla aktualnego, wynikaj cego z pory i dnia tygodnia, stopnia obci enia sieci wodoci gowej. Znajduj c, według okre lonej normy, powierzchnie najbardziej zbli one do aktualnych rozkładów ci nie i przepływów, wskazuje

11 POLSKIE STOWARZYSZENIE ZARZ DZANIA WIEDZ Seria: Studia i Materiały, nr 27, si na potencjalne miejsce awarii, której wcze niejsza symulacja doprowadziła do wyznaczenia tych powierzchni. Przedstawiony algorytm generuje ogromn liczb danych, w postaci powierzchni rozkładów ci nie i przepływów wyznaczonych dla wszystkich w złów sieci wodoci gowej i dla ró nych standardowych obci e sieci. Powoduje to pewne trudno ci i niedogodno ci w przechowywaniu tych danych i operowaniu na wielkich zbiorach liczb. Dlatego istnieje równie inna, prostsza wersja tego algorytmu, w której ledzi si pod k tem potencjalnej awarii jedynie zmiany obci enia w pompowni ródłowej sieci wodoci gowej wzgl dnie w przepompowniach strefowych. Stwierdzenie anomalii w warto ciach przepływu w którym z tych punktów sieci, polegaj cej na istotnym zwi kszeniu przepływu w stosunku do wyznaczonej wcze niej charakterystyki wzorcowej obci - enia, sugeruje wyst pienie stanu awaryjnego w sieci lub w jakim jej obszarze. Dopiero wówczas przyst puje si do wykonania oblicze hydraulicznych, dla zadanego standardowego obci enia sieci wodoci gowej, z pozorowanymi stanami awaryjnymi w ka dym w le sieci. Otrzymane powierzchnie rozkładów awaryjnych porównuje si w punktach pomiarowych systemu monitoringu z zarejestrowanymi bie cymi warto ciami ci nienia i przepływu i, stosuj c odpowiedni norm, znajduje si powierzchnie, w których wyst puje najwi ksza zgodno mi dzy warto ciami zmierzonymi i obliczonymi. Powierzchnie te, wyznaczone dla okre lonego symulowanego przypadku awaryjnego, wskazuj, w którym w le sieci mógł wyst pi potencjalny wyciek. Algorytm ten wymaga znacznie mniejszej liczby generowanych i zapami tywanych danych liczbowych, jednocze nie mo e by mniej dokładny w przypadku du ych miejskich sieci wodoci gowych, w których lokalna awaria lub wyciek mog by praktycznie niezauwa alne z punktu widzenia zmiany obci enia przepompowni strefowej lub pompowni ródłowej. Powy sze zastosowania systemu monitoringu, pokazane na przykładzie sieci wodoci gowej, w prosty sposób mog by przeniesione równie na ci nieniowe sieci kanalizacyjne, które działaj w podobny sposób i s opisywane podobnymi modelami fizykalnymi. 5. Uwagi ko cowe Przedstawiono mo liwo ci wykorzystania informacji, pozyskiwanych z systemu monitoringu do wspomagania zarz dzania przedsi biorstwem wodoci gowym, w tym w szczególno ci usprawnienia eksploatacji sieci wodoci gowej i tak e kanalizacyjnej, które stanowi główne obiekty wodoci gowe. Jest to mo liwe poprzez zintegrowanie pracy systemów monitoringu, mapy numerycznej, modeli hydraulicznych i algorytmów optymalizacji w ramach jednolitego kompleksowego systemu informatycznego wspomagania decyzji. Taka integracja pozwala na lepsze wykorzystanie informacji dostarczanych z systemu monitoringu i lepsze wykorzystanie wiedzy o przedsi biorstwie i jego obiektach zgromadzonej w bazie systemu GIS. Koncepcj takiego systemu informatycznego opracowano w Instytucie Bada Systemowych PAN i cz ciowo zrealizowano w przedsi biorstwie wodoci gowym w Rzeszowie. Nale y przy tym zaznaczy, e realizacja takiego systemu wymaga cisłej współpracy jednostki badawczej z profesjonalnymi firmami komputerowymi, tworz cymi standardowe oprogramowanie do okre- lonych celów, które mo e stanowi, po pewnych zmianach, moduły składowe budowanego systemu informatycznego. Nie ma bowiem potrzeby ani sensu, aby wszystkie programy, w tym równie takie, które markowe firmy komputerowe produkuj w sposób seryjny ju od wielu lat, rozwija równolegle do tej produkcji w instytucie badawczym. W omawianym przypadku

12 244 Rola i mo liwo ci systemów monitoringu w zarz dzaniu przedsi biorstwem wodoci gowym tworzenia zintegrowanego systemu informatycznego do kompleksowego zarz dzania przedsi biorstwem wodoci gowym, Instytut Bada Systemowych współpracował: z firm rozwijaj c profesjonalne systemy GIS, z firm rozwijaj c profesjonalne systemy monitoringu (SCADA), z firmami informatycznymi tworz cymi profesjonalne oprogramowanie dostarczanych im algorytmów obliczeniowych, z przedsi biorstwem wodoci gowym. Prace badawczo-rozwojowe zwi zane z tworzeniem wspomnianego systemu informatycznego s ci gle prowadzone, powstaj ce algorytmy i programy s modyfikowane i uzupełniane, a same prace s jeszcze dalekie od zako czenia. Ich ostatecznym celem jest stworzenie kompleksowego systemu obejmuj cego swym działaniem wszystkie obiekty przedsi biorstwa, a wi c stacj uj cia i uzdatniania wody, sie wodoci gow, sie kanalizacyjn i oczyszczalni cieków. Bibliografia [1] Bartkiewicz L.: Modelowanie ilo ci cieków dopływaj cych do oczyszczalni. Rozprawa doktorska, Politechnika wi tokrzyska w Kielcach, Wydział Budownictwa i In ynierii rodowiska, Kielce [2] Lomotowski J., Siwo Z.: Metodyka analizy danych pochodz cych z monitoringu systemów wodoci gowych i kanalizacyjnych. Gaz, Woda i Technika Sanitarna, nr , [3] Rojek I.: Wspomaganie procesów podejmowania decyzji i sterowania w systemach o ró nej skali zło ono ci z udziałem metod sztucznej inteligencji. Wydawnictwu UKW, Bydgoszcz [4] Studzi ski J., Karczmarska D., Popek J.: Uwagi o wdro eniu, eksploatacji i propozycjach rozbudowy GIS-Geomedia w wodoci gach rzeszowskich. W: Eksploatacja wodoci gów i kanalizacji: GIS, modelowanie i monitoring w zarz dzaniu systemami wodoci gowymi i kanalizacyjnymi, t. 7, PZSIiTS, Warszawa 2005, [5] Studzinski J.: Zastosowanie danych z monitoringu w systemie zarz dzania miejsk sieci wodoci gow. Studia i Materialy PSZW tom 9, PSZW Bydgoszcz 2007, [6] Studzinski J., Straubel R.: Optymalizacja i sterowanie miejskiej sieci wodoci gowej na podstawie modeli matematycznych. Studia i Materialy PSZW tom 10, PSZW Bydgoszcz 2007, [7] yła A.: Opracowanie algorytmów obliczeniowych do wykrywania stanów awaryjnych i nieszczelno ci sieci wodoci gowej. Raport badawczy IBS PAN nr 4B/2007, Warszawa 2007.

13 POLSKIE STOWARZYSZENIE ZARZ DZANIA WIEDZ Seria: Studia i Materiały, nr 27, COMPUTER AIDED MANAGEMENT OF MUNICIPAL WATERWORKS SUPPORTED BY MONITORING SYSTEMS Summary The computer monitoring systems for water networks have been implemented in Polish waterworks in arising range in the last years but their use there does not meet their big potentialities. The systems installed are used currently as selfcontained programs for collecting the data of water production and of water pressures in area pump stations informing the water net operators about the general state of their object while they could and should be used as integral elements of information systems for computer aided waterworks management. Such the information systems are already under development and the tasks realized by the monitoring systems working in their structure are described in the paper. Keywords: communal water network management, computer decisions making systems, GIS, mathematic Wydział Zarz dzania Uniwersytet Technologiczno-Przyrodniczy w Bydgoszczy ul. Kaliskiego 7 bud.3.1., Bydgoszcz