KOMPUTERYZACJA SIECI WODOCIĄGOWYCH I OCZYSZCZALNI ŚCIEKÓW. Jan Studziński

Transkrypt

1 KOMPUTERYZACJA SIECI WODOCIĄGOWYCH I OCZYSZCZALNI ŚCIEKÓW Jan Studziński. Wstęp W Instytucie Badań Systemowych PAN są od lat prowadzone prace dotyczące szeroko pojętej komputeryzacji przedsiębiorstw wodociągowych. Prace mają charakter badawczo-rozwojowy i są realizowane częściowo w ramach badań statutowych i częściowo w ramach projektów badawczych KBN. W okresie od 993 r. do 24 r. zrealizowano trzy a obecnie są w fazie realizacji dwa projekty badawcze KBN, przy czym w dwóch przypadkach dotyczy to grantów a w trzech przypadkach tak zwanych projektów celowych. Prowadzone badania wymagają dużego interdyscyplinarnego zespołu i dlatego są wykonywane we współpracy z innymi ośrodkami badawczymi krajowymi i zagranicznymi a także w ścisłych kontaktach z wyspecjalizowanymi firmami komputerowymi. Partnerzy współpracujący dotychczas z Instytutem przy realizacji prac badawczych, to między innymi Politechnika Wrocławska, Akademia Rolnicza we Wrocławiu, Brandenburgische Technische Universitaet z Cottbus, oraz firmy Infoprod z Poznania, Intergraph z Warszawy i REUS z Berlina. Obecnie jest również nawiązywana współpraca z uniwersytetami w Leeds i Oxfordzie. Ponieważ prace mają w dużym stopniu charakter zastosowaniowy, więc istotnym warunkiem ich powodzenia jest dobra współpraca z wybranymi obiektami badawczymi, będącymi źródłem danych pomiarowych i odbiorcą wyników badań. Takimi partnerskimi obiektami są krajowe przedsiębiorstwa wodociągowe w Gdyni, Lublinie i Rzeszowie, przy czym szczególnie ścisła współpraca ma miejsce z Miejskim Przedsiębiorstwem Wodociągów i Kanalizacji w Rzeszowie. Docelowym zadaniem prowadzonych badań jest opracowanie kompleksowego systemu komputerowego zarządzania i sterowania miejskim systemem wodno-ściekowym dla miasta średniej wielkości. Taki system składa się z następujących podsystemów: stacja poboru i uzdatniania wody sieć wodociągowa sieć kanalizacyjna oczyszczalnia ścieków. Wymienione podsystemy są połączone szeregowo i wyjście jednego podsystemu jest jednocześnie wejściem następnego podsystemu. W przyjętej koncepcji systemu komputerowego kluczową rolę pełnią modele matematyczne poszczególnych podsystemów. Na podstawie tych modeli są realizowane zadania zarządzania i sterowania systemem wodnościekowym. Wynikiem dotychczasowych prac jest wykonanie i częściowe wdrożenie systemów komputerowych zarządzania i sterowania dla dwóch podsystemów miejskiego systemu wodno-ściekowego: sieci wodociągowej i oczyszczalni ścieków. Badania były prowadzone przede wszystkim na podstawie danych pomiarowych z obiektów w Rzeszowie. Opracowanie systemów komputerowych dla pozostałych dwóch podsystemów systemu wodno-ściekowego oraz utworzenie kompleksowego systemu komputerowego

2 sterującego wszystkimi obiektami wchodzącymi w skład miejskich wodociągów jest planowane w programie przyszłych badań i znajduje się w fazie częściowej realizacji. 2. Komputeryzacja miejskiej sieci wodociągowej w Rzeszowie 2.. Opis obiektu Sieć wodociągowa w Rzeszowie charakteryzuje się następującymi własnościami: istnieją dwa ujęcia powierzchniowej wody z rzeki Wisłok przepływającej przez Rzeszów łączna długość sieci wynosi 544 km struktura sieci ma w 8% układ pierścieniowy produkcja wody wynosi średnio 46. m 3 /d w sieci znajduje się pięć zbiorników retencyjnych o łącznej pojemności 5.6 m 3, co stanowi ok. 3 % dobowego zużycia wody sieć wodociągowa jest budowana od 929 r. fakt, że sieć jest stosunkowo stara powoduje duże zróżnicowanie sieci ze względu na rodzaj i wiek stosowanych rur to zróżnicowanie rodzajowe i wiekowe sieci powoduje w konsekwencji jej dużą awaryjność, wynoszącą około 5 awarii rocznie. Wymienione własności, charakterystyczne dla wielu miejskich sieci wodociągowych w Polsce, decydowały o potrzebie komputeryzacji sieci, co miało usprawnić i ułatwić jej sterowanie i projektowanie. Na rys. pokazano fragment badanej sieci wodociągowej w Rzeszowie. Rys.. Miejska sieć wodociągowa w Rzeszowie System komputerowy Dla sieci wodociągowej w Rzeszowie opracowano koncepcję systemu komputerowego do wspomagania decyzji operatora sieci. Podstawowe zadania systemu komputerowego są następujące: 2

3 usprawnienie prac projektowych wykonywanych przy modernizacji i rozbudowie sieci zmniejszenie kosztów eksploatacji sieci poprzez optymalizację napełniania i opróżniania zbiorników retencyjnych umieszczonych w sieci obsługa stanów awaryjnych poprzez wskazanie fragmentów sieci wymagających odcięcia zasilania dla redukcji strat wody. Poziom funkcji Wizualizacja Obliczenia Kalibracja Projektowanie Sterowanie & hydrauliczne modelu sieci Informacja Poziom modułów GIS Model System Optymalizacja Algorytmy matematyczny monitoringu sterowania Branżowa Baza Danych Poziom danych Rys. 2. Koncepcja systemu komputerowego dla sieci wodociągowej. Planowany system komputerowy pokazano na rys. 2. Ma on budowę modułową a poszczególne moduły realizują następujące funkcje: Branżowa Baza Danych stanowi zbiór danych technicznych, technologicznych i eksploatacyjnych o sieci Mapa numeryczna służy do wizualizacji sieci Model hydrauliczny wykonuje obliczenia rozkładu ciśnień i przepływów w węzłach i odcinkach sieci System monitoringu służy do aktualizacji Branżowej Bazy Danych oraz kalibracji i weryfikacji modelu hydraulicznego Algorytm optymalizacji dokonuje optymalnego doboru średnic rur sieci ze względu na wymagane ciśnienia w węzłach końcowych sieci i jest wykorzystywany przy projektowaniu, modernizacji i rozbudowie sieci Algorytm sterowania wyznacza scenariusze pracy pomp w pompowniach i przepompowniach sieci oraz napełniania zbiorników retencyjnych Algorytm stanów awaryjnych generuje eksploatowany graf sieci z wyłączonym z zasilania fragmentem z miejscem wystąpienia awarii. Dokładniejszy opis wybranych modułów systemu jest następujący: 3

4 Mapa numeryczna generuje na podstawie zwektoryzowanych map geodezyjnych miasta trzy następujące grafy sieci: graf geodezyjny odzwierciedlający rysunek sieci z map geodezyjnych graf topologiczny będący rysunkiem sieci z poprawioną topologią, bez nieciągłości występujących na mapach geodezyjnych graf hydrauliczny stanowiący rysunek sieci z podziałem na odcinki i węzły sieci; graf hydrauliczny jest podstawa obliczeń hydraulicznych sieci. DANE Z GEODEZJI (po konwersji) GEOMEDIA (edytor graficzny) PPD PASZPORTOWA BAZA DANYCH SIECI WODOCĄGOWEJ BRANŻOWA BAZA DANYCH (BBD) Wariant stanu rzeczywistego i warianty do symulacji stanów awaryjnych STEROWANIE siecią wodociągową OPTYMALIZACJA MODEL hydrauliczny sieci MONITORING Rys. 3. Realizacja systemu komputerowego. Branżowa baza danych zawiera następujące zdefiniowane obiekty sieci: odcinki źródła: pompownie, hydrofornie, zbiorniki retencyjne węzły odbiorcze węzły montażowe węzły pomiarowe zasuwy reduktory zawory zwrotne, oraz następujące zdefiniowane atrybuty obiektów: długości i średnice odcinków charakterystyki pracy pomp wymiary geometryczne zbiorników retencyjnych stany pracy i charakterystyki zasuw, reduktorów i zaworów zadane średnie ciśnienia i rozbiory wody w węzłach. Model hydrauliczny jest programem napisanym w języku Delphi z własnym edytorem graficznym. Dane obliczeniowe do programu są dostarczane za pomocą specjalnych plików buforowych. Opcjonalne funkcje modelu są następujące: możliwość zadawania rozbiorów węzłowych w węzłach odbiorczych sieci i rozbiorów odcinkowych w odcinkach sieci 4

5 możliwość wykonywania obliczeń statycznych dla zadanych średnich dobowych obciążeń sieci w węzłach odbiorczych możliwość wykonywania obliczeń dynamicznych dla zadanych godzinowych charakterystyk obciążeń sieci w węzłach odbiorczych. System monitoringu dokonuje transmisji pomiarów z punktów pomiarowych zlokalizowanych w sieci wodociągowej do komputera operatora sieci za pomocą telefonii komórkowej GSM. Na rys. 3 pokazano schemat systemu komputerowego dla sieci wodociągowej, który został ostatecznie zrealizowany i uruchomiony w wodociągach rzeszowskich. 3. Komputeryzacja miejskiej oczyszczalni ścieków w Rzeszowie 3.. Opis obiektu: Mechaniczno-biologiczna oczyszczalnia w Rzeszowie składa się następujących obiektów (rys. 4: kanał dopływu ścieków surowych piaskowniki osadniki wstępne komory z osadem czynnym (napowietrzania) osadniki wtórne. układ recyrkulacji zewnętrznej (osadu) kanał odpływowy ścieków oczyszczonych. Pompownia ścieków Ścieki surowe Rzeka Osadniki Ś cieki oczyszczone Dopływ Komory Osadniki osadu Piaskowniki czynnego wtórne wstępne Osad recyrkulowany Osad nadmierny Osad surowy Poletka osadowe WKF WKF Zagęszczacz Rys. 4. Schemat oczyszczalni ścieków w Rzeszowie. Proces technologiczny realizowany w oczyszczalni jest dwustopniowy, złożony z oczyszczania mechanicznego, które zachodzi w piaskownikach, osadnikach wstępnych i wtórnych, oraz z oczyszczania biologicznego zachodzącego w komorach z osadem czynnym. 5

6 Oczyszczanie biologiczne jest wynikiem działania bakterii tworzących tak zwany osad czynny. Podstawowe procesy oczyszczania biologicznego dotyczą redukcji związków organicznych oraz nitryfikacji, czyli częściowej redukcji związków azotowych. Na te procesy oczyszczania biologicznego decydujący wpływ mają stężenie tlenu rozpuszczonego oraz ilość i wiek osadu czynnego w komorach z osadem czynnym. Stężenie tlenu rozpuszczonego jest wynikiem napowietrzania ścieków, natomiast ilość i wiek osadu zależą od stopnia recyrkulacji osadu w układzie recyrkulacji zewnętrznej. Stężenie tlenu w komorach napowietrzania i stopień recyrkulacji osadu są dlatego podstawowymi zmiennymi sterującymi procesem oczyszczania ścieków System komputerowy Dla oczyszczalni ścieków w Rzeszowie opracowano koncepcję systemu komputerowego do wspomagania decyzji operatora oczyszczalni. Podstawowe zadania wykonywane przez system komputerowy są następujące (rys. 5): Model sterowania Model fizykalny Modele prognostyczne Baza danych +/- Monitoring Pomiary laboratoryjne Wejście Wyjście Oczyszczalnia ścieków Rys. 5.Schemat systemu komputerowego dla oczyszczalni ścieków. parametry procesu są mierzone w sposób ciągły za pomocą systemu monitoringu oraz częściowo laboratoryjnie dane pomiarowe zapisuje się w Branżowej Bazie Danych natężenie dopływu ścieków surowych do oczyszczalni oraz ilość i skład podstawowych zanieczyszczeń w ściekach surowych są prognozowane za pomocą modeli prognostycznych parametry sterujące procesem wyznacza się za pomocą modelu sterowania obliczone sterowania weryfikuje się za pomocą obliczeń symulacyjnych modelu fizykalnego oczyszczalni w przypadku weryfikacji pozytywnej obliczone sterowania uwzględnia się w procesie technologicznym w przypadku weryfikacji negatywnej następuje brak akceptacji wyznaczonych sterowań i operator oczyszczalni steruje procesem samodzielnie. W dalszym ciągu zostaną omówione podstawowe modele matematyczne stanowiące podstawę działania systemu komputerowego. 6

7 Modele prognostyczne są to modele różnicowe typu ARMA oraz w postaci sieci neuronowych. Służą one do prognozowania ilości i składu dopływających ścieków surowych. Przyjęty w modelach czas prognozowania wynosi godz. Wyznaczono model różnicowy piątego rzędu (AR[5]) i dla porównania dwa modele neuronowe zbudowane z trzech warstw o następującej strukturze: pięć neuronów na warstwie wejściowej, jeden neuron na warstwie wyjściowej oraz siedem względnie sześć neuronów na warstwie ukrytej (NNAR[5] i NNBP). Przykładowe wyniki modelowania są pokazane na rys. 6 i A R [5 ] NNAR[5] NN-BP Tim e (h) Rys. 6.Wyniki modelowania dla modelu ARMA i dwóch modeli neuronowych A R [5 ] NNAR[5] NN-BP Tim e (h) Rys. 7. Wyniki prognozowania dla modelu ARMA i dwóch modeli neuronowych. Model sterowania jest w postaci sieci neuronowej z trzema warstwami. Model uwzględnia następujące parametry procesu technologicznego: BZT 5 (Biologiczne Zapotrzebowanie Tlenu w okresie pięciodniowym), stężenie azotu i zawiesiny w dopływie ścieków surowych natężenie dopływu 7

8 stężenie tlenu i osadu czynnego oraz opadalność osadu w komorach napowietrzania stopień recyrkulacji i stężenie osadu zawracanego w układzie recyrkulacji zewnętrznej BZT 5, stężenie azotu i zawiesiny w odpływie z oczyszczalni. Sieć ma 6 neuronów na warstwie wejściowej, 2 neurony na warstwie wyjściowej i 6 neuronów na warstwie ukrytej. Funkcje przejścia między pierwszą i drugą warstwą są nieliniowymi funkcjami logistycznymi, natomiast funkcje przejścia do trzeciej warstwy są funkcjami liniowymi tożsamościowymi. Zmiennymi sterującymi obiektu i jednocześnie zmiennymi wyjściowymi modelu są stężenie tlenu rozpuszczonego w komorach napowietrzania i stopień recyrkulacji zewnętrznej osadu czynnego. Przykładowe wyniki modelowania są pokazane na rys. 9 i Rys. 9. Wyniki trenowania sieci neuronowej dla dwóch zmiennych sterujących Rys.. Wyniki testowania sieci neuronowej dla dwóch zmiennych sterujących. Model fizykalny oczyszczalni jest modelem typu Activated Sludge Model No., uwzględniającym proces nitryfikacji w komorach z osadem czynnym w warunkach napowietrzenia ścieków. Oszacowanie parametrów w modelu odbywa się ręczną metodą kalibracji na podstawie pomiarów uzyskanych z oczyszczalni w wyniku przeprowadzonych tam eksperymentów pomiarowych. Model oczyszczalni składa się z następujących autonomicznych modeli jej poszczególnych obiektów: osadników wstępnych komór napowietrzania 8

9 osadników wtórnych układu recyrkulacji zewnętrznej. Modele poszczególnych obiektów opisują idealne mieszanie cieczy w osadnikach wstępnych i komorach napowietrzania, procesy sedymentacji w osadnikach wstępnych i wtórnych oraz proces nitryfikacji w komorach napowietrzania. Częściowe wyniki kalibracji modelu fizykalnego w odniesieniu do komór napowietrzania przedstawiono w tab.. Tab.. Wyniki kalibracji dla komór napowietrzania Parametr Jednostka Pomiary Model Błąd [%] Biomasa g/ m BZT 5 g O 2 / m Amoniak g N/ m Całkowity N g N/ m Zasadowość Val/m Zakończenie Przedstawiono wyniki badań prowadzonych w Instytucie Badań Systemowych PAN w zakresie modelowania i sterowania wybranymi elementami miejskiego systemu wodnościekowego. Prace te prowadzą docelowo do opracowania złożonego systemu komputerowego do zarządzania i sterowania miejskim systemem wodno-ściekowym. Prowadzone badania są oryginalnym wkładem Instytutu w dziedzinę zastosowań informatyki i analizy systemowej w inżynierii i ochronie środowiska. Do szczególnie interesujących wyników należy zaliczyć: opracowanie i kalibrację modelu fizykalnego rzeczywistej mechanicznobiologicznej oczyszczalni ścieków opracowanie koncepcji systemu komputerowego sterowania oczyszczalnią na podstawie zróżnicowanych funkcjonalnie modeli matematycznych opracowanie modeli matematycznego sieci wodociągowej umożliwiającego statyczne i dynamiczne obliczenia hydrauliczne sieci opracowanie koncepcji i uruchomienie zintegrowanego systemu komputerowego sterowania siecią wodociągową, złożonego z systemu GIS, systemu monitoringu oraz modelu hydraulicznego sieci. 9