Algorytmy optymalizacji systemu ICT wspomagające zarządzanie siecią wodociągową

Transkrypt

1 Katowice GPW 2014 Algorytmy optymalizacji systemu ICT wspomagające zarządzanie siecią wodociągową Jan Studziński 1

2 1. Wstęp Cel projektu Usprawnienie zarządzania siecią wodociągową za pomocą nowoczesnych technik informatycznych. Realizacja celu za pomocą zintegrowanego systemu ICT złożonego z: systemu GIS, systemu SCADA, modeli matematycznych i algorytmów optymalizacji. System wspomaga sterowanie operacyjne siecią wodociągową, projektowanie sieci, planowanie prac inwestycyjnych. Specyfiką systemu jest integracja różnych systemów i programów i wykorzystanie metod optymalizacji wielokryterialnej do zarządzania siecią wodociągową. 2

3 2. System ICT Koncepcja (1/10) 3

4 2. System ICT Realizacja (2/10) Moduł MOSUW 4

5 2. System ICT Realizacja (3/10) Moduł Aplikacje krigingowe 5

6 2. System ICT Realizacja (4/10) Moduł Modelowanie matematyczne 6

7 2. System ICT Planowane efekty (5/10) Redukcja strat wody w wyniku rewitalizacji sieci Energo-oszczędne sterowanie pompami Poprawa jakości wody w wyniku sterowania rozpływem Optymalizacja pracy sieci ze względu na ciśnienia 7

8 2. System ICT - Zaimplementowane algorytmy (6/10) Planowanie systemu monitoringu (1) Implementacja i kalibracja modelu hydraulicznego (2) Prognozowanie obciążenia sieci (3) Sterowanie pompami (4) Optymalizacja sieci (5) Liczenie wieku wody i poprawa jakości wody (6) Rewitalizacja sieci (7) 8

9 2. System ICT Algorytm optymalizacji wielokryterialnej (7/10) Optymalizacja wielokryterialna ma następujące własności: ocena wyników obliczeń odbywa się na podstawie kilku kryteriów jakości kryteria jakości mogą mieć charakter kosztowy, techniczny i technologiczny. W wyniku obliczeń otrzymuje się zbiór wielu quasi-optymalnych rozwiązań, z których dokonuje się wyboru najlepszego rozwiązania. 9

10 2. System ICT Algorytm optymalizacji wielokryterialnej (8/10) Koszty inwestycji O O O O P 2 () PU O P 1 (O) O O Koszty eksploatacji Obszar znajdowanych rozwiązań w optymalizacji wielokryterialnej 10

11 2. System ICT Algorytm optymalizacji wielokryterialnej Polish (9/10) Academy of Sciences F(1) (min): maksymalna różnica między zadanym i obliczonym ciśnieniem w węzłach końcowych F(2) (min): suma strat ciśnienia we wszystkich przewodach sieci F(3) (min): maksymalne ciśnienie pompowania ustalone dla pompy/pompowni F(4) (ma): minimalna prędkość przepływu wody w przewodach F(5) (min): łączne koszty inwestycyjne F(6) (min): cena 1 m 3 wody 100,0 % 80,0 60,0 40,0 20,0 0,0 F (3) F (4) F (5) F (6) Numer N u m m e r rozwiązania Kryteria Zie lk rite celu rie n Wyniki obliczeń optymalizacji wielokryterialnej w zadaniu projektowania sieci wodociągowej 11

12 2. System ICT Algorytm optymalizacji wielokryterialnej (10/10) Z = w 1 Z 1 + w 2 Z 2 Koszty inwestycji O B O O O P 2 () PU O P 1 (O) O O Koszty eksploatacji A Obszary znajdowanych rozwiązań w optymalizacji jednokryterialnej i wielokryterialnej 12

13 3. Opis algorytmów (1/24) Planowanie systemu monitoringu (1) (1/4) Algorytm wymaga korzystania z modelu hydraulicznego sieci. Kalibracja modelu hydraulicznego wymaga systemu monitoringu. W rezultacie realizacja algorytmu jest procesem iteracyjnym. 13

14 3. Opis algorytmów (2/24) Planowanie systemu monitoringu (1) (2/4) Badana sieć 14

15 3. Opis algorytmów (3/24) Planowanie systemu monitoringu (1) (3/4) Wyznaczanie wrażliwości sieci wodociągowej 15

16 3. Opis algorytmów (4/24) Planowanie systemu monitoringu (1) (4/4) Kryteria jakości: F(1): Min (liczba punktów pomiarowych), F(2): Ma (łączna wrażliwość punktów pomiarowych), F(3): Min (koszty instalacji punktów pomiarowych), F(4): Ma (odległość między poszczególnymi punktami pomiarowymi). 16

17 3. Opis algorytmów(5/24) Kalibracja modelu hydraulicznego (2) (1/2) Sieć z zaznaczonymi punktami monitoringu 17

18 3. Opis algorytmów (6/24) Kalibracja modelu hydraulicznego (2) (2/2) Funkcje celu przy kalibracji modelu hydraulicznego 18

19 3. Opis algorytmów (7/24) Prognozowanie obciążenia sieci (3) (1/3) Za pomocą: Szeregów czasowych Sieci neuronowych Zbiorów rozmytych 19

20 3. Opis algorytmów (8/24) Prognozowanie obciążenia sieci (3) (2/3) Metoda Clarke a 20

21 3. Opis algorytmów (9/24) Prognozowanie obciążenia sieci (3) (3/3) Sieć neuronowa MLP/

22 3. Opis algorytmów (10/24) Sterowanie pompami (4) (1/5) Sieć z 6 stacjami pomp 22

23 3. Opis algorytmów (11/24) Sterowanie pompami (4) (2/5) Hard management Pumps control (5) Przygotowanie danych 23

24 3. Opis algorytmów (12/24) Sterowanie pompami (4) (3/5) F(1) (Min: suma różnic między zadanym i obliczonym ciśnieniem w węzłach odbiorczych sieci wodociągowej) F(2) (Min: łączna moc wszystkich pompowni zainstalowanych na sieci) F(3) (Min: suma ciśnień wyjściowych we wszystkich pompowniach sieci wodociągowej) F(4) (Min: koszty produkowanej wody). 24

25 3. Opis algorytmów (13/24) Sterowanie pompami (4) (4/5) Serie Serie2 Serie3 Serie Serie1 Serie2 Serie3 Serie4 Wyniki obliczeń optymalizacji wielokryterialnej w zadaniu sterowania pompami 25

26 3. Opis algorytmów (14/24) Sterowanie pompami (4) (5/5) F(1): (Min: maksymalna różnica między zadanym i obliczonym ciśnieniem w węzłach końcowych sieci wodociągowej) F(2): (Min: suma dobowego zużycia energii przez wszystkie pompy) F(3): (Min: maksymalna liczba włączeń/wyłączeń pojedynczej pompy) F(4): (Min: maksymalne ciśnienie pompowania ustalone dla pojedynczej pompy) F(5): (Ma: minimalna prędkość przepływu wody w przewodach sieci) F(6): (Ma: łączna wymiana wody w zbiornikach wyrównawczych zainstalowanych na sieci wodociągowej). 26

27 3. Opis algorytmów (15/24) Optymalizacja sieci (5) (1/4) Lokalizacja miejsc na sieci ze złymi parametrami pracy 27

28 3. Opis algorytmów (16/24) Optymalizacja sieci (5) (2/4) Przygotowanie danych do optymalizacji sieci 28

29 3. Opis algorytmów (17/24) Optymalizacja sieci (5) (3/4) Dla zadania optymalizacji definiuje się następujące kryteria jakości: F(1) (Min: suma różnic między zadanym i obliczonym ciśnieniem w węzłach końcowych sieci wodociągowej) F(2) (Ma: sprawność energetyczna pompowni) F(3) (Min: suma ciśnień wyjściowych we wszystkich pompowniach sieci wodociągowej) F(4) (Ma: minimalna prędkość przepływu wody w odcinakach sieci) F(5) (Min: łączne koszty inwestycyjne optymalizacji) F(6) (Min: cena 1 m 3 wody) 29

30 3. Opis algorytmów (18/24) Optymalizacja sieci (5) (4/4) Funkcje celu optymalizacji i rezultaty obliczeń 30

31 3. Opis algorytmów (19/24) Obliczanie wieku wody i poprawa jakości wody (6) (1/2) Kroki algorytmu: Obliczanie wieku wody w sieci Maksymalizacja prędkości wody prowadząca do skrócenia czasu przebywania wody w rurociągach 31

32 3. Opis algorytmów (20/24) Obliczanie wieku wody i poprawa jakości wody (6) (2/2) Współpracujące programy systemu informatycznego przy obliczaniu wieku wody i sterowaniu jakością wody w sieci wodociągowej 32

33 3. Opis algorytmów (21/24) Rewitalizacja sieci (7) (1/4) Wybór decyzji, które odcinki sieci należy poddać naprawie. Uwzględnia się czynniki: Stan techniczny przewodu: Chropowatość. Aktualna trwałość przewodu: różnica między Rok produkcji i Trwałość. Subiektywna miara awaryjności przewodu w zakresie 0-100%: Awaryjność. Ryzyko strat wody: p * (1 + d / 500). Szacunkowy koszt rewitalizacji przewodu: - koszt ułożenia odcinka - kosztu nowej rury (wymiana na nowe bez zmiany średnicy);. 33

34 3. Opis algorytmów (22/24) Rewitalizacja sieci (7) (2/4) Algorytm: Wybór się podzbioru odcinków wyselekcjonowanych do rewitalizacji. Obliczenie wskaźników rewitalizacji dla wybranych odcinków. Utworzenie listy rankingowej odcinków kandydujących do rewitalizacji. Wskaźnik rewitalizacji: WR = w c * Cn + w t * (1.0 - Tn) + w a * An + w s * Sn Cn -znormalizowana wartość związana ze stanem technicznym odcinka Tn -znormalizowana wartość aktualnej trwałości odcinka An -znormalizowana wartość awaryjności Sn -znormalizowana wartość ryzyka strat wody 34

35 3. Opis algorytmów (23/24) Rewitalizacja sieci (7) (3/4) Fragment schematu sieci ze zdefiniowanym wielokątem (podobszarem) 35

36 3. Opis algorytmów (24/24) Rewitalizacja sieci (7) (4/4) Tabela odcinków wyselekcjonowanych do rewitalizacji 36

37 Prezentacja przygotowana w ramach projektu NCBiR nr POIG /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. 37

38 Dziękuję za uwagę 38