Все новости от 24 ноября 2003 г.

Сети нужно уметь считать

Любая инженерная сеть в корне отличается от всех других пространственных объектов тем, что она является в первую очередь направленным математическим графом.

И этот факт есть альфа и омега для любых систем, призванных автоматизировать информацию об инженерных коммуникациях (ИК) любого рода -- будь то сети водопроводные, тепловые, газовые или канализационные (последние еще делятся на хозфекальные и ливневые).

В целом задача ИТ в приложении к инженерным сетям заключается в создании плана местности -- территории, на которой расположены коммуникации населенного пункта или промышленного объекта, с нанесенным на нее графом, соответствующим сети.

Эта система должна обеспечивать проведение гидравлических расчетов, моделирование и анализ режимов, осуществлять контроль отключений и выдачу отчетов о включенных/отключенных абонентах и нагрузках, а также вырабатывать рекомендации по локализации аварийных ситуаций, решать "транспортные" (например, анализ распределения примесей) и оптимизационные задачи по минимизации непроизводительных затрат на избыточную перекачку воды.

В основе математической модели для расчетов сетей лежит граф. Как известно, он состоит из узлов, соединенных дугами. В любой сети можно выделить свой набор узловых элементов.

В теплоснабжении это источники, тепловые камеры, потребители и насосные станции. В электроснабжении -- источники, трансформаторные подстанции, потребители, распределительные узлы и др. Дугами графа являются участки трубопроводов или кабельных линий.

Участок обязательно должен начинаться и заканчиваться каким-то узлом, каждый из которых, в свою очередь, в общем случае тоже представляет собой граф, описывающий внутреннюю коммутацию и содержащий к тому же динамические элементы -- запорную арматуру или переключатели.

У любого типа сетей есть свои технические нюансы, что еще более усложняет задачу: так, в некоторых сетях участки содержат несколько параллельно идущих нитей.

Не ошибается тот, кто ничего не делает

Опыт специалистов, набивших множество шишек при информатизации коммунальных служб, говорит о том, что главное ошибочное рассуждение, лежащее в основе принятия решений об использовании той или иной информационной технологии применительно к инженерным сетям, звучит примерно так: "В первую очередь надо получить схемы сетей, привязанные к карте.

Это наглядно, красиво и современно. Далее по мере необходимости будем обучать нашу графическую систему решать технологические и эксплуатационные задачи".

Беда в том, что девять из десяти подобных проектов, касающихся инженерных сетей, приводят своих зачинателей к горькому осознанию потраченных впустую денег и сил, как только выясняется, что на основе созданной графической и атрибутивной базы данных в принципе невозможно решение большинства технологических задач.

Прискорбно, но факт, а причина предельно проста: такая система изначально не отражает "графскую сущность" сетей, а потому не позволяет выполнять математическое моделирование и не соответствует технологической специфике объекта.

Нанесение ИК на карту

Графическая составляющая информационного описания трубопроводной сети обычно не превышает 10--12% от общего объема вводимой информации.

Выбор плана местности, на который наносится информация по сетям, -- это первое, с чем приходится сталкиваться при внедрении геоинформационной системы в коммунальных службах, и от правильного решения этой задачи зависят и стоимость проекта, и его принципиальная реализуемость, и жизнеспособность системы, и возможности ее интеграции.

Специалисты ИВЦ "Поток" Арсен Ексаев и Моисей Шумяцкий считают, что в случае если доступна электронная топооснова, по возможности общая для нескольких городских служб, то ей и следует отдавать предпочтение, даже когда имеется более точная и актуальная "бумажная" информация.

Наличие готовой электронной карты, по их мнению, является очень хорошим трамплином для начала работ.

Использование на первых порах неточного, но все же электронного плана города дает возможность паспортизировать сети, не теряя их основной информационной сущности, коей является отнюдь не выверенное до метра нанесение изображения сети на топооснове, а содержательное описание этой сети как объекта управления и эксплуатации.

После того как паспортизация уже началась, электронную топооснову можно по мере необходимости уточнять и актуализировать хоть до бесконечности.

Граф и решение топологических задач

В инженерных сетях независимо от их назначения можно выделить ряд общих с точки зрения топологии элементов.

Прежде всего это источник, являющийся узловым элементом, -- например, водонапорная башня, скважина, котельная или ТЭЦ. Источник может иметь два состояния: включен или отключен.

Кроме того, есть узловой элемент типа "потребитель", который также может быть либо подключен, либо отключен. Следующий узловой элемент -- это отсекающее устройство, представленное, скажем, запорной арматурой: вентилями, задвижками, кранами.

Его тоже отличают два состояния: открыто или закрыто. Простые узлы служат для соединения участков и всегда имеют одно состояние -- открыто. Кроме узлов граф состоит из дуг, которые являются линейными объектами и соединяют пару узлов.

В зависимости от конкретной реализации участок может быть либо открытым, либо закрытым, что определяется состоянием запорной арматуры на его концах.

Существует множество конкретных задач, использующих топологические свойства сети. К примеру, это проверка связности, которая базируется на поиске пути по графу между двумя узлами.

Если путь между узлами найден, то узлы связаны друг с другом и являются членами одной подсети. Таким образом, можно определить, связан ли данный потребитель с данным источником, работают ли два источника на одну сеть.

Используя возможности ГИС по созданию тематических карт, несложно покрасить все участки, связанные с указанным источником, в один цвет, а все остальные -- в другой. Несмотря на простоту такой операции, это мощное средство контроля ошибок при вводе.

Если в каком-то месте сети ошибочно допущен разрыв, то он сразу виден благодаря смене цвета участков на границе разрыва.

Еще одной популярной задачей является поиск ближайших отсекающих устройств. Эта возможность крайне важна при локализации места аварии или плановом выводе участков сети из работы.

Конфигурация сети бывает довольно сложной, и не всегда удается быстро и правильно определить, какие отсекающие устройства нужно закрыть, чтобы изолировать участок сети.

Ошибки в таких случаях могут стоить очень дорого. Особенно важно, чтобы отключение было оптимальным и коснулось минимального числа потребителей. На графе сети такие задачи решаются очень просто.

Кроме того, часто бывает необходимо провести анализ результатов переключений в сети. Когда задвижка на карте переводится в состояние "закрыта", граф сети пересчитывается и отсеченные от источника потребители автоматически принимают состояние "отключен".

При этом формируется список отключенных потребителей с указанием их адресов. Если на карте присутствует слой с адресованными зданиями, то можно выделить графически и сами здания, оказавшиеся в результате отключенными.

Технологические расчеты

Знание топологии сети позволяет найти ответы на многие вопросы, но есть ряд задач, которые невозможно решить без учета физической сущности сетей.

Такой анализ специфичен для каждого типа инженерных сетей и охватывает электрические, гидравлические, теплогидравлические и прочностные расчеты.

Цены на ПО для расчета параметров водопроводных сетей

Использование ГИС существенно облегчает и упрощает работу по созданию расчетной модели сети и вводу атрибутивных данных.

В основе анализа режимов трубопроводных сетей лежат гидравлические расчеты. В СНГ и странах Балтии наибольшее значение такие расчеты имеют для тепловых сетей, что определяется принципами их построения и правилами эксплуатации.

Результатом любого гидравлического расчета всегда является потокораспределение: по каждому участку сети находится расход транспортируемого продукта, а по каждому узлу сети -- давление.

Методов решения задач гидравлического расчета немного, и все они хорошо известны, поэтому на первый план выступает качество алгоритмов и программной реализации гидравлического расчета. Именно на этом поле и бьются конкуренты уже третий десяток лет.

Страсти по ЖКХ

Одним из наиболее критичных звеньев технологической цепочки с точки зрения аварийности и непроизводительных затрат в России являются муниципальные распределительные сети теплоснабжения и горячего водоснабжения.

Суммарная реальная выработка тепла по стране значительно превышает суммарную реальную потребность в нем. Это соотношение за очень редким исключением справедливо практически для любого региона и населенного пункта.

То есть сумма тепловой энергии, отпущенной с местных и централизованных источников тепла, существенно больше, чем сумма тепла, реально полученного потребителями. Куда же девается разница?

Львиная доля потерь приходится на утечки тепла по причине плохой теплоизоляции: по прогалинам на свежевыпавшем снеге всякий шпион безошибочно "срисует" все теплотрассы почти в любом населенном пункте.

А прорывы труб, через которые утекает не только тепло, но и химочищенный теплоноситель? Часто встречается ситуация, когда несчастные обладатели квартир, расположенных "в хвосте" теплотрассы, мерзнут, жгут газ и устанавливают дополнительные секции батарей отопления в безуспешных попытках согреться, а их счастливые соседи, более приближенные к источнику тепла, всю зиму живут с открытыми окнами.

Это главные причины, обусловливающие запредельно низкий уровень энергоэффективности муниципального теплоснабжения.

Перечень простых и эффективных мер, которые можно предпринять быстро и без больших затрат, чтобы хоть как-то стабилизировать ситуацию, выглядит следующим образом.

Прежде всего это диагностика состояния труб и изоляции (в первую очередь в районах повышенной аварийности) и выработка на этой основе аргументированного решения о срочной плановой замене участков, находящихся в критичном состоянии.

Попутным эффектом от инженерной диагностики является сбор данных для математического моделирования сети.

Вторым пунктом должен стать расчет гидравлического режима сети по математической модели с определением участков, подлежащих замене или реконструкции по критериям гидравлики.

После этого следует составить график замены и реконструкции тех или иных участков теплосети, а собственно замена и/или реконструкция "критичных" участков должна производиться с обязательным применением относительно недорогих и эффективных технологий, гарантирующих антикоррозионную устойчивость не менее чем на 25--30 лет.

Удельная себестоимость в расчете на год эксплуатации будет в этом случае существенно ниже, чем простая "дешевая" замена на то же самое оборудование со сроком жизни от четырех до семи лет.

Кроме того, нелишне провести наладочные мероприятия, результатом которых будет максимально эффективное распределение тепла, поступающего в сеть.

Совершенно необходимо также выполнять инвентаризацию и паспортизацию сетей, их оборудования, характеристик источников и подключенных нагрузок на основе постоянно актуализируемой информации с ведением компьютерных журналов выполняемых плановых и аварийных работ, регистрацией в базе данных всех повреждений и аварий.

Производители ПО для коммунальных служб

Первые программы гидравлического расчета появились еще 30 лет назад, задолго до рождения и массового распространения геоинформационных систем. Сегодня существует много коммерческих продуктов, позволяющих автоматизировать эксплуатацию ИК.

Самые известные компании, специализирующиеся на создании такого ПО в России, -- ИВЦ "Поток" и петербургский "Политерм".

В мире крупнейшим разработчиком ПО для ИК является компания Haestad Methods.

Кроме того, существует свободно распространяемое ПО для гидравлических расчетов водопроводных сетей EPANET.

С автором можно связаться по адресу: blinkova@pcweek.ru.