Simulační model jako součást integrovaného systému

Tags: Sítě | Vizualizace

správy dat a podpory provozu a rozvoje vodohospodářských sítí
Správci rozsáhlých veřejných sítí používají simulační modely pro simulování provozních stavů a pro simulování budoucího rozvoje sítí. Používají je také pro ověření, zda technické provozní parametry odpovídají projektovaným parametrům. Obdobně správci a provozovatelé vodovodů a kanalizací používají simulační modely pro zjištění, zda voda doteče tam, kam má. Simulační model je vlastně soubor numerických rovnic. Obsahuje podmínky a zpětné vazby, které umožňují spočítat, jaké jsou ve vodovodní nebo kanalizační síti rychlosti proudění a tlaky a jak se mění při tomto proudění kvalita vody.

V naší firmě máme zkušenosti jednak s dánským softwarovým systémem Aquis pro vodovody a Termis pro teplovodní sítě a se SiteFlow, který sami vyvíjíme. Aquis je vhodným nástrojem pro simulaci rozsáhlých vodárenských soustav. Je to zejména proto, že umožňuje průběžnou automatickou aktualizaci dat z GISu a automatickou kalibraci modelu díky napojení na dispečerské měření. Síla SiteFlow, což je vhodný nástroj pro střední vodárenské a kanalizační soustavy a pro projektanty, je v možnosti načítat geografická data a pružně je měnit v modelu, v možnosti sledovat data v podélných profilech. Nástroje pro projektanty v SiteFlow pomáhají při snadné tvorbě různých variant modelu zásobování vodou. Tím je zajištěn rychlý postup prací při ověřování různých scénářů. Oba modely, jak Aquis, tak SiteFlow, jsou schopné modelovat rozsáhlé sítě. To, co určuje vhodnost jejich použití u velkých nebo středních systémů, je to, jak mohou být modely napojeny na data z GISu a z dispečinku a jak tyto modely využít.

Nejčastější způsob práce se simulačním modelem představuje ruční pořízení dat modelu a následné výpočty. Off-line přístup s velkým podílem manuální práce je možné použít u malých sítí, u jednoduchých a nenáročných modelů. Tento přístup používají nejčastěji projektanti nebo pracovníci rozvoje vodovodů a kanalizací.

Obr. 1 Schéma Aquisu. Pro on-line propojení mezi GISem a simulačním modelem slouží Model Manager, pro napojení na data z dispečinku slouží Data Manager

Simulační model vodovodu vychází z několika skupin primárních dat. Údaje o potrubí a další údaje o vodovodní síti, mají dnes provozovatelé vodovodu uloženy v GISu. Kvalita struktury těchto dat je rozdílná. Najdeme velmi, co se týká struktury, propracované GISy, které lze okamžitě použít jako základ pro simulační model. Na druhé straně stále ještě existují takové GISy, které nelze pro jiné účely použít než zobrazování GISu použít a data je nutné pracně transformovat a předělávat.

Topologická data v GISu jsou základem informací o potrubí vodovodu či kanalizace, které použijeme v simulačním modelu. Další skupinou dat jsou informace o průběhu odběrů vody. Třetí skupina dat jsou údaje o měření okrajových podmínek, získaných jak pomocí dispečerského měření, tak přímo v reálném čase na vodovodní síti.

Primární data z GISu

Vzhledem k tomu, že pořizování topologických dat patří mezi nejpracnější a časově nejnáročnější činnosti, moderní simulační modely umí tato data různým způsobem načítat automaticky. Některé modely, jako například Aquis, automaticky data aktualizují podle změn, ke kterým v průběhu dne při editaci dat v GISu došlo. Na obr. 1 je zobrazena koncepce provozního simulačního systému Aquis. (Obdobné schéma platí také pro Termis.) Propojení mezi GISem a vlastním simulačním modelem je pomocí propojovacího můstku, který se nazývá Model Manager a který zajistí počáteční načtení dat, jejich kontrolu, úpravu chyb a pak průběžnou aktualizaci dat.

Obr. 2 Ukázka analýzy průměru potrubí kanalizační sítě s vyznačením průběhu podélného profilu na dalším obrázku

Výhodou tohoto přístupu je jednak rychlý postup prací po počátečním nastavení spojovacího můstku a jednak odstranění chyb, které vznikají při manuálním zpracování dat. Automatická aktualizace dat v simulačním modelu podle změn dat v GISu zajišťuje průběžnou aktuálnost modelu. Díky tomu odpovídá topologická struktura modelu v maximální možné míře skutečnosti. Ručně je aktualizace modelu od určité velikosti téměř neproveditelná, přináší příliš velké náklady.

Simulační model je dobrým nástrojem pro odhalení chyb v GISu. Umožňuje dobrou kontrolu vstupních dat (viz obr. 2 s pohledem na průměry potrubí) a zobrazuje výsledky simulace. Simulační model představuje vhodnou pomůcku pro identifikaci složitějších chyb v datech. Typickým příkladem může být například malý průměr potrubí. Pokud simulačním modelem zjistíte, že v daném místě je nadměrně velká rychlost proudění nebo nadměrně velká tlaková ztráta, znamená to nejpravděpodobněji chybu v průměru potrubí nebo v propojení sítě v GISu. V neposlední řadě se může jednat o námět pro budoucí vylepšení struktury sítě.

Obr. 3 Analýza sklonu potrubí: a) umístění v situaci

Data z dispečinku pro ověření modelu

Simulační model pro provozní účely je dynamický. Model se s časem mění tak, jako se mění podmínky ve skutečném vodovodu.

Dispečerské měření má k dispozici údaje o hydraulických podmínkách v nejdůležitějších místech sítě. Jedná se hlavně o hladiny vodojemů a odběry z nich. Některé vodárny sledují také průtoky a tlaky uvnitř rozvodné vodovodní sítě. Tyto údaje je možné převzít jako okrajové podmínky pro simulační model. Pokud je k dispozici odpovídající soubor dat, je možné na jejich základě model automaticky kalibrovat.

Kalibrace modelu je činnost, která je velmi náročná na lidskou práci. Výhoda automatické kalibrace modelu je v tom, že tyto kalibrace provádíme pokaždé, když je potřeba, a udržujeme model kalibrovaný i za změněných provozních podmínek. Automatickou kalibraci můžeme provést, pokud máme k dispozici on-line data z provozního dispečerského měření. Použití průběžně kalibrovaného modelu má výhodu pro použití výsledků simulace pro provozní účely – výsledky vždy co nejpřesněji odpovídají reálnému stavu.

Obr. 3 Analýza sklonu potrubí: b) přehledný podélný profil

Pohled na třetí rozměr – podélné profily

Pro projektanty, kteří zpracovávají generely a projekty, a pro ty, kteří se u provozovatele zabývají rozvojem sítí, nabízí simulační modely možnost využití podélných profilů (viz obr. 3). Vzhledem k tomu, že průtok vody jak ve vodovodu, tak v kanalizaci je závislý na gravitaci, jsou tyto podélné profily nenahraditelné. Díky nim vidíte, kde jsou dna či vrcholy sítě, kde může docházet k problémům se zavzdušněním nebo naopak s ukládáním sedimentů. Podélné profily představují také další nástroj pro odhalování chyb v datech.

Projektant tyto podélné profily na závěr své práce využije pro automatické vytvoření výkresové dokumentace (obr. 4).

Obr. 4 Automaticky vygenerovaný stavební výkres stejného podélného profilu

Nástroje pro projektování – další vylepšení simulačního modelu

Projektant nebo pracovník vodohospodářského rozvoje má v programu SiteFlow k dispozici nástroje pro projektování, které mu pomáhají rychlým způsobem upravovat data a vytvářet požadované varianty výpočtů. Jedním z těchto nástrojů je editace dat v podélném profilu. Může použít digitální model terénu a automaticky přiřazovat souřadnicím x, y výšky. Na závěr práce může uživatel SiteFlow automaticky vygenerovat výkresovou dokumentaci a tím významně ušetřit čas i finanční prostředky.

Závěr

Simulační model vodovodu či kanalizace pomáhá uživateli získat dobrý přehled o svěřené síti. Pokud je simulační model napojen on-line na data z GISu, na údaje o fakturaci vodného a stočného a na dispečerská a další měření, dostáváme nástroj, který je dynamický a integruje všechna data do jednoho systému. Znamená to, že v jednom systému vidíte průběh potrubí a umístění objektů na síti, jak se pohybují hladiny ve vodojemech a odběry z nich a jak jsou velké jednotlivé odběry. Navíc máte dobrý přehled o tom , jak se chová síť jako celek v každém okamžiku. To je informace, která je jiným způsobem nedostupná. Simulační model vám umožní znát provozní parametry – tlak vody, průtok vody a kvalitu vody ve všech místech sítě. To vám umožní získat dobrý přehled o provozně-technických parametrech v celé síti. Pomůže vám to více porozumět, jak se chová síť. Získané znalosti můžete využít například pro úpravu provozních podmínek tak, aby došlo ke snížení ztrát vody. Tyto údaje můžete využít také pro posouzení vlivu provozování na opotřebení objektů a navrhnout opatření, která zajistí, aby provozní parametry odpovídaly projektovaným parametrům a nedocházelo k přetěžování vodovodní sítě a tím ke zrychlení jejího stárnutí.

Autor, Ing. Lubomír Macek, CSc., MBA,
pracuje ve společnosti Aquion, s. r. o.