Wprowadzenie

Trudno sobie wyobrazić funkcjonowanie dzisiejszego społeczeństwa bez bieżącego dostępu do szeregu mediów takich jak: energia elektryczna, gaz czy woda pitna. Co więcej nierzadko można spotkać się ze stwierdzeniem, że media te to swoistego rodzaju „dobro społeczne”, które powinno być dostępne dla każdego. Idąc jeszcze dalej, praktycznie od zarania dziejów dostęp do wody pitnej stanowił kluczową kwestię mającą decydujący wpływ na przetrwanie ludzkości. Na przestrzeni wieków rozwój szeroko pojętej techniki doprowadził do znanego obecnie poziomu społecznego. Innymi słowy, dla większości współczesnego świata odkręcenie kurka z wodą czy podłączenie różnego rodzaju urządzeń do gniazda sieciowego jest czynnością tak naturalną, że to niemożliwość wykonania tej czynności uznawana jest za

„stan wyjątkowy”. Naturalnie możliwość takiego funkcjonowania dają odpowiednie systemy, stanowiące niejednokrotnie bardzo skomplikowane organizmy, których podstawowe zadnie można sformułować ogólnie - jako zapewnienie komfortu życia. Jednym z tego typu systemów jest z pewnością system zaopatrzenia w wodę pitną (SZwWP), zwany często systemem wodociągowym czy siecią wodociągową oraz jego część odpowiadająca już ściśle za dostarczenie wody do odbiorców zwana systemem dystrybucji wody pitnej (SDWP).

SDWP stanowi obiekt badań zawartych w niniejszej rozprawie. Formułując podstawowe zadanie dla tego systemu dość naturalnym jest mówienie o zaspokojeniu czy zapewnieniu żądanych dostaw wody, czyli zapewnieniu jej ilości zwanej zamiennie hydrauliką. Jednakże obecna świadomość nie pozwala na poprzestaniu na powyższym. Praktycznie dla nikogo nie jest już tajemnicą, że ilość wody to nie wszystko - niemniej ważnym aspektem jest jej jakość.

Wobec tego, definiując ogólne zadanie SDWP (czy SZwWP) oba aspekty muszą zostać wzięte pod uwagę. Dokładając do tego kwestię komfortu życia, podstawowe zadanie SDWP można sformułować jako: zapewnienie użytkownikom żądanej ilości wody o odpowiedniej jakości w wymaganym przez nich czasie (Brdys i Ulanicki 1994). Co więcej w dzisiejszym świecie nieodzownym jest pierwiastek ekonomiczny. Dodaje on zatem do powyższego zadania wymaganie w postaci sprostania mu przy minimalizacji kosztów. Jeśli dodamy do tego cechy samego SDWP takie jak: różne skale czasu dynamiki hydrauliki i jakości wody,

dużą liczbę elementów wchodzących w skład systemu, jego rozległość oraz topografię wynikające z cech obszarów które dany SDWP zasila, specyficzne preferencje niektórych użytkowników, itd. okazuje się, iż wydawałoby się proste zadanie staje się niezwykle skomplikowane. I tak jest w rzeczywistości, co widoczne jest chociażby przez pryzmat znacznej liczby intensywnych prac prowadzonych zarówno w sektorach naukowych jak i przemysłowych mających na celu jak najefektywniejsze sprostanie temu zadaniu. Spektrum zagadnień wpływających na sprostanie zadaniu SDWP jest na tyle szerokie, że obecnie postrzegane jest ono jako problem interdyscyplinarny integrujący wiedzę m. in. z systemów środowiskowych, systemów sterowania i technologii informacyjnych (IT). W niniejszej rozprawie poruszone zostaje jedno z tych zagadnień, a mianowicie monitorowanie jakości wody pitnej. Jego głównym zadaniem jest dostarczenie informacji o stanie jakości wody w SDWP rozumianej przez pryzmat przyjętego wskaźnika lub wskaźników jakości. Wiedza ta jest niezbędna dla potrzeb efektywnego prowadzenia procesu dystrybucji wody pitnej, a tym samy spełnienia podstawowego zadania SDWP. Naturalnie, idealną sytuacją byłoby, aby pełna informacja o jakości wody pochodziła z urządzeń do pomiaru ww. wskaźnika czy wskaźników. Jednakże, w związku z dużą liczbą przede wszystkim węzłów, nawet w niewielkim SDWP, zainstalowanie odpowiednich urządzeń pomiarowych we wszystkich węzłach jest sytuacją, którą właściwie można rozważać jedynie teoretycznie. Wynika to zarówno z samej topologii SDWP jak i z powodów ekonomicznych. Innymi słowy, koszty zarówno zainstalowania tak znacznej liczby urządzeń jak i dalszej ich eksploatacji byłyby bardzo duże. Jednym z typowych rozwiązań tego problemu jest wykorzystanie narzędzia pozwalającego na oszacowanie wartości niemierzonych wielkości jakościowych w oparciu o dostępne pomiary. Narzędziem takim jest estymacja, która w powiązaniu z algorytmem alokacji pewnej (wystarczającej) liczby urządzeń pomiarowych jakości, pozwoli na zdobycie wystarczającej wiedzy na temat stanu całego SDWP. Jednakże, aby możliwe było przeprowadzenie procesu estymacji wartości niemierzonych wielkości (wskaźników) jakościowych w SDWP koniecznym jest posiadania odpowiedniego, dla celów estymacji, modelu jakości wody w SDWP. Dodatkowo, w związku z niepewnością występującą zarówno w wielkościach hydraulicznych jak i w dostępnych pomiarach wielkości jakościowych niezbędnym jest modelowanie tej niepewności. Reasumując, poprzez opracowanie odpowiedniego modelu jakości wody pitnej w SDWP, przy uwzględnieniu występującej niepewności oraz jak najlepszym rozmieszczeniu dostępnej liczby urządzeń pomiarowych, w procesie estymacji z wykorzystaniem opracowanego estymatora możliwym powinno być uzyskanie jak najdokładniejszej informacji o jakości wody pitnej w całym

SDWP. Wobec tego ogólny cel badań przedstawionych w niniejszej rozprawie można sformułować jako:

Opracowanie i komputerowa implementacja algorytmów rozmieszczania pewnej (wystarczającej) liczby urządzeń pomiarowych jakości wody (alokacji punktów monitorowania), aby na podstawie pomiarów z nich uzyskiwanych, poprzez zastosowanie odpowiednich narzędzi, otrzymać właściwą wiedzę na temat stanu jakości w całym SDWP.

Ponadto, w rozprawie stawia się dodatkowy cel związany z efektywnością opracowanej metody estymacji jakości wody pitnej w SDWP. Innymi słowy, wymaga się, aby opracowana metoda estymacji mogła mieć zastosowanie w systemie monitorowania on-line. Zatem, projektując estymator jakości wody w rozprawie postawiono cel, aby było to narzędzie również efektywne, dzięki czemu może ono mieć zastosowanie nie tylko przy rozwiązaniu projektowego zadania alokacji urządzeń pomiarowych, ale również w samym systemie monitorowania jakości on-line.

Jak już wspomniano o aktualności tematyki badań zawartych w niniejszej rozprawie świadczy fakt znacznego nią zainteresowania zarówno sektora naukowego jak i przemysłowego, objawiający się pokaźnym zbiorem zarówno publikacji jak również uruchamianiem kolejnych projektów badawczych. W tym miejscu autor chciałby zaznaczyć, iż rozprawa była wspierana w ramach:

projektu badawczego nr 4T11A-008-25 pt.: Monitorowanie i sterowanie jakością wody w systemach dostarczania i dystrybucji (SDiDW) wody pitnej - MiSterJa, finansowanego przez Ministerstwo Nauki i Szkolnictwa Wyższego;

europejskiego projektu badawczego nr IC0806 pt.: Intelligent Monitoring, Control and Security of Critical Infrastructure Systems - IntelliCIS;

projektu badawczego nr 638/N - COST/09/20/2010/0 pt.: Intelligent Systems for Monitoring, Control and Security of Critical Infrastructure Plants: Methodology, Structures, Algorithms and Applications to Drinking Water Distribution Networks - InSIK, finansowanego przez Ministerstwo Nauki i Szkolnictwa Wyższego;

grantu nr 60904042 finansowanego przez National Natural Science Foundation of China;

Autor wyraża podziękowanie za okazane wsparcie.