59 Streszczenie
W artykule omówiono aktualny stan informatyzacji w krajowych przedsiębior-stwach wodociągowych, oceniono jego słabe strony i przedstawiono ich możliwe przyczyny, podano możliwości względnie szybkiego usprawnienia zarządzania przed-siębiorstwami wodociągowymi za pomocą nowoczesnych technik i technologii informatycznych, zaprezentowano dwa systemy informatyczne do kompleksowego za-rządzania miejskimi sieciami wodociągowymi i kanalizacyjnymi opracowane w Instytucie Badań Systemowych PAN (IBS PAN) i testowane względnie wdrażane w kilku krajowych przedsiębiorstwach wodociągowych.
Słowa kluczowe: przedsiębiorstwa wodociągowe, zarządzanie, systemy ICT Wprowadzenie
Praktycznie do końca XX wieku w zarządzaniu przedsiębiorstwem wodociągowym w Polsce nie korzystano ze wspomagania komputerowego rozumianego jako stosowanie systemów informa-tycznych integrujących w obszarze swojego działania różnorodne zadania, sterowania, optymalizacji i planowania w odniesieniu do poszczególnych kluczowych obiektów przedsiębior-stwa czy tym bardziej całego systemu wodno-ściekowego zarządzanego przez przedsiębiorstwo wodociągowe. Te kluczowe obiekty, to stacje poboru i uzdatniania wody, sieci wodociągowe, sieci kanalizacyjne i oczyszczalnie ścieków, pozostające zwykle w gestii miejskich przedsiębiorstw wo-dociągowych, które w Polsce są z nielicznymi wyjątkami przedsiębiorstwami komunalnymi z formą prawną spółek z o.o. Brak praktycznie do chwili obecnej kompleksowego lub inaczej: systemowego podejścia do informatyzacji krajowych przedsiębiorstw ma trzy podstawowe przyczyny. Po pierw-sze, standardowa struktura organizacyjna przedsiębiorstwa komunalnego wygląda obecnie w ten sposób, że każdy kluczowy obiekt jest zarządzany przez wydzieloną i w dużym stopniu autono-miczną jednostkę organizacyjną, co znacznie ogranicza ich współpracę i planowanie rozwiązań informatycznych obejmujących swym działaniem więcej niż dany obiekt. Po drugie, przed wejściem Polski do UE był bardzo ograniczony dostęp do nowoczesnych rozwiązań i technologii informa-tycznych a takich rozwiązań nie było również na rynku krajowym. Po trzecie, forma prawna przedsiębiorstwa komunalnego powoduje znaczne ograniczenie samodzielności jego zarządu w dys-ponowaniu posiadanymi środkami finansowymi i w podejmowaniu działań niekonwencjonalnych i innowacyjnych, do których należy przekonać samorząd miejski i burmistrza lub prezydenta miasta. Ta sytuacja zaczyna się w ostatnich latach zmieniać, w niektórych przedsiębiorstwach wodociągo-wych integruje się zarządzanie obiektami poprzez łączenie odnośnych jednostek organizacyjnych, na przykład działu sieci wodociągowej i działu sieci kanalizacyjnej; przedsiębiorstwa nauczyły się pozyskiwać dodatkowe środki na inwestycje z różnych form funduszy europejskich i również – głownie dzięki kontaktom z różnymi podmiotami zagranicznymi – znacznie wzrosła świadomość
60
celowości i użyteczności wdrażania w przedsiębiorstwie nowoczesnych technik i technologii infor-matycznych. Ta pozytywna zmiana nie oznacza jednak, że już w sposób istotny zmienił się faktyczny stan informatyzacji przedsiębiorstw wodociągowych, czego przyczyną wydaje się przede wszystkim brak odpowiednich mechanizmów umożliwiających czy nawet wymuszających współ-pracę badawczą między przedsiębiorstwami a krajowymi jednostkami naukowo-badawczymi; obecnie istniejące mechanizmy funkcjonujące w sferze gospodarki i nauki taką współpracę utrud-niają lub nawet uniemożliwiają.
1. Stan faktyczny informatyzacji przedsiębiorstw wodociągowych
Wprowadzanie informatyzacji do przedsiębiorstw wodociągowych w kraju wygląda obecnie w ten sposób, że nowe rozwiązania informatyczne wprowadza się niezależnie do każdego kluczo-wego obiektu przedsiębiorstwa a nawet w ramach jednego obiektu informatyzuje się niezależnie jego poszczególne obszary działania. Oznacza to, że dla rozwiązywania pojedynczych zadań zwią-zanych z zarządzaniem zakupuje się oddzielne programy, dysponujące niezależnymi bazami danych i nie współpracujące ze sobą, przy czym przy ich zakupie nawet nie przewiduje się i nie planuje ich późniejszej integracji. Podstawowe rozwiązania informatyczne wdrażane w przedsiębiorstwach wo-dociągowych i dotyczące zarządzania technicznego, to systemy GIS generujące mapy numeryczne sieci wodociągowej i kanalizacyjnej, systemy SCADA monitoringu podstawowych parametrów charakteryzujących działanie stacji poboru wody, sieci wodociągowej i kanalizacyjnej oraz oczysz-czalni ścieków, systemy bilingowe do rejestracji ilości sprzedawanej wody a także modelu hydrauliczne przede wszystkim sieci wodociągowej i kanalizacyjnej. Nie uwzględnia się przy tym, że poszczególne obiekty przedsiębiorstwa wodociągowego tworzą ciąg technologiczny połączonych ze sobą szeregowo systemów, w którym działanie jednego obiektu wpływa na działanie kolejnego obiektu i cały ten układ powinien być traktowany od strony zarządzania, a więc i informatyzowany, jako całość. Dlatego dochodzi do takich paradoksów, że przedsiębiorstwo kupuje i próbuje wdrażać model hydrauliczny sieci kanalizacyjnej, nie mając uprzednio uruchomionego modelu sieci wodo-ciągowej, który generuje dane wejściowe do modelu kanalizacji, czy próbuje się wdrożyć model sieci wodociągowej, nie mając jeszcze wdrożonego na sieci systemu GIS generującego dane do tego modelu. W rezultacie takich działań w przedsiębiorstwie po pewnym czasie pojawia się wiele pro-gramów komputerowych, które wdrażane niezależnie i nie współpracując ze sobą przestają poprawnie funkcjonować i są bezużyteczne. To powoduje z kolei niechęć to informatyzacji w ogóle, poczucie straconych pieniędzy i trudności w przekonywaniu miejskich decydentów o celowości dal-szych działań w zakresie informatyzacji i uzyskaniu od nich zgody na przeznaczenie na ten cel odpowiednich środków finansowych. Przyczyny takiego postępowania też są jasne. Po pierwsze, kupno pojedynczego programu do realizacji pojedynczego zadania jest tańsze, niż jednoczesny za-kup i integracja kilku programów, a więc łatwiej się na to zdecydować. Po drugie, dotychczasowy brak na krajowym rynku polskich przedsiębiorstw oferujących odpowiednie produkty informa-tyczne i skorych do prac integracyjnych oraz faktyczny brak współpracy badawczej między przedsiębiorstwami wodociągowymi oraz krajowymi instytutami badawczymi powoduje, że przed-siębiorstwa są skazane na zakup oprogramowania w firmach zagranicznych, które są wyspecjalizowane w produktach dedykowanych do określonych zadań, na przykład systemy GIS,
61
modele hydrauliczne, systemy SCADA, i są ukierunkowane jedynie na sprzedaż gotowych produk-tów, które powstają w ich siedzibach zagranicznych; te firmy nie posiadają nawet w Polsce odpowiednich zespołów badawczych zdolnych do wprowadzania zmian w swoich produktach i ich integracji z produktami innych firm. Ta sytuacja również zaczyna się zmieniać, powstają na rynku polskie firmy rozwijające własne produkty informatyczne i gotowe do adaptowania ich do potrzeb przedsiębiorstw wodociągowych, jednak te zmiany nie są jeszcze na tyle duże i widoczne, aby już spowodować odpowiednie zmiany w sposobie informatyzowania przedsiębiorstw.
2. Potrzeby przedsiębiorstw wodociągowych w zakresie informatyzacji
Od momentu transformacji ustrojowej, a więc od ćwierćwiecza, obserwuje się w kraju spadek zużycia wody, a więc i spadek jej sprzedaży przez przedsiębiorstwa wodociągowe. Jest to spowo-dowane głównie likwidacją w wyniku transformacji dużych przedsiębiorstw przemysłowych a także oszczędniejszym zużywaniem wody przez jej odbiorców ze względu na istotny wzrost ceny wody w porównaniu z okresem poprzednim. Spadek sprzedaży wody oznacza mniej wpływów pienięż-nych do przedsiębiorstwa od miejskich użytkowników sieci wodociągowej i kanalizacyjnej. To z kolei wymusza z jednej strony zmniejszanie kosztów eksploatacji przedsiębiorstwa wodocią-gowego a z drugiej strony jednak podnoszenie jednostkowej ceny wody i ścieków. Podnoszenie tej ceny skutkuje znowu redukcją zużycia wody a także rosnącą skalą jej kradzieży, w rezultacie czego rosną straty finansowe, a więc i koszty eksploatacyjne przedsiębiorstwa. Ten kompleks wzajemnie powiązanych ze sobą problemów powoduje, że zarządzanie przedsiębiorstwem wodociągowym staje się coraz bardziej złożone i to również jest między innymi powodem, że w branży wodociągo-wej rośnie świadomość celowości a nawet konieczności stosowania do wspomagania zarządzania technik i technologii informatycznych, które ułatwiają, przyspieszają i optymalizują procesy podej-mowania decyzji o charakterze operacyjnym taktycznym i strategicznym. Ułatwianie i przyspieszanie działań decyzyjnych powoduje, że proces zarządzania przedsiębiorstwem staje się bardziej komfortowy, co nie znaczy, że tańszy, natomiast optymalizacja tych działań oznacza już konkretne oszczędności finansowe, co jest szczególnie ważne dla zarządów przedsiębiorstw komu-nalnych.
Wykaz podstawowych potrzeb przedsiębiorstw wodociągowych, które mogłyby być zaspoko-jone przez wprowadzanie nowoczesnych rozwiązań informatycznych a dotyczyłyby jedynie sieci wodociągowych i kanalizacyjnych, jest następujący:
Dokładna inwentaryzacja obiektów sieci wodociągowej i kanalizacyjnej; w wielu przedsię-biorstwach dysponujących starymi, kilkudziesięcioletnimi sieciami, nie jest znany szczegółowy przebieg sieci a także dokładna charakterystyka obiektów sieciowych, na przy-kład wiek i rodzaj materiału, z którego są wykonane przewody sieci, co znacznie utrudnia planowanie prac remontowych i modernizacyjnych.
Zautomatyzowanie odczytu zużycia wody przez użytkowników sieci wodociągowej; w więk-szości przedsiębiorstw zużycie wody ocenia się na podstawie danych o jej sprzedaży rejestrowanych w systemie bilingowym i ta ocena jest mało dokładna i nigdy aktualna, ponie-waż odczyty bilingowe są dokonywane z różnym i często dosyć długim odstępem czasowym, na przykład kwartalnie.
Szacowanie strat wody w wyniku awarii sieci wodociągowej; w przedsiębiorstwach nie wia-domo dokładnie, jakie są straty wody, a więc również finansowe, w wyniku awarii; straty
62
szacuje się poprzez odjęcie ilości wody sprzedanej od ilości wody wyprodukowanej, jednak na tę różnicę składają się straty wynikające z awarii, z kradzieży wody i jej zużycia na cele tech-niczne, na przykład czyszczenie przewodów, i na ogół nie wiadomo, jak te różne elementy oszacować, a więc również, jak istotne od strony finansowej jest przeciwdziałanie awariom i kradzieżom.
Wykrywanie i lokalizacja awarii na sieci wodociągowej; chociaż nie wiadomo dokładnie, jak duże są straty wody i finansowe w wyniku awarii, to jednak odczucie w przedsiębiorstwach jest na ogół takie, że te straty są duże; dlatego jest ważne, aby stany awaryjne sieci wodocią-gowej, w tym przede wszystkim wycieki ukryte, wykrywać i lokalizować szybko, unikając w ten sposób dużych strat wody; obecnie prowadzi się takie działania za pomocą loggerów i korelatorów, co jest jednak sposobem żmudnym, czasochłonnym i mało skutecznym. Poprawa jakości wody; ten problem dotyczy przede wszystkim przedsiębiorstw, w których
istnieje co najmniej kilka źródeł wody pitnej o różnej jakości i różnych kosztach jej pozyski-wania i uzdatniania i należy tak mieszać wodę pozyskiwaną z różnych źródeł, aby jej jakość była zgodna z obowiązującą normą a koszty pozyskiwania były minimalne; dotyczy on rów-nież przedsiębiorstw dysponujących starymi sieciami wodociągowymi, w których przetrzymywana woda ulega zanieczyszczeniu i należy ją dodatkowo chlorować: wtedy po-wstaje problem wyznaczenia lokalizacji dodatkowych stacji chlorowania.
Rozbudowa systemów monitoringu; obecnie monitoruje się na ogół przepływy i ciśnienia wody w stałych obiektach sieciowych, takich jak pompownie źródłowe, przepompownie stre-fowe i zbiorniki retencyjne; te informacje nie dają dokładnego obrazu pracy sieci i należy systemy monitoringu tak rozbudować, aby kilkadziesiąt punktów pomiarowych zlokalizowa-nych na przewodach sieciowych dawało możliwie pełną informację o przepływach i ciśnieniach w całej sieci.
Sterowanie operacyjne siecią wodociągową i kanalizacyjną; problem dotyczy energooszczęd-nego sterowania pompami zainstalowanymi na sieciach, przy czym w przypadku sieci wodociągowej sterowanie powinno ponadto zapewniać właściwe ciśnienia wody na końców-kach i wewnątrz sieci, natomiast w przypadku sieci kanalizacyjnych powinno zapewniać nieprzekraczanie zadanych wypełnień kanałów.
Optymalizacja procesów planowania inwestycyjnego na sieci wodociągowej i kanalizacyjnej; problem dotyczy typowania przewodów wodociągowych lub kanalizacyjnych do wymiany lub remontu, uwzględniając ich stan techniczny, dotychczasową i prognozowaną awaryjność i przewidywane koszty rewitalizacji; takie plany tworzy się obecnie zwykle w sposób ręczny, bez wspomagania komputerowego, nie mając pełnej i sformalizowanej wiedzy o awaryjności przewodów i ich roli w poprawnym funkcjonowaniu całej sieci.
63
3. Możliwości rozwiązania problemów zarządzania przedsiębiorstwem wodociągowym za pomocą technologii informatycznych
Wszystkie wymienione wyżej problemy można już obecnie stosunkowo łatwo rozwiązywać korzystając z istniejących lub rozwijanych technik i technologii informatycznych oraz stosując od-powiednie algorytmy modelowania matematycznego, optymalizacji i sterowania. Źródłem danych dla tych algorytmów mogą być odpowiednio zaplanowane systemy SCADA i systemy zdalnego radiowego odczytu zużywanej na bieżąco wody oraz systemy GIS z odnośnymi bazami danych. Na rynku krajowym istnieją firmy rozwijające systemy monitoringu i systemy GIS dedykowane dla branży wodociągowej, natomiast na uczelniach wyższych i w instytutach badawczych istnieje kadra rozwijająca odpowiednie algorytmy optymalizacyjne i modelowania matematycznego.
Inwentaryzacji obiektów sieci wodociągowej i kanalizacyjnej dokonuje się z zastosowaniem systemów GIS generujących mapy numeryczne sieci. Do zautomatyzowanego odczytu zużycia wody przez użytkowników sieci wodociągowej można stosować systemy AMR, natomiast monito-rowanie przepływów i ciśnień wody w sieci wodociągowej oraz wypełnień kanałów w sieci kanalizacyjnej jest realizowane za pomocą systemów SCADA. Dokładny obraz pracy sieci uzyskuje się za pomocą poprawnie skalibrowanych modeli hydraulicznych sieci wodociągowej i kanalizacyj-nej, ponieważ nawet najbardziej gęsty system monitoringu zlokalizowany na sieciach nie dostarczy informacji o wszystkich ciśnieniach, przepływach i wypełnieniach. Z kolei, dysponując systemami GIS, SCADA i AMR oraz modelami hydraulicznymi można rozwiązywać wszystkie inne zadania zarządzania związane z sieciami, korzystając z algorytmów optymalizacji i modelowania. Problem polega wówczas na tym, aby wymienione programy zintegrować i zapewnić szybką i sprawna ko-munikację między nimi za pomocą odpowiednio skonstruowanych plików lub tabel danych. W rezultacie takich działań otrzymuje się zintegrowane systemy ICT do kompleksowego zarządza-nia siecią wodociągową i kanalizacyjna lub do jednoczesnego zarządzazarządza-nia obiema sieciami traktowanymi jako szeregowo połączone systemy.
Poniżej pokazano koncepcje odpowiednich systemów ICT dla przedsiębiorstwa wodociągo-wego oraz przeznaczonych do kompleksowodociągo-wego zarządzania siecią wodociągową i siecią kanalizacyjną [10].
3.1. System ICT dla przedsiębiorstwa wodociągowego
W IBS PAN od kilkunastu lat prowadzone są prace dotyczące opracowania złożonych syste-mów informatycznych oraz specjalizowanych algorytsyste-mów optymalizacji i modelowania, przeznaczonych do zarządzania całym przedsiębiorstwem wodociągowym względnie sieciami wo-dociągowo-kanalizacyjnymi w miejskich przedsiębiorstwach wodociągowych.
Na Rys. 1 pokazano strukturę takiego systemu dotyczącego przedsiębiorstwa wodociągowego. W strukturze tej wyróżnia się 5 poziomów funkcjonalnych.
Poziom pierwszy oznacza kluczowe obiekty przedsiębiorstwa wodociągowego, to znaczy: sieć wodociągową, sieć kanalizacyjną z odnośną zlewnią referencyjną oraz oczyszczalnię ścieków.
Poziom drugi, to programy służące do gromadzenia względnie generowania danych pomiaro-wych lub obliczeniopomiaro-wych, zasilających bazy danych programów zlokalizowanych na poziomie trzecim systemu ICT; są to systemy SCADA monitorowania stanów pracy sieci wodociągowej, sieci kanalizacyjnej i oczyszczalni ścieków, a także system AMR zdalnego radiowego odczytu ilości zu-żywanej wody przez użytkowników sieci wodociągowej oraz model opadów deszczowych (ODM)
64
tworzony na podstawie odczytów wodomierzy zlokalizowanych na obszarze zlewni sieci kanaliza-cyjnej.
Poziom trzeci, to system GIS stanowiący platformę obliczeniową systemu ICT i gromadzący w swoich branżowych bazach danych (BBD) wszystkie techniczne i technologiczne informacje o sieci wodociągowej, kanalizacyjnej i oczyszczalni ścieków a także dane pomiarowe dostarczane przez systemy monitoringu z poziomu drugiego; ponadto na tym poziomie znajdują się programy do wyznaczania obciążenia hydraulicznego sieci wodociągowej, niezbędnego do obliczeń modelu hydraulicznego tej sieci. Z tego poziomu są uruchamiane wszystkie programy obliczeniowe znajdu-jące się na wyższych poziomach systemu ICT i na tym poziomie są gromadzone i archiwizowane wszystkie dane generowane przez poziomy niższe i wykorzystywane w programach obliczenio-wych.
Rysunek 1. Koncepcja systemu ICT do kompleksowego zarządzania przedsiębiorstwem wodociągowym
65
SW – Sieć Wodociągowa, SK – Sieć kanalizacyjna, Zlewnia – Zlewnia sieci kanalizacyjnej, OŚ – Oczyszczalnia Ścieków, ODM – Model Opadów Deszczowych, OH – Obciążenie Hydrauliczne sieci wodociągowej, MH – Model Hydrauliczny sieci wodociągowej lub kanalizacyjnej lub oczysz-czalni ścieków.
Poziom czwarty gromadzi programy do obliczeń hydraulicznych sieci wodociągowej, sieci ka-nalizacyjnej i oczyszczalni ścieków oraz program modelowania zlewni sieci kaka-nalizacyjnej. Te programy, to modele hydrauliczne obiektów przedsiębiorstwa wodociągowego, których urucho-mienie wymaga danych pomiarowych zbieranych przez systemy monitoringu i gromadzonych w bazach danych systemu GIS i jednocześnie są one źródłem danych dla programów optymalizacyj-nych, wykonujących docelowe zadania zarządzania obiektami.
Poziom piąty zawiera moduły obliczeniowe dla sieci wodociągowej, sieci kanalizacyjnej i oczyszczalni ścieków, w których znajdują się programy z algorytmami optymalizacji.
W ten sposób poziomy drugi i trzeci systemu ICT można traktować jako zbiory danych opisu-jących kluczowe obiekty przedsiębiorstwa wodociągowego; na poziomie czwartym znajdują się modele hydrauliczne obiektów służące do ich symulacji komputerowej, a wyniki symulacji pozwa-lają ocenić stan pracy tych obiektów w sposób bardziej pełny, niż systemy monitoringu zainstalowane na poziomie drugim; natomiast programy realizujące faktyczne funkcje zarządzania przedsiębiorstwem względnie jego kluczowymi obiektami znajdują się na poziomie piątym i ich wykonanie nie jest możliwe bez wcześniejszych obliczeń programów położonych na niższych po-ziomach systemu ICT. Oznacza to w konsekwencji, że nie jest możliwe zarządzanie przedsiębiorstwem wodociągowym za pomocą wspomagania komputerowego, jeżeli wcześniej nie zainstaluje się w przedsiębiorstwie systemów monitoringu SCADA i systemu mapy numerycznej GIS oraz nie uruchomi się modeli hydraulicznych odnośnych obiektów.
3.2. System ICT MOSKAN-W dla sieci wodociągowych
Poniżej pokazano strukturę i przedstawiono opis systemu ICT działającego albo w strukturze systemu ICT dla całego przedsiębiorstwa wodociągowego, albo niezależnie jedynie dla sieci wodo-ciągowej (Rys. 2).
Struktura tego systemu jest podobna do struktury systemu ICT dla całego przedsiębiorstwa wo-dociągowego. Dolna warstwa struktury, to programy stanowiące źródła danych dla programów optymalizacyjnych, to znaczy systemy monitoringu SCADA i AMR, system GIS oraz model hy-drauliczny sieci wodociągowej i modele matematyczne obliczające obciążenie hydrauliczne sieci [4]. Programy z górnej warstwy systemu ICT rozwiązują zadania zrządzania siecią wodociągową korzystając z algorytmów optymalizacji, w tym optymalizacji wielokryterialnej.
66
Rysunek 2. Koncepcja systemu ICT do zarządzania siecią wodociągową Rozwiązywane przez system zadania zarządzania, to:
• Planowanie systemu monitoringu (systemu SCADA) instalowanego na sieci wodociągowej; • Kalibracja modelu hydraulicznego;
• Detekcja i lokalizacja wycieków [5];
• Sterowanie zaworami, w tym zasuwami i reduktorami ciśnieniowymi, zainstalowanymi na sieci;
• Sterowanie pompami w pompowniach źródłowych i przepompowniach strefowych [8]; • Optymalizacja hydrauliczna sieci [3];
• Planowanie prac rewitalizacyjnych na sieci [9].
Platformą obliczeniową systemu ICT jest system GIS, jednak kluczowym programem systemu informatycznego jest model hydrauliczny sieci wodociągowej będący łącznikiem między bazami danych źródłowych do obliczeń i programami obliczeń optymalizacyjnych. Jednocześnie sam model hydrauliczny może być wykorzystany do realizacji części zadań związanych z zarządzaniem siecią wodociągową, takich jak obliczanie wieku wody lub wyznaczanie rozkładu stężeń chloru w sieci, jedynie poprzez wykonywanie obliczeń symulacyjnych [7]. Dlatego podstawowymi zadaniami przy implementacji systemu informatycznego w przedsiębiorstwie wodociągowym jest poprawna kali-bracja modelu hydraulicznego i także jego właściwa integracja z systemem GIS. Poprawna realizacja tych zadań decyduje o powodzeniu efektywnej implementacji całego systemu ICT. Przed-stawiany system informatyczny został opracowany w IBS PAN i jest częściowo wdrożony lub
67
aktualnie wdrażany i testowany w przedsiębiorstwach wodociągowych w Mikołowie [12], w GPW S.A. w Katowicach [11] i w Głubczycach.
Model hydrauliczny sieci wodociągowej zastosowany w tym systemie wykorzystuje do obli-czeń hydraulicznych kody źródłowe programu EPANET, udostępnione w Internecie przez amerykańską organizację EPA (US Environmental Protection Agency). W programie modelowania o nazwie MOSKAN-W [2] do algorytmu obliczeń hydraulicznych dołączono autorski interfejs opra-cowany w IBS PAN z uwzględnieniem wymagań i życzeń pracowników przedsiębiorstw wodociągowych, tworząc w ten sposób program wygodny, łatwy w użyciu i zrozumiały dla użyt-kownika branżowego. Na Rys. 3 są pokazane przykładowe zrzuty z ekranu programu MOSKAN-W ilustrujące jego możliwości edycyjne.
Rysunek 3. Edycja parametrów sieci interaktywna na grafie hydraulicznym sieci i w zestawieniu tabelarycznym w programie MOSKAN-W
Kolejny sygnalizowany podstawowy problem przy implementacji systemu ICT w przedsiębior-stwie wodociągowym, to integracja systemu GIS z modelem hydraulicznym. System GIS generuje i wizualizuje mapę numeryczną sieci wodociągowej w postaci grafu geodezyjnego, zrozumiałego dla operatora sieci. Jednak do obliczeń hydraulicznych graf geodezyjny należy przekształcić do po-staci grafu hydraulicznego, który jest ciągły, ma warstwę węzłów i w przypadku obliczeń optymalizacyjnych jest znacznie uproszczony. Te uproszczenia, polegające na przykład na elimina-cji z grafu otwartych zasuw, pozwalają zredukować liczbę równań opisujących sieć i w rezultacie znacznie skrócić czasy obliczeń. Integracja polega zatem na przekształceniu grafu geodezyjnego do postaci hydraulicznej i różnych formach jego upraszczania w zależności od tego, czy wykonujemy tylko jednorazowe obliczenia hydrauliczne sieci, czy również obliczenia optymalizacyjne, gdy wie-lokrotnie wykonuje się obliczenia symulacyjne modelu hydraulicznego. Na rys. 4 pokazano pliki danych stosowane w systemie ICT, za pomocą których importuje się dane obliczeniowe z systemu GIS do programu MOSKAN-W. Z kolei na rys. 5 pokazano przykładowe wyniki obliczeń wykonane za pomocą programu MOSKAN-W dla przykładowej sieci wodociągowej.
68
Rysunek 4. Pliki danych eksportowane z systemu GIS do programu MOSKAN-W w formacie XML i w formacie EPANET
Rysunek 5. Przykładowe wyniki obliczeń hydraulicznych za pomocą programu MOSKAN-W w postaci tabelarycznej i graficznej
3.3. System ICT MOSKAN dla sieci kanalizacyjnych
Poniżej pokazano strukturę i przedstawiono opis systemu ICT działającego – podobnie jak poprzed-nio – albo w strukturze systemu ICT dla całego przedsiębiorstwa wodociągowego, albo niezależnie jedynie dla sieci kanalizacyjnej (Rys. 6). Struktura systemu też podobnie składa się z warstwy dol-nej, gromadzącej programy generujące dane do obliczeń optymalizacyjnych, i z warstwy górnej złożonej z programów, które za pomocą algorytmów optymalizacji wspomagają zarzadzanie siecią kanalizacyjną. Modelowanie i optymalizacja sieci kanalizacyjnej jest znacznie trudniejsze, niż sieci wodociągowych, ponieważ:
69
Bardziej złożony i trudniejszy do obliczeń jest model hydrauliczny sieci kanalizacyjnej, opisy-wany równaniami różniczkowymi a nie algebraicznymi, jak w przypadku sieci wodociągowej; Model sieci wodociągowej jest jeden, natomiast są trzy rodzaje sieci kanalizacyjnych: ściekowe,
deszczowe i ogólnospławne, modelowane oddzielnie;
W przypadku sieci wodociągowych tworzy się tworzy się jej pojedynczy model hydrauliczny, natomiast dla sieci kanalizacyjnych oprócz modeli sieci ściekowej, deszczowej i ogólnospławnej należy dodatkowo utworzyć model zlewni, czyli terenu, na którym jest zlokalizowana sieć ka-nalizacyjna, oraz modele opadów deszczowych.
W rezultacie sam proces modelowania i także przygotowanie danych do obliczeń hydraulicz-nych są bardzo żmudne i czasochłonne.
Rysunek 6. Koncepcja systemu ICT do zarządzania siecią kanalizacyjną.
W warstwie dolnej struktury systemu ICT znajdują się system SCADA monitoringu sieci ka-nalizacyjnej, system GIS generowania mapy numerycznej sieci oraz modele matematyczne opadów deszczowych i modele hydrauliczne sieci i zlewni. W warstwie górnej znajdują się programy z al-gorytmami optymalizacji, realizujące takie zadania, jak:
Kalibracja modelu hydraulicznego sieci [1]; Projektowanie sieci;
Planowanie prac rewitalizacyjnych;
Optymalizacja hydrauliczna sieci; w przypadku sieci wodociągowych optymalizacja hydrau-liczna polega na ustaleniu właściwego ciśnienia w węzłach końcowych i wewnętrznych sieci,
70
natomiast dla sieci kanalizacyjnej polega ona na ustaleniu właściwych wysokości wypełnienia kanałów ściekami.
Poważnym problemem przy modelowaniu sieci kanalizacyjnych jest przygotowanie danych ob-liczeniowych opisujących sieć, zlewnię i źródła ścieków, na które składają się ścieki komunalne i opady deszczowe.
Przy opisie sieci kanalizacyjnej oprócz standardowych parametrów, takich jak długości, śred-nice i chropowatości przewodów oraz współrzędne przestrzenne węzłów sieci, określanych także dla sieci wodociągowych, należy zdefiniować dodatkowo profile kanałów.
Przy opisie zlewni należy zdefiniować jej powierzchnię, nachylenie terenu oraz przepuszczal-ność gruntu.
Przy opisie źródeł modeluje się opady deszczowe zasilające kanalizację bezpośrednio z po-wierzchni terenu i poprzez infiltrację w postaci wód gruntowych, oraz modeluje się profile czasowe ścieków komunalnych wytwarzanych przez użytkowników sieci wodociągowej. Należy przy tym zauważyć, że w przypadku sieci wodociągowej ma się do czynienia na ogół z jednym lub kilkoma źródłami wody, to znaczy z powierzchniowymi lub głębinowymi ujęciami wody pitnej, natomiast w przypadku sieci kanalizacyjnej źródeł ścieków komunalnych jest tyle, ile użytkowników sieci wodociągowej, to znaczy od kilku do kilkuset tysięcy w zależności od wielkości miasta, w którym są zlokalizowane obie sieci.
Platformą obliczeniową systemu ICT jest – podobnie jak poprzednio – system GIS, a kluczo-wym programem systemu informatycznego jest model hydrauliczny sieci kanalizacyjnej. Dlatego podobnie podstawowymi zadaniami przy implementacji systemu informatycznego w przedsiębior-stwie wodociągowym jest kalibracja modelu hydraulicznego i jego integracja z systemem GIS. Przedstawiany system informatyczny został opracowany w IBS PAN i był testowany w przedsię-biorstwie wodociągowym w Poznaniu [1].
Model hydrauliczny sieci kanalizacyjnej zastosowany w systemie wykorzystuje do obliczeń hydraulicznych kody źródłowe programu SWMM, udostępnione w Internecie przez amerykańską organizację EPA. W programie modelowania o nazwie MOSKAN do algorytmu obliczeń hydrau-licznych dołączono interfejs opracowany w IBS PAN z uwzględnieniem wymagań pracowników przedsiębiorstw wodociągowych. Na rysunkach 7 i 8 są pokazane przykładowe zrzuty z ekranu pro-gramu MOSKAN ilustrujące jego możliwości edycyjne w odniesieniu do obiektów i parametrów sieci i w odniesieniu do parametrów zlewni a także sposób modelowania i edytowania opadów desz-czowych. Można zauważyć, że interfejsy programów MOSKAN i MOSKAN-W są podobnej postaci dla ułatwienia posługiwania się nimi użytkownikowi branżowemu; oba programy są napi-sane w polskiej i angielskiej wersji językowej.
71
Rysunek 7. Edycja parametrów źródła i parametrów odcinka
Rysunek 8. Edycja parametrów zlewni i modelowanie opadów
Dane do obliczeń hydraulicznych są eksportowane do programu MOSKAN z systemu GIS, przy czym istotną różnicę w stosunku do modelowania sieci wodociągowej stanowi tutaj koniecz-ność dodatkowego zamodelowania zlewni. W tym celu należy utworzyć model numeryczny terenu, stanowiącego zlewnię sieci kanalizacyjnej, i jest to wykonywane również na poziomie systemu GIS. Model zlewni, podobnie jak model sieci, należy skalibrować, przy czym gdy kalibrację modelu hy-draulicznego sieci kanalizacyjnej wykonuje się automatycznie, korzystając z algorytmu optymalizacji genetycznej, to kalibrację modelu zlewni w dużym stopniu wykonuje się jeszcze w sposób ręczny, a więc żmudny i czasochłonny [1]. Obecnie opracowuje się w IBS PAN algorytmy do zautomatyzowania również tego procesu.
Na rys. 9 pokazano przykładowe wyniki obliczeń hydraulicznych wykonane za pomocą pro-gramu MOSKAN dla badanego fragmentu sieci kanalizacyjnej w Poznaniu, prezentowane w postaci tabelarycznej i graficznej. Wynikiem obliczeń hydraulicznych dla sieci wodociągowej są przepływy i ciśnienia wody odpowiednio we wszystkich odcinkach i węzłach sieci, natomiast w przypadku sieci kanalizacyjnej są to przepływy ścieków w kanałach i poziomy wypełnienia kanałów ściekami.
72
Sieć wodociągowa pracuje prawidłowo, jeżeli ciśnienia w jej węzłach odbiorczych nie są za niskie, co powodowałoby problemy z poborem wody przez użytkowników sieci, natomiast dla sieci kana-lizacyjnej jest ważne, aby wypełnienia kanałów nie były za wysokie, co grozi wypływaniem ścieków z kanalizacji i zanieczyszczaniem środowiska.
Rysunek 9. Prezentacja wyników w postaci tabelarycznej i graficznej 4. Uwagi końcowe
W artykule przedstawiono stan faktyczny informatyzacji krajowych przedsiębiorstw wodocią-gowych, wykazano przyczyny niesatysfakcjonującej sytuacji w tym zakresie oraz pokazano możliwości jej szybkiej poprawy. Podsumowanie przedstawionych rozważań można sprowadzić do następujących wniosków końcowych:
Stan faktyczny:
• W większości przedsiębiorstw wodociągowych brakuje systemów GIS dla sieci wodociągowo-kanalizacyjnych;
• Brakuje odpowiednio zaplanowanych systemów monitoringu (SCADA); • Brakuje zautomatyzowanych systemów zliczania sprzedanej wody (AMR); • Brakuje modeli hydraulicznych na sieciach wodociągowych i kanalizacyjnych;
• Brakuje komputerowo wspomaganego zarządzania przedsiębiorstwem wodociągowym; • Brakuje zintegrowanych systemów ICT dla sieci wodociągowej i kanalizacyjnej; • Brakuje również koncepcji integracji już eksploatowanych programów komputerowych. Przyczyny tego stanu:
• Brak wiedzy na poziomie decydentów o możliwościach współczesnych technik informacyjnych; • Chroniczny brak pieniędzy na innowacje informatyczne w małych i średnich przedsiębiorstwach
wodociągowych;
• Brak możliwości zapoznania się w sposób kompleksowy z produktami informatycznymi ofero-wanymi przez firmy informatyczne i krajowe jednostki badawcze;
73
• Brak systematycznej współpracy między przedsiębiorstwami wodociągowymi a uczelniami i in-stytutami badawczymi;
• Brak odpowiednich programów badawczych o charakterze aplikacyjnym dopasowanych do po-trzeb i możliwości przedsiębiorstw wodociągowych;
• Brak koncepcji na poziomie centralnym poprawy sytuacji w sposób systemowy. Możliwości poprawy sytuacji:
• Rozwijanie i wdrażanie zintegrowanych systemów ICT do kompleksowego wspomagania za-rządzania przedsiębiorstwami wodociągowymi w ramach współpracy badawczej przedsiębiorstw i krajowych instytucji naukowych oraz firm informatycznych, przy celowym wsparciu finansowym takich prac przez odpowiednio skonstruowane państwowe programy pro-jektów badawczo-rozwojowych, dopasowane do potrzeb i możliwości finansowych i organizacyjnych przedsiębiorstw komunalnych i jednostek naukowych.
Bibliografia
[1] Służalec A., Studzinski J., Wójtowicz P., Ziółkowski A.: Erstellung des hydraulischen Mo-dells eines kommunalen Abwassernetzes und dessen Kalibrierung anhand echter Daten. In: Modelierung und Simulation von Ökosystemen, Reihe: Umweltinformatik, Workshop Kölpinsee 2013 (Nguyen Xuan Thinh, Hrsg.), Rhombos-Verlag Berlin, 2014, 35–50. [2] Sluzalec A., Studzinski J., Ziolkowski A.: MOSKAN-W – the web application for modelling
and designing of water supply system. In: Simulation in Umwelt- und Geowissenschaften, Reihe: Umweltinformatik, ASIM-Mitteilung AM 150, Workshop Osnabrück 2014 (J. Witt-mann, Hrsg.), Shaker Verlag, Aachen 2014, 143–153.
[3] Stachura M., Fajdek B., Studziński J.: Optimization of water supply network rehabilitation using genetic algorithms. Industrial Simulation Conference (ISC 2014), 11–13.06.2014, Hoegskolan, EUROSIS 2014, 38–40.
[4] Stachura M., Studzinski J.: Prognozowanie obciązenia hydraulicznego miejskiego systemu wodociągowego z wykorzystaniem modeli rozmytych typu TSK. Ochrona Środowiska, Vol. 36, 1/2014, 57–6.
[5] Rojek I., Studziński J.: Comparison of different types of neuronal nets for failures location within water supply networks. Maintenance and Reliability, Vol. 16, No 1, 2014, 42–47. [6] Studzinski J.: O kapitale ludzkim i społecznym, o zarządzaniu nimi i ich wpływie na rozwój
organizacji. Studia i Materiały Polskiego Stowarzyszenia Zarządzania Wiedzą, 2013. [7] Studziński J.: Some algorithms supporting the water network management by use of
simulation of network hydraulic model. Industrial Simulation Conference (ISC 2014), 11– 13.06.2014, Hoegskolan, EUROSIS 2014, 33–37.
[8] Studzinski J., Kurowski M.: Water network pumps control reducing the energy costs. 28th International Conference on Informatics for Environmental Protection, 10–12.09.2014, Oldenburg, 307–315.
[9] Studzinski J., Kurowski M.: Computer aided planning of water nets revitalization. In: Modelling and Simulation 2014, The European Simulation and Modelling Conference 2014 (ESM 2014) (A.C. Brito, J.M. Tavares, C.B. de Oliveira, eds.), EUROSIS 2014, 194–199.
74
[10] Studzinski J., Służalec A., Ziółkowski A.: Wspomagane komputerowo kompleksowe zarządzanie miejskimi sieciami wodociągowo-kanalizacyjnymi. W: Zaopatrzenie w wodę, ja-kość i ochrona wód (Z. Dymaczewski, J. Jeż-Walkowiak, M. Nowak, red.) PZITS Poznań 2014, 1153–1165.
[11] Studziński J., Wójtowicz P., Zimoch I.: Concept of an Integrated ICT System for the management of the Large-Scale Water Distribuiton Network of the Upper Silesian Waterworks in Poland. Proceedings of the IWA 6th Eastern European Young Water
Professionals Conference <EAST Meets WEST>, Instabul, 28–30 May 2014, IWA 2014, 563–572.
[12] Wójtowicz P., Pawlak A., Studzinski J.: Automated meter reading for water demand forecast and hydraulic modelling of the municipal water distribution system in Mikołów, Poland. 11th International Conference on Hydroinformatics HIC 2014, NY City, USA, 17–21.08.2014.
COMPUTERIZATION OF COMMUNAL WATERWORKS IN POLAND: ACTUAL STATE, REQUIREMENTS, CAPABILITIES
Summary
In the paper the actual state of computerization of Polish communal waterworks is described, the week sides of the unsatisfied situation at this field are guessed and the possible reasons for that are listed and after all the existing means to improve possibly fast the waterworks management with the use of modern ICT techniques are presented. Besides two ICT systems for complex management of communal water and wastewater networks are proposed. The systems have been developed at the Systems Research Institute and they are tested or implemented currently in some Polish water-works.
Keywords: Communal waterworks, waterworks management, development of ICT systems Jan Studzinski
Instytut Badań Systemowych Polska Akademia Nauk, Warszawa e-mail: studzins@ibspan.waw.pl
