Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Инженерные сети как объект исследования 12
1.1. Инженерные сети 12
1.2. Принципы построения моделей сложных систем 14
1.3. Анализ инженерных сетей 20
1.3.1. Классификация инженерных сетей 20
1.3.2.Трубопроводные сети 21
1.3.3.Кабельные сети 28
1.3.4. Дорожные сети 32
1.3.5.Жизненный цикл инженерных сетей 34
1.3.6. Проектирование и реконструкция 36
1.3.7. Эксплуатация 38
1.3.8. Окружение инженерной сети 39
1.4. Задачи управления эксплуатацией 41
1.4.1. Задачи инвентаризации, паспортизации, учета 43
1.4.2. Задачи пространственного моделирования сетей 44
1.4.3. Задачи предпроектного анализа 45
1.4.4. Расчетные задачи анализа и управления 46
1.4.5. Задачи моделирования жизненного цикла объектов и оборудования 48
1.5. Обзор существующих информационно-расчетных комплексов 50
1.6. Выводы 57
Глава 2. Методы и алгоритмы моделирования 59
2.1. Постановка задачи 59
2.1.1. Задачи объектного моделирования 59
2.1.2. Задачи моделирования жизненного цикла 59
2.1.3. Задачи графового моделирования 60
2.1.4. Задачи алгебраического моделирования 62
2.2. Объектное моделирование инженерных сетей и их элементов 63
2.2.1. Иерархическое представление объектов сетей 65
2.2.2. Унификация параметров и функций 68
2.2.3. Моделирование жизненного цикла объектов сетей 72
2.3. Графовые методы моделирования сетей 77
2.3.1.Применение графов сетей для решения задач связности 79
2.3.2. Применение графов сетей для решения задач потокораспределения 80
2.3.3.Применение графов сетей для решения задач локализации аварий, резервирования 86
2.4. Алгебраическое моделирование и расчет инженерных сетей и их элементов 89
2.4.1. Моделирование потокораспределения 91
2.4.2. Двухэтапный метод расчета потокораспределения 95
2.4.3. Моделирование элементов трубопроводов 103
2.4.4. Модификации двухэтапного метода 111
2.4.5. Программная реализация двухэтапного метода 112
2.5. Пространственные модели инженерных сетей 115
2.6. Выводы 119
Глава 3. Информационные системы инженерных сетей 121
3.1. Функции информационной системы 121
3.2. Архитектура информационной системы (ИС) 123
3.2.1. Разделы ИС 123
3.2.2. Потоки данных в ИС 124
3.2.3. Графическая часть ИС 126
3.2.4. Атрибутивная часть ИС 128
3.2.5. Расчетно-аналитическая часть ИС 131
3.2.6. Ввод-вывод информации в ИС 132
3.3. Программные реализации ИС 134
3.3.1.Требования к информационной системе 134
3.3.2. Информационная система городских электросетей 137
3.3.3. Информационная система сетей газоснабжения 149
3.3.4. Информационная система городских сетей водоснабжения 154
3.3.5.Информационная система автомобильных дорог 157
3.4. Сравнение информационных систем с аналогами 161
3.5. Выводы 163
Заключение 164
Литература 168
- Задачи моделирования жизненного цикла объектов и оборудования
- Объектное моделирование инженерных сетей и их элементов
- Алгебраическое моделирование и расчет инженерных сетей и их элементов
- Информационная система городских сетей водоснабжения
Введение к работе
Инженерные сети и дороги в настоящее время являются важнейшей частью нашей жизни и цивилизации, однако их функционирование порой совершенно незаметно. Жизнь современных городов и удаленных поселков буквально зависит от того, насколько хорошо работают коммуникации, доставляющие в дома холодную и горячую воду, газ, электричество, каково качество дорог.
Долгое время при управлении такими большими и сложными системами использовались бумажные технологии, ручной счет и практика принятия решений на основе личного опыта персонала. При этом целый ряд актуальных задач решался либо некачественно, либо вообще обходился стороной. С развитием современных информационных технологий появилась возможность создавать комплексы, способные помогать решать задачи управления крупными системами. Такие комплексы выполняют функции проектирования, инвентаризации, моделирования, а также информационной поддержки экспертных оценок и принятия решений.
В настоящее время широко развивается целый класс программных продуктов, ориентированных на информационное обеспечение инженерных сетей и дорог. Первыми научными исследованиями в данной области были работы, посвященные расчету инженерных параметров сетей и режимов их функционирования. Это работы М.М. Андрияшева, Н. Cross, А.Е. Белана, В.И. Идельчика, А.Г. Евдокимова, А.Д. Тевяшева, В.В. Дубровского и других авторов. В работах этих авторов заложены основы представления сети в виде графа, а также некоторые базовые модели элементов, позволяющие производить расчеты. Развив достаточно мощную расчетную методологию для отдельных классов сетей, эти работы не получили дальнейшего развития. Это произошло вследствие того, что вычислительная техника того периода не по- зволяла использовать сложные модели и производить расчет больших сетей. Таким образом, используемые в современных расчетных комплексах базовые модели и алгоритмы были разработаны достаточно давно, однако современные вычислительные средства позволяют создавать более сложные и совершенные модели.
Другим аспектом является информационное описание инженерных сетей и дорог. Основные работы, посвященные информационному моделированию, относятся к сфере системного анализа, исследования операций, объектному и функциональному моделированию. Специфические для инженерных сетей и дорог работы в отечественной практике являются достаточно редкими. Среди них можно выделить исследования В.А. Вайсфельда, П.И. Поспелова, СВ. Гончаренко, Ю.П. Ехлакова, а также разработки компаний ООО «Терра», ИВЦ «Поток». Среди зарубежных можно отметить работы D.R. Maidment, L. Lang, С. Harder, L. Godin, а также разработки компаний ESRI, Inc., Bentley Systems, Inc., Intergraph Corp., General Electric Co., CDA International, Inc. Эти системы базируются на платформе геоинформационных систем (ГИС), систем автоматизированного проектирования (САПР) или являются специализированными. Однако остается нерешенным ряд задач, актуальных для современной практики эксплуатации инженерных сетей и дорог, а именно отслеживание эксплуатационных событий и темпоральное моделирование. Кроме того, многие разработки не учитывают отечественных нормативов и сложившейся практики эксплуатации инженерных сетей и дорог.
Таким образом, исследования, посвященные построению новых моделей инженерных сетей и дорог и созданию на их основе эксплуатационно-ориентированных информационно-расчетных систем с возможностью описания жизненного цикла сетей и дорог является, безусловно, актуальными.
Целью работы является повышение эффективности управления инженерными сетями и дорогами на основе новых информационных технологий и средств объектного и математического моделирования, создание информационных систем инженерных сетей и дорог, усовершенствование уже имеющихся и создание новых алгоритмов, предназначенных для решения практических задач, связанных с эксплуатацией.
В рамках этой общей цели были поставлены и решены автором следующие задачи: анализ структуры инженерных сетей и дорог; выделение классов задач, решаемых в ходе их эксплуатации и выработка функциональных требований к информационным системам; анализ эффективности используемых методов и алгоритмов для решения задач учета, контроля и анализа состояния объектов, а также задач оптимального управления инженерными сетями и дорогами; разработка информационной модели инженерных сетей и дорог на основе объектно-ориентированной методологии проектирования сложных систем; разработка и реализация алгоритмов топологического анализа для решения ряда базовых задач, ставящихся в ходе эксплуатации инженерных сетей; разработка и реализация модификации двухэтапного метода для расчета потокораспределения и ряда сопутствующих задач для трубопроводных сетей; разработка архитектуры информационных систем инженерных сетей и дорог на базе ГИС; проведение экспериментальных исследований и внедрение результатов работы.
Методы исследования. При выполнении диссертационной работы использовались методы системного анализа, объектно-ориентированного анализа и проектирования, теории баз данных, теории графов, методы вычислительной геометрии и геоинформатики.
Научная новизна. Научной новизной в работе обладают следующие результаты:
Разработана формальная информационная модель инженерных сетей и дорог, позволяющая отслеживать жизненные циклы компонентов сетей и имеющая элементы темпоральнсти. Модель представлена в виде набора диаграмм теории объектно-ориентированного проектирования.
Формализован ряд практических задач оперативного управления сетями: задачи выделения фидеров, задачи резервирования питания, задачи локализации аварии. Предложены методы сведения этих задач к задачам на графах, а также предложен новый алгоритм для поиска многосвязных участков сети имеющих одну точку питания от остальной сети.
Проведена адаптация двухэтапного метода расчета установившегося потокораспределения для задачи гидравлического расчета. Улучшены существующие модели элементов трубопроводных сетей.
Создана новая архитектура информационных систем инженерных сетей и на ее основе реализована комплексная информационная система по важнейшим видам инженерных сетей.
Практическая ценность.
Разработана архитектура информационных систем инженерных сетей и дорог, обладающих полным набором функций для решения задач опе ративного и долгосрочного управления инженерными сетями и дорога- ми, отличающаяся от аналогов моделями представления сети и наличием специфических разделов информационной системы.
Реализация двухэтапного метода для гидравлических сетей и улучшенных моделей элементов трубопроводных сетей позволяет существенно повысить точность и скорость расчета по сравнению с существующими аналогами, а значит, и повысить качество принимаемых решений при проектировании и управлении трубопроводными сетями.
При активном участии автора были разработаны «Информационная система городских электрических сетей», «Информационная система водоснабжения», «Информационная система теплоснабжения», «Информационная система водоотведения», «Информационная система автомобильных дорог», «Система расчета режимов водопроводных сетей», являющиеся коммерческими продуктами и распространяемые компанией ИндорСофт (г. Томск).
При активном участии автора по заказу МинПромНауки РФ (контракт № 32500.11.2425 от 09.04.2002) был разработан комплекс «Информационная система инженерных сетей промышленного предприятия», объединивший в себе разработки в области информационных систем инженерных сетей и дорог. Комплекс представляет новый уровень интеграции информационных решений по обеспечению управления и эксплуатацией инженерной инфраструктурой крупных промышленных предприятий.
Внедрение результатов работы.
Программные продукты «Информационная система электрических сетей», «Информационная система водоснабжения», «Информационная система теплоснабжения», «Информационная система водоотведения», «Информаци- онная система автомобильных дорог», «Система расчета режимов водопроводных сетей» внедрены в ряде организаций г. Томска и Западной Сибири.
Апробация работы. Основные положения диссертации и отдельные ее результаты докладывались и обсуждались: на VI Всероссийском научно-техническом семинаре «Энергетика: экология, надёжность, безопасность» (Томск, 1998 г.); на VII Всероссийском научно-техническом семинаре «Энергетика: экология, надёжность, безопасность» (Томск, 1999 г.); на «Четвертой международной конференции по прикладной и индустриальной математике» (ИНПРИМ) (Новосибирск, 2000 г.); на Международной научно-практической конференции «Геоинформатика - 2000» (Томск, 2000 г.); на Всероссийской научно-практической конференции «Актуальные проблемы повышения надежности и долговечности автомобильных дорог и искусственных сооружений на них» (Барнаул, 2003 г.); на научных семинарах факультета информатики Томского государственного университета 1999-2003 гг.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 печатных работ, в т.ч. 4 статьи в научных журналах. Кроме того, были опубликованы 3 работы по смежной тематике - геоинформатике.
Личный вклад автора в публикации. В работе [86] автором проведен обзор существующих моделей элементов трубопроводов и предложены новые модели на основе полиномиальной и сплайн-интерполяции. В работе [79] автором проведен обзор некоторых задач диспетчерского управления и предложены их обобщенные формальные описания в терминах теории графов. В работах [63, 64, 87, 90, 95] автором на основе комплексного обзора классов сетей и задач управления предложены новые информационные модели, отличающиеся единством подхода для различных классов инженерных сетей и дорог. В работах [94, 96] автором предложены новые технологические элементы построения информационных систем, обеспечивающие комплексное взаимодействие пользователей, а именно регламент совместного использования данных. В работе [88, 89] автором рассмотрены аспекты применения моделей земной поверхности для моделирования инженерных сетей. В работах [81, 53] автором предложены новые информационные модели автомобильных дорог, концепция построения информационной системы автомобильных дорог, а также описана её практическая реализация, отличающаяся наличием темпорального описания автомобильных дорог.
Положения, выносимые на защиту.
Информационные эксплуатационно-ориентированные модели инженерных сетей и дорог с элементами темпоральности.
Формализация некоторых задач диспетчерского управления, а именно: задачи выделения фидеров, задачи резервирования питания, задачи локализации аварии.
Реализация алгоритма поузловой увязки потенциалов (двухэтапного метода) для трубопроводных сетей.
Реализация новых моделей элементов трубопроводов для задач нахождения установившегося потокораспределения, учитывающих дополнительные параметры.
Задачи моделирования жизненного цикла объектов и оборудования
К расчетным задачам анализа и управления относятся задачи моделирования и расчета потокораспределения и режима [29,31]. Введем следующие определения. Потокораспределение - набор величин значений потоков транспортируемого продукта в линиях передачи и значений потенциалов (давление, напряжение, очередь на обработку) в узлах инженерной сети. Режим - набор значений управляющих параметров и потокораспределение, ему соответствующее. Режим должен удовлетворять потребителей сети с точки зрения обеспечения требуемых параметров. Большинство задач анализа и управления базируются на предварительном вычислении потокораспределения [42,79]. Рассмотрим эти задачи. Прямой расчет потокораспределения. Данная задача является не обходимой для большинства видов расчетов. Входными данными являются параметры оборудования и объектов сети, состояния коммутаторов, значения нагрузок абонентов. Результатом расчета является потокораспределение. Расчет режима. Входными данными являются параметры оборудования и объектов сети, текущие состояния коммутаторов, значения нагрузок абонентов и список управляемых параметров оборудования, доступных для регулирования. Результатом расчета является режим. Расчет требуемых технологических параметров. Входными данными являются параметры оборудования и объектов сети, текущие состояния коммутаторов, значения нагрузок абонентов и список технологических параметров оборудования, доступных для изменения. Результатом расчета будет являться режим и набор измененных технологических параметров. Расчет потерь. Входными данными является потокораспределе-ние. Результатом расчета будет набор значений энергетических, тепловых, мощностных или иных потерь для всех элементов сети и для сети в целом. Поиск участков сети с заданной топологией. Входными данными является конфигурация сети. Выходными данными является список участков сети с заданной топологией (например, односвяз-ных). Оптимизационные расчеты. Входными данными являются параметры оборудования и объектов сети, текущие состояния коммутаторов, значения нагрузок абонентов. В зависимости от задачи сюда могут включаться список управляемых и технологических параметров оборудования, доступных для регулирования и изменения. Оптимизация производится по потерям, либо по расходуемой энергии, либо по другим критериям. Результатом будет оптимальный режим и набор измененных технологических параметров. Большинство из данных видов расчетов имеют прямое практическое значение. Прямой расчет потокораспределения дает информацию о функционировании сети, о том, насколько качественно абоненты обеспечены услугой. Расчет режима позволяет получить информацию о том воздействии на сеть, которое следует предпринять, чтобы ввести ее в режим, удовлетворяющий поставленным эксплуатационным и абонентским требованиям. Расчет требуемых технологических параметров может быть использован двояко. Во-первых, он позволяет выяснить параметры оборудования для вновь создаваемой или реконструируемой сети. Во-вторых, он помогает решить режимную задачу, изменив регулируемые параметры элементов сети. Это полезно, когда имеющиеся средства управления не позволяют достичь требуемого потокораспределения. Расчет потерь предоставляет информацию об эффективности функционирования сети. Кроме того, он позволяет выявлять «узкие места» сети и привести экономические обоснования для изменения конфигурации или параметров оборудования [78]. Оптимизационные расчеты предоставляют информацию по оптимальному конфигурированию сети. Это может включать в себя и выбор режима, в котором оборудование действует с максимальной эффективностью, и возможную замену оборудования для достижения оптимального результата. Задачи моделирования жизненного цикла оборудования можно разделить на три основных вида. Это задачи моделирования технологического состояния оборудования и событий во времени, задачи отслеживания параметров оборудования во времени, задачи отслеживания конфигурации сети во времени. Задача моделирования технологического состояния оборудования и событий формулируется следующим образом. Для всех видов объектов и оборудования требуется иметь полную информацию: о неисправностях, времени их обнаружения и устранения; о регламентных и ремонтно-восстановительных работах, времени их проведения, исполнителях данных работ; о динамике изменения остаточного ресурса. Данная информация позволяет моделировать весь жизненный цикл того или иного объекта или оборудования. Задача отслеживания параметров оборудования состоит в регистрации и накоплении значений основных параметров оборудования, что позволяет проводить ретроспективный анализ их изменения. Это позволяет предупреждать выход оборудования из строя, оценивать и учитывать индивидуальные особенности. Задачи отслеживания конфигурации сети во времени состоит в накоплении информации о всех изменениях режима оборудования, изменениях состояния коммутаторов. Данная информация позволяет проводить ретроспективный анализ работы диспетчеров, режимов сети. Рассмотренный круг задач позволяет сформулировать требования к информационной системе и установить их приоритетность. Первоочередной задачей является оперативное получение информации об инженерных сетях в любой части интересующей территории, включая здания и сооружения. На сегодняшний момент эта задача осложняется отсутствием достоверной исходной информации и отсутствием единого подхода к представлению данной информации. Следующей по важности задачей можно назвать совместное представление различных инженерных сетей на едином плане (топооснове). С ней связана задача систематизации на топографической основе информации об объектах сетей. Жизненно важными задачами являются полное отслеживание неисправностей, регламентных и ремонтно-восстановительных работ, а также контроль их сроков и качества выполнения.
Следующей по важности задачей автор выделяет ведение архива документов по всем объектам сети и по эксплуатационным событиям. Связанной с ней задачей является автоматизация формирования текущих документов и выходных форм отчетности.
Менее важными, однако перспективными, автор выделяет задачи информационного обеспечения для планирования работ по реконструкции и ремонту инженерных сетей, а также автоматическое отслеживание остаточного ресурса оборудования.
Объектное моделирование инженерных сетей и их элементов
При решении ряда практических задач, связанных с проектированием и эксплуатацией трубопроводных инженерных сетей, часто возникает задача расчета и анализа установившихся гидравлических режимов (потокораспределения) [1,42]. На практике наиболее широко получила распространение математическая модель установившегося потокораспределения. В ее основе лежит моделирование сети в виде графа, ребрами которого являются последовательно соединенные элементы трубопроводов. Для расчета потокораспределения используется целый ряд различных методов [11,36]. В основе этих методов лежит моделирование гидродинамического сопротивления отдельных элементов трубопроводов.
В настоящее время получила распространение математическая модель установившегося потокораспределения, базирующаяся на следующих предпосылках: сеть представляет собой систему взаимодействия большого числа подсистем трех типов: нагрузок или потребителей, активных источников и линий связи; каждая такая /" -я подсистема характеризуется двумя величинами: последовательной (расходом, потребностью) qt и параллельной (потерей напора, напряжения, задержкой) hh рядом дополнительных параметров, а также выбранным направлением; потеря напора hi представляет собой разность давлений, под которым находится газ, или жидкость в начале и в конце / -го участка трубопровода - для трубопроводных сетей; для электрических сетей это разность напряжений, для сетей связи - средняя задержка при передаче; в качестве потребителя в сети рассматривается эквивалентный участок, называемый фиктивным (стоком) и направленный от какого-либо узла сети к точке с нулевым давлением, (напряжением); к источникам водо-, газо-, электро-, теплоснабжения (активным элементам) следует отнести насосные и компрессорные станции, источники тока, генераторы, котельные; линии связи (пассивные элементы) представляют собой участки трубопровода, кабельных и прочих линий. Сюда же относятся задвижки и прочая арматура, участвующая в передаче жидкости или газа, электрические и электронные коммутаторы. Таким образом, структура инженерной сети представляет собой граф, отражающий характер связи между подсистемами сети. Общий поток жидкости газа, или мощности, подаваемый в сеть источниками, равен суммарному расходу потребителей сети. В сети имеют место законы Кирхгофа [36,34]: сумма расходов в любом узле сети равна нулю; сумма потерь напора или напряжения по любому замкнутому циклу равна нулю. Расчетная модель сети представляет собой граф, ребрами которого являются подсистемы, состоящие из последовательно соединенных активных либо пассивных элементов; подсистемы соединяются в узлах графа (графовая модель). На рис. 30 изображена схема реальной сети, а на рис. 31 - ее графовая модель. В настоящее время для расчета установившегося потокораспределения используется несколько методов. Как правило, их относят к тому или иному виду инженерных сетей, однако существуют и общие методы.
Исторически ранее стали развиваться методы расчета электрических сетей. Среди основополагающих работ в данной области следует выделить [18,22,101].
Некоторые из методов расчета сетей постоянного тока были обобщены на трубопроводные сети. Для расчета кольцевых и многоконтурных сетей хорошо применяются на практике методы последовательных приближений [1,56,109]. Эти методы учитывают сетевой характер задачи гидравлического расчета и сводятся к последовательному уравновешиванию перепадов давления на ветвях контуров и расходов в узлах сети, исходя из законов Кирхгофа.
Метод поконтурной увязки перепадов давлений был предложен Анд-рияшевым [1] и Кроссом [109], далее рассмотрен Лобачевым [56]. Впоследствии он получил название метод Лобачева-Кросса.
Кросс также предложил метод поузловой увязки расходов, заключающийся в подборе потоков по контурам таким образом, чтобы их баланс в каждом узле был нулевым [109]. Следует отметить, что сходимость данных методов доказана только для планарных сетей.
Существует еще целый ряд работ, улучшающий предложенные методы [3,15,59]. Однако у данных методов имеется ряд недостатков. Во-первых, это плохая сходимость для сетей, имеющих много циклов и ребра с существенно различными сопротивлениями. Во-вторых, во многих методах требуется дифференцируемость функций, описывающих сопротивление и иные параметры элементов сети.
Для расчета потокораспределения автором был использован метод итеративной увязки параллельной и последовательной переменной, описанный в работах [22,101] и существенно доработанный в работе [92], где и предложено его представление в виде двухэтапного итерационного процесса. Этот метод отличается простотой реализации, широкими возможностями по управлению итерационным процессом, а также возможностью использования произвольных моделей элементов сети.
Алгебраическое моделирование и расчет инженерных сетей и их элементов
Инженерные сети имеют важную концептуальную особенность - протяженность в пространстве. Пространственная протяженность инженерных сетей предопределяет ряд задач, встающих при анализе инженерных сетей [79,85,93].
Часть этих задач косвенно связана с пространственными особенностями инженерных сетей, здесь эти особенности лишь оказывают влияние на другие параметры сети. Для примера возьмем вертикальную планировку водопроводных сетей. В задачах гидравлического расчета такая планировка является важной не сама по себе, а лишь в силу того, что она определяет собственные давления столбов жидкости в трубопроводах.
Для другого класса задач важным является именно пространственное расположение сетей. Это такие задачи, как определение зон близости, выделения топологии сети, анализ взаимного влияния (основанного на пространственной близости и когерентности) сетей и прочих объектов окружающего мира. [50,89]
В силу этого можно выделить два типа пространственных моделей: собственно геометрическая, в которой в явном виде имеется полное пространственное описание объектов, и атрибутивная — модель, в которой геометрическое описание частично и сводится к некоторому числу атрибутов объектов, используемых для численных расчетов (рис. 39). Современные геоинформационные системы являются мощным инструментом для создания пространственных моделей больших объектов, расположенных на местности. Геоинформационные модели могут содержать миллионы объектов и содержать исчерпывающую информацию об их пространственном и взаимном расположении [51]. Геометрические модели состоят из множества геометрических объектов различных типов. Взаимосвязь между классами объектной модели инженерной сети и геометрическими типами (примитивами) является основополагающей в пространственном моделировании. Примитивы бывают следующих основных видов: точки (точечные объекты), линии (линейные объекты, ломаные), полигоны (контуры, площадные объекты), поверхности (рельефы), заданные регулярными и нерегулярными сетями отсчетов [51,99,103,109,125]. Кроме того, в качестве примитивов могут выступать элементы растровых изображений (пиксели) [105,126].
При геометрическом описании объектной модели на плоскости (или на поверхности) точки представляют собой те объекты, линейные размеры которых несущественны в рамках данной задачи, а значимость имеет лишь пространственное положение, описываемое точкой (например, точки соединения трубопроводов, коммутаторы электрических цепей и т.п.). В том случае, когда важным являются также размеры и ориентация точечного объекта, он описывается точкой специального вида, которой приписываются данные атрибуты. Линиями описываются протяженные объекты, которые можно рассматривать как линии (например, трассы трубопроводов, осевые линии дорог). Полигонами описываются площадные объекты, например, здания, зоны отчуждения, земельные участки.
Однородные по типу и по семантике примитивы объединяются в слои, которые, в свою очередь, объединяются в карту или в схему. Примитивы разных слоев, расположенные в едином координатном пространстве, образуют пространственную модель инженерной сети и окружающих ее объектов.
Рассмотренная модель не описывает в явном виде пространственные и топологические отношения между примитивами. Такая модель называется нетопологической. Если ввести в явном виде пространственные отношения между примитивами, и наложить на них некоторые ограничения, то получится топологическая модель, называема также линейно-узловой. [103,109].
В линейно-узловой модели выделяется три основных вида примитивов: узлы, дуги и полигоны. При этом объектам приписываются характеристики, описывающие топологические отношения между ними. Так, дуги имеют указатели на узлы в своём начале и конце, а также на полигоны слева и справа по ходу движения из начала в конец. Полигоны при этом задаются как совокупность дуг.
При пространственном моделировании инженерной сети встает необходимость описания поверхности земли, или объемное пространственное описание объектов, в которых проложена сеть. Модель поверхности требует структур данных, в которых каждая её точка описывается тремя координатами [40,51,106,129].
В настоящее время используются следующие основные виды данных, характеризующих поверхность. Это регулярные сети отсчётов высот (прямоугольная или треугольная сети), нерегулярные сети (отдельно стоящие точки измерения высот), вертикальные профили (список высот вдоль некоторой линии на плоскости) и горизонтали (кривые линии на плане с одинаковой высотной отметкой).
Регулярная модель проще для построения и анализа, но она требует много памяти для своего представления. В модели триангуляции вся поверхность разбивается на совокупность элементарных треугольников, при этом качество аппроксимации поверхности обычно значительно выше, чем в регулярной модели [80,88].
Приведённые модели поверхности называются 2,5-мерными, так как описываемые поверхности должны быть однозначными функциями высот от планового положения точки. На практике иногда встречаются объекты, не вписывающиеся в данные рамки. Для их адекватного представления необходимо полноценное трёхмерное описание с использованием разнообразных графических примитивов [40].
В настоящее время в ряде систем расширено координатное описание графических примитивов введением третьей координаты [40,129], однако этого явно недостаточно для решения различных практических задач, например, для твёрдотельного моделирования объектов на поверхности земли.
Информационная система городских сетей водоснабжения
Предложены алгоритмы для решения задач резервирования питания, поиска локализации аварии, имеющие линейную трудоемкость. Данные задачи решались ранее без формального построения алгоритма и анализа трудоемкости. Для решения задач связности предложены модификации известных алгоритмов, отличающиеся учетом специфических условий.
Предложен новый алгоритм выделения многосвязных участков графа сети, имеющих одну точку питания, необходимый для глубокого эквиваленти-рования участков сети с целью снижения трудоемкости расчета потоко-распределения.
Для решения задачи нахождения установившегося потокораспределения в трубопроводной сети применена модификация метода поузловой увязки потенциалов (двухэтапный метод), использовавшегося ранее для расчета в электрических сетях. Предложено обобщение процедуры распределения потоков по узлам-источникам для случая произвольного закона падения потенциала.
Рассмотрены классические модели элементов трубопроводов и предложены новые, отличающиеся точным описыванием напорной характеристики при помощи набора точек и различных видов интерполяции, а также учитывающие дополнительные параметры.
На базе созданных моделей реализован ряд информационных систем. Это информационная система автомобильных дорог, информационная система городских электрических сетей, информационная система газоснабжения. Комплексность подхода к построению информационных систем позволяет, на основе их совместного использования, повысить эффективность и упростить решение широкого спектра управленческих задач в рамках предприятия, города, региона.
Далее мы коснемся перспектив использования полученных результатов. Проведенный в первой главе анализ инженерных сетей и задач, встающих при их проектировании и эксплуатации, позволяет систематизировать представление о предметной области и проводить аналогии при рассмотрении различных инженерных сетей. Такой анализ выявляет типовые задачи, встающие в самых различных инженерных сетях, а также показывает сходные и различные черты в моделировании и описании сетей. Данное рассмотрение проведено в комплексе с окружением инженерной сети, что позволяет использовать результаты для решения широкого круга смежных проблем.
Во второй главе получены важные результаты, составляющие основу как для создания информационно-расчетных систем на базе ГИС, так и для создания других информационных и расчетных систем. Так, развитие и обобщение двухэтапного метода расчета установившегося потокораспределе-ния на различные виды сетей позволяет модифицировать и использовать этот метод для решения расширенного круга задач, как-то: поиск траектории движения к требуемому режиму, решение актуальнейшей задачи о нахождении пропорций питания от разных источников, ранжирования степеней свободы по степени их воздействия на сеть и других. Новые методы моделирования элементов сетей открывает новые возможности для исследования устойчивости и сходимости решений ряда задач по моделированию процессов в сетях, а также повышения точности этих решений.
Из формулировки задачи описания жизненного цикла инженерной сети следует расширение области применения информационных систем для информационной поддержки изысканий, проектирования и строительства (реконструкции). Это позволяет органично совместить в информационном плане два этапа жизни сети, которые доселе зачастую оставались достаточно разобщенными.
Предлагаемые модели для описания изменений объектов во времени дает новые возможности по проведению темпорального анализа развития отдельных объектов и сети в целом; создания временных «срезов» и анализа надежности, отказоустойчивости и износа. В настоящее время еще нет возможности оценить и классифицировать весь тот круг задач, которые можно решить и ту информацию, которую можно получить при анализе истории.
Сведение ряда типовых задач, решаемых персоналом при эксплуатации сетей к известным и новым алгоритмам на графах, начатый в данной работе, показывает актуальность и перспективность данного направления и возможность применения таких решений для более широкого круга задач.
Описанные в третьей главе информационные системы, разработанные при участии автора на базе данной диссертационной работы, обладают рядом уникальных достоинств, заставляющих по-новому взглянуть на построение и внедрение информационных систем не только в сферу инженерных сетей. Концепция, на базе которой построены эти системы, может быть расширена до масштабов системы инженерного управления городом, крупным предприятием, регионом. Примером такой интеграции систем в единый блок может служить информационная система промышленного предприятия, в разработке которой активное участие принял автор. Данная работа была поддержана грантом по государственному контракту МинПромНауки РФ №32500.11.2425 от 09.04.2002 «Комплекс информационно-расчетных и диагностирующих систем инженерных сетей промышленных предприятий и городов».
Информатизация внедряется во все большее число сфер нашей жизни, и для улучшения качества этого процесса требуется разработка серьезных концепций, подкрепленных научными исследованиями. Исследования в области информатизации инженерных сетей являются особенно актуальными в силу революционности изменений, привносимых в результате таких исследований и внедрений в эту жизненно важную область.
