Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 4
ГЛАВА 1. ОБЗОР И АНАЛИЗ ПРОБЛЕМ ВОДОСНАБЖЕНИЯ ПРОМЫШЛЕННЫХ И
КОММУНАЛЬНЫХ ОБЪЕКТОВ 10
-
Анализ современного состояния промышленных и коммунальных водопроводных сетей 10
-
Использование средств вычислительной техники и информационных технологий в службах водоснабжения 12
-
Применение ГИС для мониторинга параметров объектов водопроводных сетей 18
-
Задачи оперативного управления водоснабжением промышленных и коммунальных объектов 20
-
Обзор существующих систем управления водоснабжением 24
1.6 Обзор методов расчета потокораспределения в инженерных сетях 25
ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 1 И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ 28
ГЛАВА 2. ОБЩАЯ СТРУКТУРА СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ПРОМЫШЛЕННЫХ И
КОММУНАЛЬНЫХ ОБЪЕКТОВ 31
-
Структурная схема службы водоснабжения г. Мурома 31
-
Особенности систем производственного водоснабжения 40
-
Структурная схема службы водоснабжения Кулебакского металлургического завода 42
-
Задачи информатизации диспетчерского отдела службы водоснабжения 44
-
Задачи информатизации административно-хозяйственных отделов городской службы водоснабжения 48
-
Общая структура системы управления городской службы водоснабжения... 51
-
Общая структура системы управления службы водоснабжения промышленного предприятия 56
2.8 Аппаратные и программные средства реализации системы 57
ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 2 61
ГЛАВА 3. МАТЕМАТИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ОПЕРАТИВНОГО УПРАВЛЕНИЯ
ВОДОСНАБЖЕНИЕМ 63
3.1 Вопросы использования математической модели водопроводной
сети для оперативного управления водоснабжением 63
-
Формирование математической модели водопроводной сети 74
-
Эквивалентные преобразования сегментов водопроводной сети 77
3.4 Разработка алгоритмов расчета параметров водопроводных сетей
для задач оперативного управления 79
-
Алгоритм расчета параметров водопроводной сети, основанный на эквивалентных преобразованиях элементов исходной модели 79
-
Алгоритм расчета значений параметров поля «виртуальных датчиков» водопроводной сети для целей оперативного управления... 81
3.4.3 Алгоритм локализации места аварии (нештатной ситуации) 82
ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 3 84
ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ
ВОДОПРОВОДНОЙ СЕТИ 85
4.1 Построение тестовых моделей для исследования алгоритмов
расчета параметров водопроводных сетей 85
-
Исследование алгоритма расчета параметров потокораспределения, основанного на эквивалентных преобразованиях элементов водопроводной сети 86
-
Исследование алгоритма расчета значений параметров
поля «виртуальных датчиков» водопроводной сети 92
4.4 Исследование алгоритма локализации места аварии 93
ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 4 98
ГЛАВА 5. РЕАЛИЗАЦИЯ СИСТЕМЫ ОПЕРАТИВНОГО УПРАВЛЕНИЯ
ВОДОСНАБЖЕНИЕМ 99
-
Состав системы оперативного управления водоснабжением г. Мурома 99
-
Основные характеристики и возможности системы 102
-
Описание АРМ системы оперативного управления 108
-
Сравнение системы с существующими разработками 111
ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 5 114
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 115
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 120
ПРИЛОЖЕНИЕ А 129
ПРИЛОЖЕНИЕ Б 134
Введение к работе
Служба водоснабжения является одним из важнейших звеньев инфраструктуры любого города. В современных условиях она испытывает те же трудности, что и большинство муниципальных предприятий, связанных с эксплуатацией комплекса инженерно-технических коммуникаций и сооружений [50,57,73,89].
Крайне недостаточное финансирование городских коммунальных служб приводит к тому, что большая часть используемого водопроводного оборудования имеет износ выше допустимого, что ведет к многочисленным аварийным ситуациям при эксплуатации системы. Та же причина крайне ограничивает возможности аварийных служб при оперативном устранении неисправностей.
Нормы и требования, действующие на момент проектирования и установки эксплуатируемых в настоящее время водопроводных сетей, и сооружений вступает в противоречие с ужесточением современных стандартов биологической и экологической безопасности, необходимостью перехода к энерго- и ресурсосберегающим режимам работы [2].
Важной задачей является также обеспечение водой промышленных предприятий. Наряду с перечисленными проблемами здесь добавляются специфические задачи использования воды в технологических процессах производства. Требования к количеству и качеству подаваемой воды определяются характером технологического процесса. Выполнение этих требований системой водоснабжения обеспечивает нормальную работу предприятия и надлежащее качество выпускаемой продукции. Неудовлетворительное выполнение системой водоснабжения поставленных задач может привести не только к ухудшению качества продукции или удорожанию производства, но и в ряде случаев к порче оборудования и даже к опасным авариям.
Выход из сложившейся ситуации заключается в изменении существующих методов контроля и управления объектами водопроводных сетей. Применение современных подходов, основанных на использовании средств вычислительной техники, дает возможность решать большинство задач по эксплуатации водо- проводной сети на более высоком технологическом уровне [25,28,84]. К ним относятся: непрерывный автоматизированный мониторинг параметров объектов водопроводной сети, использование технологических автоматизированных рабочих мест (АРМ) основных подразделений службы, систем для поддержки принятия решений диспетчера и др.
Все это в некоторой степени позволяет компенсировать моральный и физический износ эксплуатируемого оборудования, повысить надежность функционирования системы, обеспечить ее соответствие современным требованиям к диспетчеризации и обслуживанию.
Кроме того, такой подход соответствует современной тенденции, предполагающей интеграцию всех городских технических систем в единое информационное пространство [28].
Цель работы. Целью настоящей работы является разработка и исследование алгоритмов, являющихся основой для создания системы оперативного управления коммунальных и промышленных служб водоснабжения.
Реализация данной цели требует:
Анализа основных проблем, стоящих перед службой водоснабжения, решение которых требует перехода к использованию современных информационных технологий.
Разработки и исследования моделей и алгоритмов расчета параметров водопроводной сети, ориентированных на использование в системе оперативного управления.
Разработки структуры комплекса аппаратных и алгоритмических средств, необходимых для решения основных задач, стоящих перед службой водоснабжения.
Разработки информационного и программного обеспечения прикладной геоинформационной системы (ГИС), лежащей в основе системы мониторинга и управления за пространственно распределенными объектами водопроводной сети.
5) Разработки АРМ технологических и административно-хозяйственных отделов службы водоснабжения, объединенных общими информационными потоками. Методы исследования. В работе использованы методы теории графов, гидравлики, теории множеств, математического моделирования, вычислительной математики.
Научная новизна работы. . 1. Математические модели рабочих режимов промышленных и коммунальных водопроводных сетей, позволяющие разрабатывать и применять новые алгоритмы расчетов.
Алгоритм расчета параметров водопроводных сетей, основанный на использовании введенной модели эквивалентного преобразования сегментов водопроводной сети, позволяющий снизить вычислительные затраты при расчете.
Алгоритм расчета параметров водопроводных сетей, основанный на введенном понятии поля «виртуальных измерителей» и использовании опорных значений, позволяющий улучшить процесс сходимости решения при расчете.
Алгоритм локализации аварийной ситуации позволяющий определить ветвь с параметрами наиболее сильно отличающимися от номинальных, являющуюся наиболее вероятным местом возникновения нештатной ситуации.
Алгоритм генерации тестовых схем сетей различной величины и конфигурации, необходимых для математического моделирования процесса эксплуатации реальных инженерных сетей любого назначения. Практическая ценность работы.
1. Разработанные алгоритмы являются основой для построения систем мониторинга и управления параметрами объектов инженерных коммуникаций различного назначения (нефте- и газопроводов, теплопроводов и т.д.).
2. Разработана система оперативного управления службы водоснабжения, позволяющая решать большинство задач по эксплуатации водопроводной сети на более высоком технологическом уровне за счет использования современных подходов к диспетчеризации и обслуживанию. Реализация результатов исследований.
Разработанные алгоритмы и программы внедрены в МУП «Водоканал» г. Мурома и используются для повышения эффективности работы подразделений службы водоснабжения города; на Селивановском машиностроительном заводе и Кулебакском металлургическом заводе - для контроля за использованием водных ресурсов во внутренней заводской водопроводной сети.
Апробация работы. Диссертационная работа и отдельные ее части докладывались и обсуждались на: научных конференциях преподавателей МИ ВлГУ (1999г., 2000 г., 2001г., 2002г.), на V Международной электронной научной конференции (Воронеж, 2000), Международной научной конференции «XXVI Гагаринские чтения» (Москва, 2000), 10-й Международной науч.-техн. конф. «Проблемы передачи и обработки информации в сетях и системах телекоммуникаций» (Рязань, 2001), IV Международной научно-практической конференции «Проблемы строительства, инженерного обеспечения и экологии городов» (Пенза, 2002).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 23 работы, в том числе 20 статей и 3 тезиса докладов.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 90 наименований и приложения. Работа содержит 128 страниц основного текста, 33 рисунка, 3 таблицы. На защиту выносятся;
Алгоритм расчета параметров водопроводных сетей, основанный на использовании введенной модели эквивалентного преобразования сегментов водопроводной сети.
Алгоритм расчета параметров водопроводных сетей, основанный на введенном понятии поля «виртуальных измерителей». . 3. Алгоритм локализации аварийной ситуации.
Структура аппаратного, программного и информационного обеспечения системы оперативного управления службы водоснабжения.
Результаты исследований разработанных алгоритмов.
Работа выполнена на кафедре «Информационные системы» Муромского института Владимирского государственного университета по государственной бюджетной теме № 340/98 и х/д НИР №2315/00 и в МУП Водоканал г. Мурома. В первой главе проводится анализ проблем оперативного управления водоснабжением города, проведен обзор существующих подходов и средств решения этой задачи. Осуществляется постановка задач исследования, формулируются основные требования к разрабатываемой системе.
Во второй главе анализируются структуры муниципальных и промышленных служб водоснабжения, ставятся задачи информатизации отдельных подразделений, предлагается общая структура системы оперативного управления службы водоснабжения, определяющая основные направления исследований.
В третьей главе рассматриваются математические аспекты разработки системы оперативного управления, вводятся теоретические предпосылки к созданию новых алгоритмов расчета водопроводных сетей. Предлагаются три новых алгоритма, ориентированные на использование в системах оперативного управления подачей и распределения воды.
В четвертой главе проводятся исследования разработанных алгоритмов. Предлагается алгоритм генерации тестовых схем, служащих основой для математического моделирования водопроводных сетей. Проводится сравнение характеристик разработанных алгоритмов расчета с известными. Делаются выводы о приемлемости использования этих алгоритмов в системах оперативного управления.
В пятой главе описывается состав системы оперативного управления водоканала г. Мурома и ее основные характеристики и возможности. Проводится сравнение разработанной системы с зарубежными и отечественными аналогами.
В заключении сформулированы основные результаты, полученные в ходе работы.
В приложении приведены основные формулы расчета параметров установившегося потокораспределения в водопроводных сетях и блок-схемы алгоритмов расчета водопроводных сетей.
Приведены справки, подтверждающие использование результатов работы в МУП «Водоканал» г. Мурома; на Селивановском машиностроительном заводе (г. Селиваново), Кулебакском металлургическом заводе (г. Кулебаки).
Автор благодарит своего научного руководителя д.т.н. проф. С.С. Садыко-ва, без участия, ценных советов и терпения которого, эта работа не была бы написана, к.т.н. Жизнякова А.Л. за постоянное внимание и помощь в работе, директора Семыкина Ю.Ф. и гл. энергетика Покровского Р.А. МУП Водоканал г. Мурома за консультации.
