Введение к работе
Актуальность проблемы. Экологическая и санитарно-гигиеническая обстановка крупных городов во многом определяется надежной работой систем водоогведения. Увеличение водопотреб-ления как в промышленной, так и бытовой сфере, характерное для настоящего времени и проявляющееся как устойчивая тенденция на перспективу, приводит к тому, что системы водоот-ведения многих городов работают в напряженных нагрузочных режимах, близких к предельным по пропускной способности. Возможности оперативного управления такими системами, основанные на эвристических представлениях и опыте обслуживающего персонала,, во многих случаях оказываются практически исчерпанными.
Напорно-самотечные системы водоотведеняя городов, как правило, являются крупными потребителями электроэнергии, расходуемой канализационными насосными станциями сети в процессе транспортировки сточных вод. Угроза энергетического кризиса в стране выдвигает в настоящее время разработку и внедрение энергосберегающих технологий, в том числе - в системе коммунального хозяйства, в ряд наиболее актуальных и приоритетных задач.
Оптимальное оперативное управление системами водоотве-дения больших городов, основанное на' применении математического моделирования и ЭВМ, позволяет максимально использовать реальную пропускную способность систем, повысить эксплуатационную надежность и улучшить показатели качества их функционирования (снижение удельных энергозатрат на транспортировку сточных вод), а также существенно облегчить и рационализировать работу обслуживающего персонала.
Цель работы. Разработка научно-методических основ оптимального оперативного управления напорно-самотечнкми городе-
.-4-киміі системами водоотведения как в нормальных, так и в аварийных режимах эксплуатации, а таїте их реализация с помощьв алгоритмов, максимально ориентировании* на современным уровень технической оснащенности объекта.
Цель достигается путем решения следующих задачу 1. Разработка методологии математического моделирования как структурних элементов, так и системы в целом, ориентированной на максимальное использование в качестве исходных данных результатов наблюдений объекта в реальних условиях эксплуатации.
. 2. Выбор и обоснование критерия и разработка алгоритма оптимального (квазиоптнмального) оперативного управления системой водоотведения в нормальных эксплуатационных режимах на базе анализа эксплуатационных экономических показателей.
-
Разработка квазиоптималыюго управления объектом, как вынужденная альтернатива оптимальному, максимально ориентированного на возможности существующего технического оснащения систем водоотведения.
-
Организация и проведение экспериментальной проверки алгоритма управления в условиях действующей канализационной сети.
-
Разработка алгоритма управления системой водоотведения' в аварийных ситуациях.
-
Анализ возможностей и разработка рекомендаций по выбору измерительной аппаратуры для информационного обеспечения работы системы управления объектом в условиях известных трудностей непосредственного измерения расходов води в безнапорных каналах.
Me годи исследования. В работе использованы методы теории вероятностей, математической статистики (статистическая шнеаризация, обработка результатов эксперимента, проверка
статистических гипотез), исследования операции (математическое программирование, теория графов), теории автоматического управления, теории обыкновенных дифференциальных уравнений, теории планирования эксперимента, моделирования на OEM, а. таккз данные экспериментов,специально проведенных на объекте исследования.
Научная новизна диссертационной работы заключается d следующем:
-
Впервые сформулирована стратегия оперативного управления городской системой водоотведенпя путей целенаправленного перераспределения потоков сточных вод но транспортним магистралям сети.
-
Впервые поставлена и решена задача эффективного (квазпоптпмального) оперативного управления городской капор-но-самотечной системой водоотведенпя по критерию минимума суммарной удельноіі стоимости транспортировки сточных вод по канализационной сети.
-
Разработаны методологические принципы математического моделирования и получены математические модели как структурных элементов системи (каналы, насосные станции), так и объекта в целом, подчиненные решению задачи управления в соответствии с концепцией системного подхода.
-
Разработаны научные и методологические основы алгоритмизации оперативного управления системой водоотведенпя города в нормальных эксплуатационных режимах.
-
Доказана принципиальная возможность и эффективность программного управления сетью (квазноптималыюе управление), как вынужденная альтернатива оптимальному управлению, обусловленная недостаточной технической оснащенность:*) объекта для полной реализации возможностей,залеченных в данной роботе
- 6 -венин аварий на сети, как частица случай управления в нормальных эксплуатационных условиях, минимизирующий (либо полностью исключающий) сброс неочищенных сточных вод.
Практическая ценность работа заключается в следующем:
-
Разработан способ оптимального управления иапор-чо-самотечной системой водоотведения крупного города о использованием в контура управления ЭВМ.
-
Разработан и внедрен способ программного управления канализационной сетью города, позволяющий управлять системой в условиях недостаточной технической подготовленности объекта для реализации идей, залощенных в работе, в полной мере.
-
Разработан и частично внедрен алгоритм локализации повреждений, сокращающий время принятия решений обслунивающнм персоналом по разгрузке поврежденного сооружения при возникновении аварийных ситуаций на сетіь
-
Разработана методика выбора технических, средств для информационного обеспечения процесса управления городской системой водоотведения.
Достоверность и обоснованность результатов достигается в работе непротиворечивостью математических выкладок; выбором высокого уровня значимости (5% и даже 1%) при строгой применении математических методов проверки статистических гипотез об адекватности моделей; применением при экспериментальных исследованиях измерительных приборов высокого класса точности, прошедших аттестацию в метрологических организациях в нормативний сроки, и подтверждается соответствием расчетных и экспериментальных результатов.
Внедрение результатов. Внедрен и с 1934г. успешно используется разработанный алгоритм квазиоптималышго управленії:! участком Московской системи водоотведения с годовой эко-
- 7 -иомиеи электроэнергии на транспортировку сточных вод в 3,6. что обеспечивает ежегодное сокращение потребления электроэнергии около 6,52 млн. кВт.ч. Таким образом, суммарная экономия электроэнергии за все время эксплуатации, подтвергс-, денная актом о внедрении, составила около 60 млн кВт.ч.
Материалы диссертации используются в учебном процессе по кафедре "Автоматика и телемеханика" Московского Государственного Университета Путей Сообщения (МНИТ) при обучении студентов по специальности "Автоматическое управление в технических системах", включены в практику проектирования при разработке Пособии к СНнП 2.06.03-85 "Автоматизация еодопо-дачн и видоотведенпл на мелиоративных системах", выполнение- го проектно-изыскательекпм и научно-исследовательским объединением "Сеюзводпроект".
Апробация работы. Результати исследований, составляющих содержание диссертации, были представлены на следующих всесоюзных, региональных, республиканских и международных конференциях, симпозиумах и семинарах:
-
Научно-техническая конференция по итогам научно-исследовательских работ за 1977-79Г.г. Московское городское правление НТО коммунального хозяйства и бытового обслуживания. Секция водоснабжения и канализации (Москва, 1979г.).
-
Всесоюзная конференция "АСУ технологическими процессами в городском хозяйстве" (Москва, 1982г.).
-
Всесоюзный научно-технический семинар "Рациональное использование воды и топливно-энергетических ресурсов в коммунальном водном хозяйстве" (Алма-Ата, 1985г.).
-
Всесоюзная научно-техническая конференция "Основные направления развития водоснабжения, водоотведения, очистки
--8-ш u|nuihux п сточных бол и обработка осадков" (Харьков, 1906г.) 5. X всесоюзное совещание по проблемам управлении (Ллма-
Ліа. 1986г.).
ь. Всесоюзная научно-техническая конференция "Автоматизированные системи управления водоснабжением" (Харьков, 1986г.).
-
Всесоюзная научно-техническая конференция "Методи и средства организации недоучета на гидромелиоративных объектах" (Фрунзе. 1989г.).
-
5-й і-индународшіП симпозиум по управлению и автоматизация систем водоснабжении и канализации и транспортных гд'стем (Япония, Киото, 1990г.).
-
16-я конференция международной ассоциации по исследованию загрязнения воды и управлению "Качество воды - 92" (США, Вашингтон, 1992г.).
-
Международная конференция "Канализация 2000" (Нидерланды, Амстердам, 1992г.).
-
2-й международный симпозиум по гидрологическим применениям погодных радаров (ФРГ, Ганновер, 1992г.).
-
Всероссийская научная конференция "Разработка и внедрение новых технологий на транспорте" (Москва, 1993г.).
-
Специально организованный семинар на факультете ."Гидравлика, море и охрана окружающей среди" Каталонского политехнического университета (Испания, Барселона, 1993г.).
Работа била представлена на Всесоюзный конкурс но разработке наиболее аффективных решений для автоматизированных систем управления водо-, газо- и теплоснабжением Городов (1983г.) п. по результатам конкурса, награждена Дипломом Центрального правления НТО коммунального и битового обслуживания (постановление президиума ЦПНТО от 27.12.83.N 14/16).
Материалы исследований и разработок регулярно докладывались о качестве отчетов по научно-исследовательским темам
- 9 -на заседаниях кафедры "Автоматика и телемеханика" Московского Государственного Университета Путей Сообщения' (ЖИГ/ и в организации-заказчике - Московском муниципальном предприятии "Мосводоканал" (бывш. трест "Мосочиствод").
Основные защищаемые научные положения:
1. Концепция оптимального оперативного управления системой водоотведения.
Оперативное управление системой базируется на представлении разветвленной напорно-самотечной канализационной сети города как единого управляемого объекта и использует идеи системного подхода. Критерий управления - экономически обоснованный показатель качества функционирования системы в виде минимума суммарной удельной стоимости транспортировки сточных вод. Сущность управления состоит в целенаправленном перераспределении потоков сточных вод по транспортным магистралям сети в соответствии с "планом", являющимся результатом решения оптимизационной задачи на ЭВМ по исходным данным о расходах сточных вод на входах объекта.
2. Научно-методологические принципы моделирования канализационных насосных станций как структурных элементов системы управления, в том числе использование статистической линеаризации характеристики "вход-выход".
Разработаны основы методов, позволяющих идентифицировать энергетические характеристики КНС, когда, в силу необходимости выполнения ' ими функционального назначения в условиях реального объекта, возможности отключения' участков для проведения специально поставленного (активного) эксперимента либо ограничены, либо вообще невозможны. Методы максимально ориентированы на использование данных, получаемых как результат наблюдения объекта в реальных эксплуатационных режимах (пассивный эксперимент),и основываются на известных приемах
- 10 -обработки экспериментальных данных с помощью аппарата математической статистики.
3. Математическая модель канала как динамического
структурного элемента системы.
На основании линеаризованных уравнений Сен-Венана получена передаточная Функция канала относительно приращения уровня воды. Анализ амплитудно-частотной характеристики канала позволил рассматривать его, в условиях канализационной сети, как своеобразный фильтр нижних частот с весьма узкой полосой пропускания (для реальних каналов От(1,5-3.0)-1 о" с ).-Подтвержденный экспериментальными наблюдениями, этот результат дал возможность рассматривать процессы в системе транспортировки сточных вод как квазистатические.' что существенно упростило математическую модель системы в целом и алгоритм управления ею.
4. Принцип программного управления системой водоотведе-
ния.
Разработанный способ квазиоптимального управления системой обеспечивает эффективное управление ею даже при недостаточных объемах оперативной информации (ситуация, характерная для современного-состояния объекта управления).Способ использует посуточную периодичность и типично'сть графиков поступления сточных вод на входы канализационной сети, характерные для крупного города, и предусматривает переключения насосных агрегатов на.КНС и запорно-регулирующей арматуры на сети в соответствии с заранее рассчитанной временной' программой. Внедренное только на одном участке системы водоотве-дения Москвы квазиоптимальное программное управление дает экономию электроэнергии КИС сети на транспортировку сточных вод более 6,5 млн. кВт. ч. в год.
5. Принцип управления системой в аварийных ситуациях.
II-
Возникзющие на канализационной сети аварии (идентифицируемые как внезапное уменьшение пропускной способности какого-либо сооружения) приводят к резкому усложнению работа оперативного персонала по управлению системой, водоотведения. . Разработанный алгоритм локализации аварийных сооружений позволяет облегчить работу оператора путем автоматизации процесса принятия решений по скорейшей ликвидации аварии. Он является частным случаем алгоритма управления объектом в нормальных (безаварийных) условиях и позволяет' уменьшить возможный экологический и материальный ущерб от вынужденного сброса неочищенных сточных вод, минимизируя их объем.
6. Методика выбора технических средств для информацион- ного обеспечения управления системой водоотведения.
Известны технические трудности непосредственного измерения расхода воды в безнапорных каналах. Предложенная методика использует функциональную связь между расходом и уровнем воды в канале при равномерном установившемся движении. Полученные соотношения дают возможность обоснованного выбора класса точности уровнемера, используемого для косвенного измерения расхода воды в безнапорном канале, гарантирующего измерение расхода с точностью, не ниже заданной.
Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в одной монографии и в 45 научных статьях и докладах, в том числе за рубежом (США, Германия, Англия, Франция, Нидерланды, Швейцария, Польша. Чехия).
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения и выводов, библиографии (191 наименование) и приложений. Работа изложена на 295 страницах машинописного текста, содержит 13 таблиц, 39 рисунков.