Мониторинг и контрол на водоснабдителни системи

Водоразпределителните системи са сериозно предизвикателство пред технологиите за структурен мониторинг. Типично те се състоят от сложна тръбна мрежа, вкопана под земята, която е относително недостъпна за наблюдение. Същевременно, поддържането на целостта на тези мрежи е от съществено значение за осигуряването на чиста питейна вода за абонатите на съответното ВиК дружество, което стопанисва системата. За да се осигури ефективно управление на водоснабдяването и безпроблемна работа на съоръженията, са необходими централизирани платформи за мониторинг и контрол на ВиК мрежите с локално разположени измервателни устройства и сензори из цялата система, които да изпращат данни в реално време към контролния център. Посредством такива технологии могат да бъдат своевременно регистрирани и бързо локализирани течове по водопроводите, както и да се откриват зоните, подложени на най-голямо натоварване и най-висок риск от авария, за да се проведе необходимата предварителна рехабилитация и поддръжка.

Модерните платформи за контрол и мониторинг на водоснабдителни мрежи управляват и анализират данни от полеви устройства, като интелигентни безжични сензорни възли, които непрекъснато следят хидравличните, акустичните, качествените, количествените и други параметри на системата. Те се комбинират със софтуерни инструменти за динамично прогнозно моделиране и симулация на различни сценарии с дадено потребление, хидравлично състояние на мрежата и специфична комбинация от работни условия. Така е възможно предотвратяването на критични събития като пробиви на тръбопроводите, загуби на вода и прекъсване на водоснабдяването. В допълнение се генерират информационни бази данни за идентифициране на тенденции в хронологичен план.

Водоразпределителните системи за питейна вода
транспортират вода от съответните водоизточници (водоеми, резервоари и др.) към индустриални, търговски и жилищни обекти във ВиК мрежата по комплексни мрежи от тръбопроводи. Адекватното като качество и достъп водоснабдяване е основна цел на всяко ВиК дружество, ето защо планираните и непланирани прекъсвания на услугите за ремонтни дейности и поддръжка следва да се сведат до минимум, ако е налице такава възможност.

Нарастващото градско население увеличава натоварването върху водоснабдителната инфраструктура, тръбите и съоръженията са подложени на амортизация, а разходите за подмяната или рехабилитацията им могат да са сериозни. С разширяването на ВиК мрежите възниква нужда от допълнителни помпени мощности, пречиствателен капацитет и оперативни разходи за енергия и други ресурси. Неизменно възникват течове, които водят до значителни загуби на вода и допълнително влошават финансовото състояние на водоснабдителните дружества, тъй като са необходими разходи за тяхното локализиране и отстраняване. Течовете типично възникват поради корозия на металните тръбопроводи и влошаване на структурната им здравина и якост на натоварване. В допълнение към финансовите негативи, тези нежелани явления имат и редица социални ефекти – прекъсвания на услугите за потребителите, влошаване на имиджа на дружеството и др.

Стратегии за управление на водоснабдяването
Генерално се прилагат две стратегии за управление на течовете във водоснабдителните мрежи и загубите на вода. Първата е свързана с разработването на инструменти и програми за оценка на състоянието на тръбопроводите и съоръженията за идентифициране на възникнали течове или зони, подложени на висок риск от пробиви. Втората е базирана на внедряване на системи за мониторинг и контрол, чрез които не само да се идентифицират вече възникнали проблеми, но и да се прогнозират в дългосрочен план потенциални такива. За целта се прилагат различни безразрушителни методи за контрол и оценка на състоянието на тръбопроводите на базата на електромагнитни (вихрови токове, радари) и механични (акустична емисия, ултразвукови технологии и др.) техники.

Все по-популярни стават методите за онлайн мониторинг и контрол на водоснабдителни мрежи, чрез които е възможно отдалечено регистриране на събития. ВиК дружествата масово използват SCADA системи за контрол на дебита, налягането и качеството на питейната вода съгласно регулаторните изисквания. Средства за онлайн мониторинг (сензори и измервателни устройства) се монтират на ключови точки из цялата мрежа, за да се получи пълна картина за състоянието й. Периодично се провеждат проверки за цялост на тръбите, типично посредством мобилни акустични устройства за откриване на течове. Тъй като водоразпределителни системи са под налягане, течове и други непланирани събития, като неправилно отваряне или затваряне на даден клапан, могат да бъдат регистрирани и отдалечено. Важен компонент от платформата за отдалечен мониторинг са инструментите за идентифициране и локализиране на спадове в налягането, свързани с пробиви, течове или недобре сработили клапани, както и различни хидравлични аномалии.

Съвременните безжичните сензорни технологии
позволяват изграждането на мрежи от ценово все по-достъпни устройства за мониторинг на ВиК системите в реално време. В съчетание с подходящите техники за обработка на данни и инструменти за вземане на решение тези средства осигуряват непрекъснат поток от данни към централизираната платформа за мониторинг и управление, което позволява ефективно управление, адекватно реагиране в кризисни ситуации и предотвратяване на нежелани събития.

Платформите за онлайн мониторинг на ВиК системи използват комбинация от модули за прогнозно моделиране, анализ на потока от данни и инструменти за симулация. Първичният източник на данните са безжичните сензорни мрежи, интегрирани във ВиК инфраструктурата, които осигуряват информация в реално време за хидравличното поведение на системата, работата на съоръженията и качеството на питейната вода. Тези технологии са гъвкави и мащабируеми и могат да бъдат интегрирани във водоснабдителни системи с различен мащаб – от няколко сензорни възела до стотици или хиляди такива модули във водоразпределителните мрежи на големи градове и мегаполиси, разделени на отделни зони с площ от по 80-100 км2.

Чрез безжичните сензорни системи се извършват онлайн измервания на налягането, дебита и широк набор от параметри по отношение качеството на питейната вода. На база получените данни се разработват алгоритми за идентифициране и локализиране на течове и пробойни в тръбопроводите. С течение на времето платформата за контрол и мониторинг събира огромен обем данни от сензорните измервания. Този архив служи като база за разработката на различни контролни стратегии и програми за оптимизиране работата на водоснабдителната мрежа. Освен анализ на съоръжения в експлоатация, е възможен и post mortem (след края на жизнения цикъл) анализ, чрез който да бъде извлечена допълнителна информация за причините за дадена авария и възможните мерки за предотвратяването на подобни събития в бъдеще.

Платформите за онлайн контрол и мониторинг на ВиК мрежи
типично се състоят от три слоя: онлайн безжична сензорна мрежа (WSN), интегрирана система за данни и електронни известия (Integrated Data and Electronic Alerts System, IDEAS) и модул за подпомагане вземането на решения (Decision Support Tools Module, DSTM). WSN мрежата изпраща непрекъснат поток от данни от цялата система към контролния център. Интегрираната IDEAS система обработва този поток с цел регистриране и локализиране на необичайни събития. DSTM модулът осигурява набор от инструменти за подпомагане вземането на решения от оператора на базата на онлайн, калибриран в реално време хидравличен модел на водоразпределителната мрежа.

Платформата може да оперира като автономна система или като част от интегрирана система за воден мениджмънт в дружеството. При автономен режим IDEAS и DSTM модулите са придружени от уеб интерфейс, базиран на карта на ВиК мрежата, с дигитално табло за визуализация. Чрез този интерфейс платформата може да бъде управлявана посредством персонален компютър или мобилно устройство – смартфон или таблет. Самата платформа може да бъде хоствана както на локален сървър във ВиК дружеството, така и на облачен сървър.

Безжични сензорни мрежи
Всеки сензорен възел в широко използваните съвременни сензорни мрежи типично включва процесор с вградена RAM памет, SD карта за съхранение, GPS с времева синхронизация, както и 3G модем за трансфер на данни със скорост от порядъка на 4-5 KB/s.

Сензорите се свързват към възела посредством стандартни цифрови входове и изходи. I/O платката поддържа сензори за различни типове данни, като хидравлични параметри (налягане, записи от хидрофони, поток) или показатели за качеството на водата (pH, температура, електропроводимост, окислително-редукционен потенциал и др.).

Сензорните възли типично се захранват от батерии, зареждани или от соларен панел (през деня), или с променлив ток от улична лампа, разположена в близост. Възлите могат да бъдат отдалечено управлявани и конфигурирани по различен начин в зависимост от конкретните нужди. Отделните параметри обикновено се измерват на кратки равни интервали (например 30 секунди) в зависимост от темповете на изменението им във времето.
Суровите обеми данни, подавани към платформата от сензорните възли, се обработват от IDEAS системата посредством алгоритми за регистриране и локализиране на абнормално поведение на съоръженията във ВиК мрежата. При нужда се изпращат известия към оператора и команди обратно към проблемните съоръжения. Отдалеченият сървър проверява статуса на трансфера на данни, като неуспешните изпращания се повтарят до установяване на успешна връзка, а при по дълги периоди на неуспешни приемо-предавателни действия, връзката автоматично се рестартира. В буферната памет на сензорните възли могат да бъдат съхранявани големи обеми данни от измервания в продължение на няколко дни. В случай на прекъсване на мрежовия сигнал между сензорния възел и сървъра, тези данни позволяват автономна работа на безжичната сензорна мрежа до възстановяване на връзката с платформата.

Интегрирана система за данни и електронни известия (IDEAS)
IDEAS системите в платформите за онлайн мониторинг и контрол на ВиК мрежи са отговорни за управлението и обработката на данните от сензорните мрежи, както и за изпращането на известия към оператора или команди към автоматизираните контролери. В тези системи, освен данни от WSN мрежите, непрекъснато постъпва информация и от други интегрирани в платформата технологии като SCADA системите, системите за оперативен мениджмънт на помпите и вентилите и др.

IDEAS модулите разполагат с набор от аналитични инструменти, чрез които потоците от данни се проверяват за отклонения от допустимите параметри. При регистриране и локализиране на необичайно събитие може да бъде автоматично изпратено известие към оператора чрез имейл, SMS или мобилно приложение. В потребителския интерфейс на системата могат да бъдат визуализирани всички потоци данни от сензорната мрежа, както и всички изпратени известия. Прилагането на съответния аналитичен инструмент (за проверка на отклонения в налягането, дебита или качеството на водата) зависи от това каква група параметри се изследва. Локализирането на проблема се извършва чрез откриване на съответния сензорен възел, в чийто работен обхват са регистрирани необичайни стойности на даден параметър.

Модул за подпомагане вземането на решения (DSTM)
На база на обработените от IDEAS системата данни DSTM модулът изготвя хидравличен модел на водоснабдителната мрежа в реално време, разделена на зони, който се калибрира на кратки интервали, например на всеки 15 минути. Предлага се набор от мерки за разрешаване на регистрираните и локализирани проблеми с прогнозен сценарий за поведението на мрежата при прилагането на всяка една от тях.

Хидравличният онлайн модел на ВиК системата позволява симулация на работата на контролните вентили, прогнозиране на потреблението, анализ на качеството, оптимизация на работата на помпите и др. Инструментите за оперативна симулация могат да бъдат използвани от операторите и хидроинженерите за анализ на потенциалния ефект от предприемането на различни действия, което да им помогне да вземат най-подходящото моментно решение при дадена комбинация от условия или да оптимизират работата на мрежата в дългосрочен план. Интерфейсът на модулите за симулация позволява например избор на един или няколко контролни вентила, които да бъдат изолирани от мрежата (при нужда от ремонт на даден отсек и други подобни ситуации), и прогнозиране на ефекта от това върху поведението на останалите зони на мрежата, както и кои абонати биха били засегнати.
Ползите от прилагане на платформи за онлайн контрол и мониторинг на ВиК мрежи включват намаляване на оперативните разходи и тези за ремонт и поддръжка, оптимизиране на енергийната ефективност и работата на съоръженията, както и прецизно прогнозиране на потреблението и на събития от различен характер с цел по-адекватна реакция при настъпване на кризисни обстоятелства и по-ефективен мениджмънт на мрежата в дългосрочен план.