Интелигентно градско водоснабдяване

Последните постижения в инженеринга при градското водоснабдяване включват разработване на интелигентни мрежи. Те се справят с управлението на оперативни предизвикателства във водоснабдителните системи като преодоляване на колебания в налягането, намаляване на времето за идентифициране на аварии, съкращаване на водни и енергийни загуби и предоставяне на подобра обществена услуга. Тази статия разглежда интелигентното селищно водоснабдяване като решение да се намалят значително проблемите на традиционните системи за водоснабдяване. Представя се обзор на найвисоките технологични постижения по темата.

Текст: списание Инфрабилд

Първите проекти за централно битово водоснабдяване у нас започват реализация в София преди повече от век, а през втората половина на миналия век се развива масово изграждане на водопроводи за централизирани селищни системи в цялата страна. Днес управлението и функционирането на водоснабдителните системи са изправени пред редица предизвикателства като нарастване на населението в градовете, застаряваща инфраструктура, аварии, загуби на вода, прекъсвания на водоснабдяването, недостиг на превантивни дейности, а понякога, макар и по-рядко, недостатъчно налягане и качество.

Новите технологии за градско водоснабдяване

Съвременните условия налагат и въвеждането на нови технологии в градското водоснабдяване. Националната стратегия за развитие и управление на водоснабдяването и канализацията за 2014 -2023г. потвърждава съществуването на споменатите слабости в нашето водоснабдяване. В нея се посочва високо ниво на аварии по водоснабдителната мрежа и значителни  загуби на вода в България в сравнение с други европейски страни. Освен специфичните регионални особености, като глобални съвременни фактори за водоснабдяването, следва да споменем изменението на климата, засушаването и по-голямата честота на нетипични климатични условия.

Ефективността и устойчивостта са две от основните предизвикателства пред водния сектор. Нарастващите в световен мащаб урбанизация и индустриализация, както и недостигът на вода, са свързани с изменението на климата и голямото търсене. Опазването на водните ресурси като социален, екологичен, икономически и здравноопределящ фактор добива все по-голямо значение. Други предизвикателства включват нарастващите напоследък разходи за експлоатация и мониторинг на водните ресурси от една страна, а от друга – социалните очаквания на обществото по отношение на ценообразуването на услугата водоснабдяване.

Всичко това поставя пред управлението на градовете нарастващи отговорности за приемане на по-устойчиво управление на градските водни ресурси. Сред приоритетните мерки за справяне с проблемите Националната стратегия подчертава необходимостта от подобряване на ефективността, управлението и регулирането. Решение в тази посока дава интелигентното градско водоснабдяване. То има за цел да експлоатира водата на регионално или градско ниво по устойчив и самодостатъчен начин.

Какво представлява интелигентното градско водоснабдяване

Интелигентното градско водоснабдяване е селищна водоснабдяваща инфраструктурна мрежа, подобрена чрез различни взаимосвързани устройства с възможност за събиране и споделяне на данни както помежду им, така и с други устройства и центрове за данни. Обикновено това се прави чрез използването на технологията за Интернет на нещата (Internet of Things, IoT). Някои от тези устройства също имат капацитета да вземат решения по централизиран и/или децентрализиран начин и да извършват физически действия върху водната инфраструктура, които водят до оптимална работа и контрол. Следователно интелигентните водоснабдяващи мрежи могат да се разглеждат като пример на кибер-физически системи.

При управление на водното разпределение, в допълнение към класическите цели като контрол на налягането, качеството и течовете, интелигентните водни мрежи се стремят също към енергийна ефективност и повторно използване на водата. Те използват усъвършенствани информационни технологии за мониторинг на данните в системата за ефективно разпределение на ресурсите. Някои примери са използването на Географски информационни системи (ГИС), осигуряващи по-ясно представяне на цялостната система и местоположението на активите или внедряването на SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition) системи за събиране на исторически показания от сензори за централно управление на пространствено разпределени активи.

Предимства на интелигентното градско водоснабдяване

Традиционното водоснабдяване е фокусирано основно върху изпомпване на вода с високо налягане, достатъчно, за да достигне до отдалечени клиенти. За разлика от него, една интелигентна система използва данни в почти реално време, помпи с променлива скорост, контролни клапани за динамично ограничение на мощността и интелигентни измервателни уреди. Те балансират функционирането на системата според търсенето, свеждат до минимум прекомерното налягане, предразполагащо водопроводите към остаряване и спестяват вода и енергия.

Интелигентното водоснабдяване се използва за подобряване състоянието на мрежи с влошена инфраструктура, нередовно водоснабдяване, ниски нива на удовлетвореност при клиентите или значителни отклонения на сметките спрямо реалното потребление. Интелигентната водна система може да доведе до по-устойчиви услуги, намалявайки финансовите загуби, като позволява на иновативните бизнес модели да обслужват по-добре населението. Някои от основните предимства на интелигентното управление на водата са оптимизираното откриване на течове, подобреното опазване и постоянен мониторинг на качеството на водата.

Внедряването на интелигентни водоснабдителни системи позволява на компаниите за предоставяне на обществени услуги в тази сфера да изградят пълна база данни за идентифициране на области, където възникват загуби на вода или незаконни връзки. Предимствата са икономически и екологични ползи от пестенето на вода и енергия, а едновременно с това - подобрено обслужване на клиентите. В някои случаи безжичното предаване на данни може да позволи на клиентите да анализират водопотреблението си, за да запазят или намалят сметката си за вода.

снимка: Siemens

Интелигентни водопроводи и сензори

Прототипът на интелигентния водопровод е проектиран като модулен блок с възможност за наблюдение, който позволява бъдещо разширяване. С няколко интелигентни водопроводни тръби, инсталирани в критични участъци от селищната водоснабдителна система, наблюдението в почти реално време автоматично следи потока, налягането, течовете (ако има такива) и качеството на водата. Всички тези предимства се добавят без да се променят работните условия на хидравличната верига.

Индивидуалните сензори на интелигентните водопроводи обикновено са свързани в безжична сензорна мрежа и имат следните основни части: блок за събиране и обработка на данни, блок за предаване и сензорни връзки. Интелигентната безжична сензорна мрежа е жизнеспособно решение за наблюдение на налягането и контрол на загубите на вода в системата. Основното предимство в сравнение с други методи за контрол на загубите на вода е непрекъснатото наблюдение на мрежата без намеса на местния оператор и с ниска консумация на енергия на безжичния сензор, което му позволява да остане в експлоатация за дълги периоди.

Интелигентно измерване на водата

Както е добре известно, водомерът е устройство, използвано за измерване на количеството консумирана вода. За разлика от измерването на водопотреблението с конвенционален водомер, интелигентният подход използва измерващо устройство, което може да съхранява и предава данни за потреблението с определена честота. За разработването на ефективна система за управление на водата е необходимо да се инсталират сензори за наблюдение на водопроводната мрежа.

Следователно, докато традиционните водомери могат да се отчитат месечно или два пъти месечно и сметките за вода се генерират от това ръчно отчитане, интелигентното измерване може да предоставя данни за потреблението на големи разстояния и с по-висока честота на наблюдение, като по този начин осигурява незабавен достъп и информация в почти реално време за клиентите и за управляващите дружества. Тези интелигентни водомери са компоненти на усъвършенствана инфраструктура за измерване (Advanced Metering Infrastructure, AMI), която доставчиците на вода могат да инсталират, за да подобрят хидравличната и енергийната ефективност на своята мрежа, тъй като тези устройства също така позволяват контрол на течове и незаконни връзки по отношение на водните обеми.

Следователно интелигентното измерване на водопотреблението дава възможност за подобряване на баланса между осигуряването на достъп до питейна вода, правото на водоразпределителните дружества да получат съответното заплащане за услугата, както и съвместната отговорност за опазване на водата като дефицитен ресурс. Заедно с това тези системи са помощни инструменти за вземане на решения в почти реално време въз основа на регистрираните бази данни. Те подобряват управлението на мрежата и могат да помогнат за по-добро прецизиране на водния баланс за удовлетворяване на търсенето и за повишаване на ефективността във водоснабдяващите системи.

Модели за управление и системи за подпомагане вземането на решения

Внедряването на обща рамка за измерване на ефективността на водната мрежа въз основа на набор от подходящи индикатори и приложения за данни и интерфейси помага да се подкрепят решенията на управляващите и позволява заинтересованите страни да изградят по-голямо доверие като наблюдават подобренията. Има различни важни разработки в управлението на интелигентната водна мрежа, вариращи от модели за възстановяване и за генериране на енергия до модели за оптимално разпределяне на водопроводната мрежа в отдели микрозони с индивидуално управление, което е и част от централизираното управление на макромрежата.

Съвременните информационни и комуникационни технологии (Information and Communication Technology, ICT) предлагат иновативна платформа за управление на градското водоснабдяване. Те позволяват преминаване на двупосочен поток от данни между отделни елементи в микрозоните на водопроводната мрежа и между тези елементи и централното управление, като така се създава ефективна структура за мониторинг и управление. Когато няма смущения, всяка мрежа може да действа като индивидуална водна мрежа без необходимост от централно управление. От друга страна, когато има смущение в една или повече от мрежите, централното управление може да поеме контрола и да прави корекции в цялата система.

Например, ако едно съоръжение за пречистване на вода не функционира, схемата за централно управление ще получи данни от проблемната мрежа и ще увеличи производството на питейна водата в други мрежи, докато доставя прясна вода от централния резервоар до проблемната микрозона. В тази система ICT платформата позволява обмен на данни от множество сензори в индивидуалните мрежи и централната структура за мониторинг. Сензори за налягане, за откриване на повреди (или теч) и биосензори за мониторинг на качеството на водата са примери за такива сензори. Така описаната ICT платформа регулира дебита и налягането според данните от водопроводната мрежа, за да повиши ефективността в мрежата и да минимизира консумацията на енергия.

Модели за мониторинг в почти реално време

Хидравличните модели представляват най-ефективния и жизнеспособен начин за прогнозиране на поведението на водоразпределителната система при широк спектър от условия на аномалии в търсенето и сривове в системата. Познаването на надеждни модели за краткосрочно прогнозиране на търсенето е от решаващо значение за разработването на такива хидравлични модели, които дават възможност в интелигентните водни системи да бъдат приложени правилни решения, взети в почти реално време. В допълнение, оптимизационните модели на работа в почти реално време ни позволяват да разширим решенията до интелигентни водни системи, за да подобрим ефективността на водната мрежа и да осигурим по-надеждни операции, разходна ефективност и екологични и социални спестявания, свързани със загуби.

В моделите в почти реално време, моментът на събиране на данните е този, в който мрежовият модел се актуализира. Данните включват характерните параметри на помпи, клапани, налягане и дебит, както и часове на работа за най-ниски експлоатационни разходи. Целта е всяко оперативно решение да се вземе почти незабавно, за да се отговори на изискванията за ефективно водоснабдяване. Някои специалисти предлагат хибридна методология за актуализиране на моделите за търсене на вода. За тази цел се използва офлайн процедура като основа за модела за прогнозиране, който е съчетан с онлайн процес. Предложението постига както висока точност, така и способност за адаптиране към новите аномалии и тенденции в данните. Също така е предложен процес за контрол на грешки за своевременно циклично актуализиране на основния, офлайн модел, за да се гарантира максимална точност.

Изчисления в облак, SCADA и ГИС

Тези технологии са основни в мониторинга на интелигентните водни мрежи. Повечето обществени услуги за водоснабдяване използват SCADA системи за тяхното наблюдение, контрол и управление на данни. Тук се прилагат взаимно свързвани чрез интернет компютри и сървъри и се използват памет и капацитет за съхранение. В най-простата си форма облачните изчисления са нов стил на изчисление, при който ресурсите са динамично мащабируеми и виртуализирани, като се предоставят като услуга през интернет. ГИС играе важна роля в интелигентното управление на водите, предоставяйки списък на компонентите и тяхното пространствено описание.

ГИС е жизненоважна за управлението на водните системи, тъй като позволява включване на пространствени компоненти в географски ориентиран модел, като по този начин се подобрява планирането и управлението на системата. Основното предимство на ГИС е, че тя изгражда симулация на реалността, базирана на системи за данни, създадени за събиране, съхраняване, споделяне, манипулиране, анализиране и представяне на информация, която е пространствено реферирана.

Архитектура за интелигентна водопроводна мрежова система

Както стана ясно, разработена е базирана на IoT архитектура за мониторинг на водата за подобряване на ефективността. Архитектурата включва слоеве от сензорни устройства, IoT вход, център за данни, за обработка и потребителски център с приложения за непрекъснат мониторинг. IoT рамката може да включва няколко слоя - сензорен, комуникационен, работен и слой за прогнозиране. Сензорите и разходомерите изпращат информация за параметрите на потока, налягането и качеството на водата до SCADA. Оптималното разпределение на сензори за налягане и разходомери се основава на местната топография, размера на водоснабдителната система и колебанията в качеството на водата във времето поради застаряваща инфраструктура, въз основа на исторически данни за качеството на водата.

Във водоснабдителната система разходомерите, сензорите за налягане и други устройства за наблюдение са свързани чрез SCADA системата към центъра за анализ на данни. Данните от сензорите за дебит и налягане се използват за калибриране на хидравличния режим и за сравнение със симулацията в реално време на водопроводната мрежа. ГИС картографирането от своя страна предоставя пространствената информация за водната мрежа, а моделите за прогнозиране предоставят предупреждения за мрежовите условия, които могат да се използват за цялостно управление на активите, планиране на поддръжката и цялостната работа.

Съвременно ниво и бъдеще за интелигентните водоснабдителни системи

През последните години скокът на ICT, заедно с прилагането на нови тенденции в анализа на данни, се оказаха от съществено значение за справяне с предизвикателствата, пред които се изправя градската водоснабдяваща инфраструктура днес. Тяхното приложение позволи традиционните системи да се превърнат в интелигентни, тъй като могат да се разглеждат като конвергентна интелигентна инфраструктура, обединяваща няколко по-рано отделни функции в една.

В резултат на такова ново ниво на сложност, водоразпределителните предприятия вече имат възможността да работят в идеална интелигентна рамка, която поддържа ефективна работа и управление за по-устойчиви и надеждни системи за водоснабдяване. Използването на изкуствен интелект се предвижда като основа за бъдещо развитие на интелигентните водоснабдяващи мрежа. В допълнение, последните постижения и бъдещи изследвания в динамиката на сложните мрежи ще бъдат от голямо значение за моделите в почти реално време и анализа на макромрежите, заедно с адресирането на основните оперативни и управленски предизвикателства.