Оптимизация на ВиК мрежи

Приложение на цифрови близнаци във водния сектор

Дигиталният близнак е концепция, отнасяща се до виртуално представление на реален обект, процес или система. Изгражда се чрез събиране на данни от реалния обект и с тях компютърно се моделира неговото състояние, поведение и функционалност. Тези цифровите модели могат ефективно да се използват в различни области, включително и във водната инфраструктура. Дигиталните копия на водната инфраструктура подобряват качеството на ВиК услугите, като помагат с прогнозни анализи и улесняване на поддръжката. Това спомага и за намаляване на разходите. Но най-ценното е, че могат да се използват за симулации на комплексното въздействие на множество бъдещи фактори и променливи. 

Текст: списание Инфрабилд

Скрити далеч от погледите на хората, ВиК инфраструктурите трябва да се справят с редица предизвикателства: нарастващо градско население, ограниченост на ресурсите и климатични промени, които пък сервират разнообразни изненади: продължителни свръх-жеги, пороища, ураганни бури. Наред с това самите водни инфраструктури страдат от собственото си стареене на фона на все по-остър дефицит на квалифицирани кадри. 

Управлението на водоснабдяването и канализацията обаче може да бъде оптимизирано чрез технологията на дигиталния близнак. Това е ИТ система – пълно виртуално копие, постоянно допълвано с данни в реално време – което може да прави усъвършенствани анализи, прогнози и дори моделиране на сценарии, т.е. симулиране „какво би станало, ако“. 

Нещо повече от 3D виртуално копие 

Цифровият близнак е виртуална репрезентация на реалната, физическа ВиК инфраструктура. Освен самите активи, то включва и на взаимодействията и процесите в мрежата от водопроводи, помпени и пречиствателни станции, канали и разнообразна апаратура. Дигиталният двойник представлява реалистично копие, върху което могат да се правят експерименти – без това да повлияе на реалната, физическа инфраструктура. 

За да си представим как работи, можем да направим паралел с космическите совалки на НАСА. Те първо биват проектирани чрез софтуер (CAD), а след това CAD моделът се подлага на компютърна симулация с различни натоварвания, за да се проследи как совалката ще се държи в различни ситуации. Това включва както рутинни, очаквани сценарии, така и непредвидени случки. Симулацията търси отговор какво би се случило под въздействието на дадени фактори, за да даде възможност за адекватно реагиране дори при сложни и многофакторни проблеми. 

В идеалния случай цифровият близнак във ВиК е точно копие на мрежата от водопровод и канализация, показващ нейното функциониране в реално време с всички параметри – дебит във всяка точка, налягане, температура, състав, проходимост и препятствия, течове и др. Симулациите са върховата му полезност, но двойникът е полезен и в други два аспекта. Той прави значително по-лесна поддръжката. Екипите по ремонти, профилактика и отстраняване на аварии могат да получават точна и адекватна информация с данни от измервателната техника, за да работят възможно най-прецизно и бързо. От друга страна, с развитието на алгоритмите за машинно самообучение и изкуствен разум цифровият двойник може да прогнозира бъдещи събития. Това помага за вземането на решения за управлението и развитието на инфраструктурата. 

Дигитализацията е на ход 

Превръщането на ВиК мрежите в смарт-инфраструктури не е самоцел. То е средство за намаляване на разходите. Точната, навременна, реална информация от сензори и датчици в ключовите елементи от мрежата позволява бързото локализиране на аварии, като се започне от течове и се стигне до опасни изменения в състава на водата или запушвания на канализацията. 

В момента е на ход ускорено внедряване на т. нар. смарт-водомери по цял свят. Възможността за дистанционно отчитане се посреща добре и от потребителите, и от ВиК дружествата, защото технологията позволява навременно събиране на данните без физическото присъствие на персонал на мястото на отчитане. Проекти от този вид са най-популярни в Северна Америка и Европа. Азиатско-тихоокеанският регион бързо наваксва. Темпото е забележително: ръстът е над 11% годишно и ще запази тенденцията в идните пет години, според пазарните анализатори MarketsAndMarkets. 

От друга страна ВиК дружествата забелязват ползите от ГИС системите, сензорите за телеметрия, SCADA системите и усъвършенстваните механизми за мониторинг на мрежите. Когато към статичните дигитални модели се добавят данните, събирани в реално време, формира се динамичен модел в реално време, който може да се използва за проследяване на тенденции, прогнозиране и дори тестване на бъдещи сценарии. Това е, което отличава дигиталните близнаци от статичните 3D модели. 

Компоненти на виртуалния двойник 

Геопространствените данни за активите в системата са първият важен елемент. От какво се състои системата, която копираме, къде е и в какво състояние е? За водоснабдителните предприятия това обикновено започва с геоинформационната система. Картата съдържа пространствен модел на всички активи – тръбопроводи, помпи, язовири и др., но също така и други пространствени данни: релеф и почви, сграден фонд, пътища и други съседни инфраструктури. 

Нужни са и редица „стационарни“ данни. Изчерпателният регистър на активите следва да съдържа текущи и исторически данни не само за местоположението, но и за материалите, възраст и дата на инсталиране, извършвани манипулации, размер и всички други уникални характеристики, които могат да повлияят на състоянието на всеки компонент. Това може да включва още корозивност на почвата, близост до чувствителна инфраструктура като железопътни линии или магистрали и т. н.

Имайки пълна 3D картина на системите за водоснабдяване и отпадни води, вече е налице цялостната основа от данни за мрежовите активи и може да започне интегрирането на наблюдавани живи данни в реално време. Това непременно включва данните от всички налични сензори и датчици за измерване на параметрите на мрежата на живо. Наред с тях обаче може да има и мониторингови данни от инспекции, наблюдение чрез CCTV, както и полеви данни.  На този етап стационарните и динамичните данни дават на системните мениджъри широкообхватен поглед върху случващото се в мрежата. Виртуалният двойник става динамичен, той „оживява“. 

Един цифров близнак може да бъде още по-прецизен и надежден, ако в него се добавят и данни за околната среда. Това не е толкова трудно, защото могат да се интегрират информационни потоци от външни полеви системи – например датчици за валеж или за дебелина на снежна покривка, вградени в стълбовете на смарт улично осветление. Все по-често новите бизнес-сгради притежават собствени малки метео-станции – също ценен източник на важни данни за валежи, атмосферни температури и др. Захранен с подобни данни, близнакът вече може да прави дори прогнози. Той е в състояние да предвиди, например, с доста висока степен на точност: ако вали дадено количество дъжд, до какво ниво ще се напълни даден язовир за денонощие, две или няколко. Това поставя основата на прогнозните анализи.

Предвижданията могат да бъдат мащабирани до много големи и сложни системи с голям обхват. По аналогичен начин цифровият близнак може да дава ценни предвиждания при засушаване. Отговаряйки на основни въпроси като: колко вода има в язовира сега, колко - вчера по същото време и колко във всеки от предходните дни, виртуалният двойник може да алармира за потенциална водна криза. Това дава време на мениджърите да реагират и да предложат мерки за намаляване на рисковете, например ограничения за поливане и др. С натрупването на историческите данни се увеличава и прецизността при прогнозиране и моделиране. 

Анализи и симулации

Анализите са двигателят, който кара цифровия близнак да генерира стойност от наличните купища данни. Виртуалният клонинг може да помага за забелязването на тенденции и причинно-следствени връзки, което пък постила основата за вземането на по-добре информирани и обосновани решения. Най-голямата стойност на дигиталния близнак е неговата възможност да бъде „дъми“ за симулиране на различни бъдещи въздействия („дъми“ се наричат манекените – имитации на човешко тяло, използвани от автомобилните компании за краш-тестове на новите модели коли). Когато има точна реплика на всички физически активи, сензорни и мониторингови данни, а най-добре и исторически данни, цифровият близнак може да послужи за експерименти: тестване на бъдещи сценарии за промени, които няма как да се тестват в реалната, физическа инфраструктура без щети. Не би било пресилено да се каже, че използването на виртуалната реплика за симулации е упражнение по управление на промяната. 

Не можем ли без него? 

Използването на цифровия близнак за симулации на бъдещите изменения и развитие на мрежата може да изглежда ненужно за някого, защото десетилетия наред ВиК дружествата са работили успешно и без подобен инструмент. Все пак има фактори, които правят днешния процес на вземане на решения по-сложен.  Първо място сред тях заема изменението на климата. Дали е породено от човешката дейност или не – то е факт. Днес са налице драстични климатични екстреми: температурни пикове, рекордни валежи. Внезапните проливни дъждове превръщат градските асфалтирани улици в реки, а каналите преливат. Засушаванията през лятото са дълги, понякога съчетани със свръх-жеги, при което нивата на язовирите драстично намаляват. Това само по себе си изисква нови правила на създаване и поддържане на ВиК инфраструктурите.

Симулацията може да помогне да се намерят най-удачните решения. По-съществена е способността да се предвиди бъдещото разрастване на мрежите именно на фона на зачестяващите климатични екстреми.  От друга страна, нуждата от по-добра енергийна ефективност обхваща всички сектори и ВиК не прави изключение. Всички съоръжения, които консумират електроенергия за своето функциониране, трябва да намаляват потреблението си и да работят възможно най-икономично. Голямата стойност на симулациите идва от способността да се засекат няколко фактора на промяна едновременно. Това е важно, защото наред с изменението на климата самите селища също се изменят: появяват се нови квартали с нови консуматори, изграждат се пътища и подземни железници, формират се паркове с много зеленина и, понякога, водозадържащи функции и т.н. 

Дигиталните близнаци във ВиК сектора придобиват важна роля и от гледна точка на здравеопазването, чиято значимост светът преосмисля днес. Симулациите могат да подскажат верните решения например за коригиране на минимални и максимални температури в светлината на намаляването на потреблението на енергия. Виртуалното тестване е ценно и при обмислянето на въвеждане на иновативни решения за пречистване на водата предвид разрастващия се проблем с микропластмасите. Потенциални промени във водоизточниците и включването на нови такива може да повлияе на химическия състав на водата, което също има отношение към общественото здраве. 

Чрез симулиране на различни сценарии, включително извънредни ситуации, здравни фактори и събития, свързани с изменението на климата, дигиталните близнаци могат да помогнат на ВиК организацията да предвиди по-добре потенциални бъдещи проблеми. Така тя ще смогне да е по-гъвкава в реагирането си. Ще намали рисковете, времето и разходите. Това я прави като цяло много по-устойчива. 

Не бива да се забравя и, че дигиталните близнаци могат да подобрят управлението на обслужването с фокус върху клиента. Ако ВиК организацията е по-способна да предвиди потенциални проблеми и да формулира планове за реагиране, тя ще е в състояние да намали евентуалните прекъсвания на услугата за своите потребители. В случай на авария потърпевшите ще бъдат по-прецизно информирани, което също има пряка връзка с удовлетворението. 

Нива на въздействие 

За домашните потребители ползата от цифровия близнак във ВиК дружеството започва с удобството на дистанционното отчитане. Намаляването на течовете по тръбопроводите се отразява на крайните сметки на всички. Мониторингът на качеството на водата в реално време свежда до минимум колебанията и появата на нежелани примеси, които потребителите могат да наблюдават – мътност и утайки, твърдост, дезинфектанти. За бизнесите, потребители на ВиК услуги, цифровият близнак означава използване на водата по-ефективно, по-адекватно справяне с аварии и извънредни ситуации. 

Градските власти пък могат да разчитат на поддържане на качеството на ВиК услугите и адекватно планиране на мрежите като част от градското разрастване. Цифровият двойник дава основата за прогнозна поддръжка и идентифициране на потенциални сривове, преди те да се случат, което най-често означава редуциране на непредвидените прекъсвания и намаляване на оперативните разходи. 

Драматичният напредък в технологиите за мониторинг и компютърните технологии, съчетан с желанието ВиК индустрията да възприеме нови технологии, се очаква да доведе до превръщането на дигиталните близнаци в интегрална част от развитието на водната индустрия занапред. Технологията ще подобрява постоянно надеждността на водните системи, ще намалява капиталовите и оперативните разходи на комуналните дружества, ще редуцира техния отпечатък върху околната среда и ще гарантира на клиентите по-безопасни и по-ефективни услуги. 

ВиК цифрови близнаци в действие

В Бразилия компанията Companhia Águas de Joinville е реализирала проект за дигитален близнак в Хойнвил, Санта Катарина, който включва отделяне на сектор за захранване от язовир, с цел справяне с проблемите с разпределението на водата в региона чрез хидравличен контрол на сектора, намаляване на загубите на вода и оценка на надеждността, а също и генериране на реалистична симулация. Дружеството използва дигиталния двойник за провеждане на хидравлични симулации на съществуващата захранваща мрежа – генериране на сценарии. Проектът е довел до желан резултат: постоянно и равномерно водоснабдяване при ниски разходи за изпълнение.

В Португалия Águas do Porto (Oporto Water Utility - AdP) отговаря за интегрираното управление на целия градски воден цикъл в Порто и използва цифрови близнаци, за да интегрира информация в множество софтуерни системи. Екипът е изработил интегрирани дигитални двойници на градското водоснабдяване и системите за отпадни води, дъждовни води, както и плажове и води за къпане. Екипът използва цифровите близнаци за прогнозиране на наводнения и проблеми с качеството на водата, подобряване на градските услуги, осигуряване на устойчивост на водната инфраструктура.

Решението интегрира данни от повече от 20 различни източника на данни, включително управление на обслужване на клиенти, фактуриране, поддръжка, управление на проекти, отчитане на активи, операционни системи, управление на лаборатории, ГИС и SCADA. Интегрирани са и данни от сензори, телеметрия и дистанционно отчитане, включително 30000 телеметрични измервателни уреда и повече от 200 устройства. Според дружеството, използването на технологията на дигиталния близнак е довело до оперативни печалби от 25 процента и е намалило повредите във водоснабдяването с около 30 процента, а продължителността на ремонтите при спукване на тръби е съкратена с 8 процента.