Управление на интелигентните ВиК мрежи

В съвременните условия комуналните компании управляват сложни, взаимосвързани инфраструктури, за да осигурят постоянен достъп до достатъчно количество безопасна вода на потребителите. Предвид тази сложност, са необходими ефективни изчислителни техники за поддържане на оптимален контрол и управление на водоразпределителните системи. 

В този материал ще разгледаме софтуер и системи за управление на интелигентните ВиК мрежи, като част от тяхната многослойна структура, в т.ч. нови изчислителни техники, основаващи се на изкуствен интелект. Те предоставят рентабилни решения на сложни проблеми от реалния живот, с които конвенционалните изчислителни техники не могат да се справят. Разглежданите в статията решения допринасят за адекватно управление от страна на водоснабдителните компании, както при подобряване устойчивостта на мрежата в ежедневните условия, така и при моделиране на екстремни събития.

Текст: списание Инфрабилд

Интелигентната ВиК мрежа може да се дефинира като напълно интегриран набор от управлявани чрез данни компоненти и решения, които позволяват на водоснабдителните компании да оптимизират всички аспекти на тяхното водоразпределение, събиране на отпадни води и система за пречистване. Когато се разглеждат интелигентни водни мрежи, за по-ясно онагледяване, е полезно различните ми технологични компоненти да се разделят на слоеве. Така ще направим и тук, разглеждайки софтуера и системите за управление като отделни нива във водните мрежи. Всяко комунално предприятие може да направи цялата си мрежа по-интелигентна чрез приемане на правилните технологични компоненти във всеки един от слоевете.

Анализ и управление в структурата на интелигентните водни мрежи

Най-често цитиран по целия свят е 5-слойният модел на интелигентните ВиК мрежи. Първото ниво в него обхваща физически активи – тръби, помпи, клапани, резервоари и други физически компоненти от ВиК мрежата. На второ ниво е сензорното оборудване, измерващо различни параметри като дебит, налягане и качество на водата, както и устройства с дистанционно управление, например помпи. Този слой свързва „интелигентността“ на ВиК мрежата с физическите ѝ активи. Третото ниво се занимава със събиране на данни и комуникация. Тук се включват технологии, отговорни за съхранението и предаването на информация.

Основна задача на тези технологии е да събират информация от отдалечени места и да я изпращат до по-горните слоеве, където се анализира и обработва. Чрез използване на двупосочни комуникационни канали командите се връщат към втория слой, за да инструктират сензорите и задвижващите механизми кои данни да събират или кои действия да изпълняват. Част от този слой са например фиксирана кабелна мрежа, радио, клетъчни, Wi-Fi и други комуникационни технологии, свързани с пренос на данни.

Четвъртото ниво включва управление на данни и тяхното визуализиране. Тук събраните данни се обработват в информация, която се показва в подходящ за операторите интерфейс чрез система за надзорен контрол и събиране на данни (SCADA), географска информационна система или други инструменти за визуализация на мрежата. Този слой също така взаимодейства със системи за киберсигурност и инструменти за поддръжка на бизнес функции, като управление на поръчки и информационни системи за клиенти.

Последното, пето ниво, извършва анализ на данни. Тук се прилагат инструменти, които интегрират софтуер за анализ на данни и моделиране, като използват комуникационни канали и сензорни устройства в мрежата. В резултат на това комуналните услуги могат да изпълняват задачи за управление на мрежата дистанционно и автоматично, включително онлайн мониторинг на качеството на водата, автоматизирано откриване на течове, оптимизиране на помпите и други.

Решенията в този слой могат допълнително да използват новите възможности на изкуствения интелект (Artificial Intelligence, AI), управлението и анализа на големи информационни масиви (Big Data), мониторинга в реално време и изчислителните техники „софт компютинг“ (прието като чуждица от soft computing), за да помогнат на операторите да оценят потенциалното въздействие на промените в мрежата, да реагират на тях своевременно и да обмислят вероятни сценарии „какво…., ако….“.

Изкуствен интелект и управление на големи масиви от данни

Големите данни са информационни активи с голям обем, висока скорост и голямо разнообразие, които изискват нови форми на обработка, за да се даде възможност за подобрен процес на вземане на решения, откриване на корелации и събития и оптимизиране на операционни процеси. Големите данни са тясно свързани със софтуера на интелигентните ВиК системи, на които се налага да анализират генерирани в градската среда данни с голям обем, високата сложност и изразена хетерогенност. Във ВиК проблемите с големите данни възникват от високоскоростни потоци от данни, получени чрез интелигентни сензори и четци за автоматично измерване. Дори за малки водоснабдителни предприятия те могат да произведат огромно количество данни, които трябва да бъдат съхранени и допълнително анализирани.

Използвайки силата на алгоритмите на изкуствения интелект за анализа на големи информационни масиви, водоснабдителните предприятия могат да увеличат максимално наличните данни, за да вземат по-добри решения, като същевременно подобряват предоставянето на услуги и намаляват разходите. Изкуственият интелект включва дял от компютърната наука, занимаващ се със симулация на интелигентно поведение в компютрите. В контекста на предоставянето на ефективно водоснабдяване, AI или машинното обучение се прилагат главно за задачи, свързани с вземане на решения, като например как водоснабдителните предприятия могат да увеличат максимално наличната информация за вземане на по-добри решения, като същевременно подобряват предоставянето на услуги; как да оптимизират капиталовите инвестиции; как да намаляват оперативните разходи и как да отчитат социални и екологични външни ефекти върху мрежата.

Всички хидравлични променливи във ВиК мрежата показват някакъв вид корелация на базата на основните хидравлични закони. Въз основа на тях са разработени числени алгоритми за откриване на течове в мрежата, които имат за цел да открият определени пространствени и времеви модели и аномалии в стойностите на параметрите на дебита и налягането в различни точки на водоразпределителната мрежа. Така става извличане на информация относно физически и търговски загуби. Числените методи изискват калибриране с полеви данни. Именно затова, когато за мониторинг на водоразпределителната система се използва SCADA, числените методи се превръщат в рентабилна инвестиция. Цифровите процедури използват два основни подхода за мрежов анализ, всеки с различни методи и основни хипотези - анализ с физически методи и управлявани чрез данни методи.

Анализ с физически методи

Физическите методи се основават на комбинация от статистически инструменти, като техники за оценка на състоянието, анализ на налягането и хидравлично моделиране. Те могат да се възползват напълно от основните универсални физически закони, които управляват водоразпределителните мрежи. Безпроблемната комбинация от данни и числени модели в крайна сметка дава възможност на „цифров близнак“ (digital twin) или „цифрово огледало“ (digital mirror) на физическата водоразпределителна мрежа да тества и проверява сценарии в реално време. От гледна точка на операциите, физически базираните методи са отправна точка за водоснабдяването към цифрова трансформация.

Първоначалният етап, наречен хидравлично моделиране, не изисква разширен анализ на големи данни. Всички водоснабдителни компании трябва да имат стандартен хидравличен модел, който може да възпроизведе с достатъчна точност типичните работни условия на ВиК мрежата, като използва фиксирани параметри и закони за потребление. Само когато такъв модел е вече налице, е препоръчително да се премине към по-усъвършенстван метод, който включва вероятностни изводи, въз основа на променящи се във времето входящи данни и параметри.

Аналитични методи управлявани от данни

Управляваните от данни методи се основават на прилагане на AI или алгоритми за машинно обучение като изкуствени невронни мрежи, адаптивни невро-размити (neuro-fuzzy) системи за заключения и т.н. Тези техники, след като бъдат правилно обучени с големи набори от данни, могат да извличат информация и да откриват модели без използване на мрежови уравнения.

Някои явления, като напукване на тръби, износване на връзки, корозия, образуване на биофилм и други, все още не са напълно разбрани и не могат да бъдат точно моделирани. Именно когато тези фактори влязат в действие, базираните на данни методи, могат да донесат допълнителни ползи за управлението на водоснабдителните предприятия, тъй като не изискват голяма точност. В крайна сметка както физически базираните, така и управляваните от данни методи могат да бъдат комбинирани в „хибридна методология“, която се опитва да интегрира най-доброто от двата подхода, от една страна - хидравличното моделиране като естествена еволюция на стандартния анализ на ВиК мрежата, сблъскваща се с големите данни и от друга - AI алгоритми за генериране на инструменти от ново поколение.

Софт компютинг за ВиК мрежи

По-горе споменатите инструменти, в т.ч. размити системи, включващи размита логика, изкуствени невронни мрежи и машинно обучение, са компоненти от софт компютинга. Той се разглеждат като нововъзникваща област в изкуствения интелект. Такива изчислителни инструменти извършват подходящо обработване на големите данни, генерирани от процесите в интелигентните водни мрежи, т.е. те могат да се справят с присъщия обем и сложност на базите данни във водоразпределителните мрежи. Основният принцип на софт компютинга е да използва допустима степен на неточност, несигурност, частична истинност и приблизителност, за да постигне ясно, стабилно и на ниска цена решение на фундаментални проблеми, използвайки функционалността на човешкия мозък като модел. Основното предимство на тази технологии е да се избегне високата цена на традиционните изчисления (hard computing), която е обвързана с характерната за тях висока точност.

Цифрова трансформация на ВиК компаниите

Първата задача на ВиК компаниите, които тръгват по пътя на дигиталната трансформация, е да анализират съществуващите системи за мониторинг на водоразпределителната мрежа по отношение на количество, качество и наличност на данни. Първоначалният анализ ще покаже дали има необходимост от допълнителни точки за измерване или пък съществуващите сензори осигуряват разумно представяне на водоразпределителната система. За водоснабдителни предприятия с работеща SCADA, потенциалното оперативно подобрение ще зависи от разпределението, плътността и характеристиките на разположените сензори. Водоснабдителните предприятия трябва да подходят към предизвикателството на своя цифров преход като започнат от края на веригата на стойността (кои са най-спешните оперативни задачи и какви данни са необходими).

Предвид казаното, един типичен начален пакет за цифрова трансформация трябва да включва на първо място определяне на оперативни цели и ключови показатели за ефективност. Освен това е необходимо интегриране на инструменти за мрежов анализ, които предоставят диагностика и подкрепа при вземане на решения за постигане на ключовите показатели за ефективност. Също така трябва внедряване на базово SCADA решение за разпределителната мрежа.

Важен аспект е разработването на оптимална мрежа за наблюдение за получаване на максимално количество информация въз основа на минимален брой стратегически разположени сензори за минимизиране на разходите. Така например, интелигентните измервателни уреди са сравнително по-скъпи от конвенционалните. Като такива, включването им в работата на повечето водоснабдителни предприятия се ограничава. Алгоритмите на AI обаче включват инструменти за класификация, които могат да разделят клиентите на групи въз основа на модели на потребление. След това броят на интелигентните измервателни уреди може да бъде драстично намален и те да бъдат стратегически поставени, така че да са статистически представителни за съответните модели на потребление на клиентите в отделните подгрупи.

Мониторинг в реално време и софтуер за управление на активи

Данните от сензорите и измервателните уреди позволяват на ВиК компаниите да наблюдават в реално време ситуацията с хидравликата и качеството на водата в цялата мрежа. Течовете могат да бъдат локализирани незабавно, за да се минимизират загубите на вода, а напрежението в тръбите може да бъде открито рано, така че да могат да се предприемат действия за намаляване на риска от спукване. Непрекъснатият мониторинг на качеството на водата в разпределителните тръбопроводи също осигурява ранно предупреждение за потенциално замърсяване. След това автоматизираните операции могат да реагират чрез затваряне на клапани в засегнатите зони, за да предотвратят наводнения, допълнителни щети, загуба на вода или разпространение на замърсената вода. Данните от сензорите в реално време могат също да се използват за калибриране на хидравлични модели, за да заменят традиционния процес на калибриране, който отнема много време и е скъп.

Целта на управлението на ВиК активите е да се постигне дълготрайна устойчивост и да се предостави надеждна услуга при икономически ефективен подход. Разработчиците на инструменти за управление и поддръжка на активи, проектират софтуерни решения за превантивна и предсказуема поддръжка, функции за наблюдение на производителността на оборудването и автоматизирани инструменти за коригиращи действия.

Мониторинг на водопотреблението и софтуер за фактуриране

Информация за потреблението на вода в реално време, помага на клиентите да пестят вода. Обратната връзка в реално време относно потреблението на вода и енергия позволява на клиентите да направят информиран избор за опазване на водата в своите домове и фирмени помещения. Освен това данните за потреблението от интелигентните измервателни уреди ще позволят по-точно прогнозиране на потреблението и оптимизиране на графиците за изпомпване, оборот на вода в сервизните резервоари и обеми вода за пречистване.

Софтуерните продукти за фактуриране на водопотреблението могат се да прилагат за неограничен брой клиенти и тарифни планове. Тук се включва управление на акаунти, автоматизирано таксуване и фактуриране, обработка на плащания, приемане на мобилни плащания и други. Също така могат да се включат модули за канализация и дефинирани такси, ако е необходимо.

Софтуер и системи за управление на качеството на водата

Разработчиците в тази област проектират софтуер за управление качеството на водата и процедури за тестване, инструменти за управление на проби, идентифициране на замърсители и моделиране на замърсени потоци. Програмират се планове за проследяване на замърсяването и за управление на пречистването. Може да се интегрира табло за преглед на качеството на водата и да се включат аларми за променящи се условия във водата. Системите за откриване на събития се използват за анализиране на данни от сензори в реално време и за предупреждаване на операторите, когато качеството на водата се счита за аномално. Разработването и внедряването на софтуерен инструмент за подзониране се използва за опростяване на структурата на разпределителната мрежа, чрез организиране на потребителите във виртуални подзони/клъстери. Опростената клъстерна графика ще подобри разбирането за това как параметрите за качество на водата, като например общи нива на остатъчен хлор, се влияят от топологията на мрежата.

Софтуер за проектиране на водни мрежи

Решенията при софтуера за мрежово проектиране и инструменти за планиране на водоразпределителната инфраструктура използват ГИС, компютърно проектиране (CAD) и функции за картографиране. В допълнение се използват приложения за хидравлично моделиране, симулиране и анализ. Такъв софтуер е в състояние да определи местоположението и маршрута на водопреносните мрежи, помпените станции и съоръженията за съхранение, като предпазва от рискове и необосновани разходи.

Специализираните AI алгоритми могат да идентифицират оптимални алтернативи за разширяване на мрежата. Те вземат под внимание несигурността (приблизителната точност) на някои параметри на дизайна, като прогноза за населението и пространствен градски растеж, за да осигурят по-стабилен подход към вземането на решения. Такива инструменти подпомагат да се избере дизайн за разширяване на мрежата с оптимална конфигурация.

Киберзащита

Всички информационни и комуникационни технологии (ИКТ), включително AI платформи, изискват активни и актуални мерки за защита срещу външни атаки. Киберсигурността е от особено значение при водоснабдяването, тъй като водата е критичен актив с висок риск за общественото здраве и тъй като водоснабдителните компании управляват клиентски бази данни с поверителна и лична информация. Без подходящи мерки, интелигентните ВиК услуги са под увеличен риск от кибератаки, тъй като IoT осигурява рай за хакери. Изкуственият интелект извежда киберсигурността на нови нива, използвайки алгоритми за задълбочено обучение, приложени към поведенчески анализи за откриване на необичайни действия и робо-ловци (AI инструменти, които постоянно търсят и се учат от заплахи). Разбира се, тук следва да отбележим и блокчейн технологията като основен инструмент в киберзащитата на клиентските данни.