Гидравлические расчеты инженерных сетей как объектов геоинформационных систем

А.Р.Ексаев, В.А.Вайсфельд (ИВЦ "Поток")

1998 г. (переиздание 2007 г.)

Авторы продолжают серию статей (см. ИБ ГИС No 1(8), 3(10), 5(12) за 1997 г.), посвященных применению геоинформационных технологий в эксплуатации инженерных коммуникаций. На этот раз мы попытаемся описать принципы интеграции подсистем создания и ведения электронных планов инженерных коммуникаций и подсистем анализа гидравлических режимов инженерных сетей. Авторы, как и в прежних статьях, рассматривают только муниципальные сети или сети крупных предприятий, и опираются на собственный опыт разработки и внедрения специализированных информационных систем.

Гидравлические расчеты лежат в основе анализа режимов тепловых, газовых, водопроводных и напорных канализационных сетей. В СНГ и странах Прибалтики гидравлические расчеты наибольшее значение имеют для тепловых сетей, что определяется принципами построения и правилами их эксплуатации. Любые информационные системы по тепловым сетям, не предусматривающие проведения гидравлических расчетов, имеют крайне ограниченные возможности применения и потому вряд ли могут рассматриваться всерьез. Гидравлические расчеты муниципальных газовых, водопроводных и канализационных сетей ранее применялись лишь проектными и научными организациями. Однако в последнее время все больший интерес к моделированию гидравлических режимов проявляют и эксплуатирующие организации.

Потребности эксплуатационных служб инженерных сетей приводят к необходимости создания единых баз данных, на основе которых решаются как задачи создания электронных планов (ГИС верхнего уровня), так и задачи технологические, в частности - гидравлические расчеты сетей. Только такой подход к информационному наполнению систем вкупе с методами и алгоритмами прикладной математики позволяет говорить о цифровой модели инженерных коммуникаций как объекте ГИС.

Что же такое "гидравлический расчет"?

Конечно же, в рамках этой статьи авторы не намерены приводить строгую математическую постановку задачи гидравлического расчета. Она изложена в десятках монографий, ставших классикой данной предметной области. Лучше все равно не напишешь, и потому жаждущих постановки мы отсылаем к отцам современной теории гидравлических цепей (например, [1] и [2]). Для нас же здесь важно следующее: результатом любого гидравлического расчета всегда является потокораспределение - по каждому участку сети находится расход транспортируемого продукта, а по каждому узлу сети - давление. В то же время способы задания исходных данных могут довольно сильно отличаться между собой. Если сеть не содержит регуляторов (давления, расхода или температуры), то задача гидравлического расчета сводится к системе нелинейных уравнений большой размерности. В свою очередь, линеаризация этой системы приводит к разреженной системе линейных уравнений со специфической структурой (Свойства этой специфической разреженности хитрые математики научились эффективно использовать еще во времена жестких ограничений вычислительных возможностей ЭВМ). Регуляторы значительно усложняют задачу, поскольку в этом случае к системе уравнений добавляются еще и неравенства.

Методов решения задач гидравлического расчета вполне счетное количество, и они также хорошо известны; таким образом, велосипед изобретен, а проблема состоит в его более или менее приличном изготовлении. Поэтому на первый план выступает качество и алгоритмов и программной реализации гидравлического расчета, именно на этом поле и бьются конкуренты уже третий десяток лет. (Без ложной скромности заметим, что ИВЦ "Поток" считает предметом своей особой гордости высококачественную программу гидравлического расчета, которая позволяет даже на 386 компьютере за 1-2 секунды получить полное потокораспределение для сетей, содержащих тысячи участков, при любой степени их закольцованности. Автор этой программы – наш сотрудник, А.Л.Подольский).

Расчетная схема и план инженерных коммуникаций

Первые программы гидравлического расчета появились еще 30 лет назад, задолго до появления и массового распространения геоинформационных систем. Как только были созданы надежные и эффективные процедуры гидравлического расчета, на первый план стали выходить проблемы создания удобных пользовательских оболочек. Эти оболочки должны были "уметь" выполнять следующие функции:
• первоначальный ввод исходных данных;
• контроль корректности исходных данных;
• визуализация и анализ результатов расчета;
• корректировка исходных данных.

Для получения требуемых результатов пользователь должен был начертить (на бумаге) расчетную схему, составить (на бумаге же) таблицы участков, потребителей, насосных станций и регуляторов, ввести эти таблицы в компьютер, получить расчетные таблицы, нанести результаты расчета на расчетную схему (опять на бумаге). На каждом этапе пользователь допускал разнообразные ошибки, устранение которых занимало массу времени и сил. С появлением персональных компьютеров системы гидравлического расчета претерпели революционные изменения по двум направлениям:
• исходные и расчетные данные стали храниться в стандартных реляционных базах данных, а не в разнообразных двоичных файлах;
• расчетная схема, изображаемая теперь с помощью компьютера, стала как основным источником исходных данных, так и средством анализа результатов расчета.

Почти одновременно с внедрением систем гидравлического расчета с графическим представлением расчетной схемы появляются возможности создания и использования систем паспортизации инженерных коммуникаций на основе электронных планов. Поскольку любая из этих систем связана с большими трудозатратами на создание и актуализацию базы данных, сразу же возникли проблемы взаимодействия этих систем. Авторы глубоко убеждены, что система паспортизации сети и система расчета гидравлических режимов представляют собой на самом деле единую информационно-графическую систему, в основе которой лежит база данных с тщательно продуманной структурой таблиц. Планы инженерных коммуникаций, выполненные на основе стандартных городских планшетов, могут использоваться либо непосредственно как расчетные схемы, либо с помощью автоматизированных процедур преобразовываться в расчетные схемы. Очевидно, что для того, чтобы это было возможно, должны быть продуманы методы идентификации и систематизации узлов и участков сети на плане. Особенно важным вопросом является четкое определение потребителей сети.

Проклятие размерности

Опыт авторов показал, что реальные тепловые, газовые и, тем более, напорные канализационные сети даже крупных городов не порождают подсетей с более чем 10 тысяч участков, для которых необходим гидравлический расчет. Расчет таких сетей на современных компьютерах производится за считанные секунды, хотя процессы чтения исходной информации и записи результатов в базу данных могут занимать несколько минут. Это еще один довод в пользу непосредственного использования эксплуатационных планов в качестве расчетных схем. Водопроводные сети крупных городов могут порождать сети, содержащие уже десятки тысяч участков. Например, водопроводная сеть Москвы содержит около 100 тысяч участков. Такие сети уже сложно рассчитать даже на суперкомпьютерах, но это еще полбеды. Самое главное, при такой размерности практически невозможно корректно ввести исходную информацию, а потом проанализировать результаты расчета. В этом случае приходится применять полуэвристические методы составления упрощенных (эквивалентированных) расчетных схем. (Среди тех методов, с которыми приходилось сталкиваться авторам, наиболее интересные подходы к выбору расчетных схем, да и вообще к решению задач гидравлического расчета водопроводных сетей, применяются в ГУП "Водоканал Санкт-Петербурга"). Тем не менее, информационно-графические системы паспортизации водопроводных сетей должны содержать в себе специальные процедуры формирования исходной графической и текстовой информации для построения расчетных схем.

Методы визуализации результатов гидравлического расчета

Результаты гидравлического расчета очень удобно представлять с помощью технологий, принятых в геоинформационных системах, хотя имеется и ряд оригинальных методов визуализации. Основные вариации таковы:

• Гидравлические справки об узлах и участках сети. Пользователь на схеме сети отмечает требуемый объект и получает в окне справку, содержащую гидравлические и технологические характеристики узла. Виды справок настраиваются по требованиям пользователя.

• Генератор отчетов, содержащих гидравлические режимы узлов и участков. Как правило, такие отчеты представляются в виде таблиц, строками которой являются узлы, участки, потребители или насосные станции, а колонками - технологические и гидравлические параметры (расходы, давления, скорости и т.д.). Перечень колонок и условия отбора объектов настраиваются по требованиям пользователя.

• Тематические карты (схемы). Объекты сети выделяются с помощью различных графических средств (например, цветом) в зависимости от гибко задаваемых условий. Например, сети можно раскрасить по зонам давления, выделить гидравлические нарушения, зоны застоя воды, показать направления потоков стрелками и т.п.

• Подписи результатов расчета на основной схеме сети. Пользователю предоставляются средства размещения специальных надписей, связанных с объектами инженерной сети. Перечень выводимых параметров настраивается по требованию пользователя. Эти надписи помещают в специальный слой, который может быть в любой момент отключен, чтобы не загромождать схему.

• Построение пьезометрических графиков. Пьезометрический график показывает график изменения давления вдоль заданного пути. Для построения пьезометрического графика пользователь отмечает на схеме сети необходимые узлы, программа автоматически находит путь, соединяющий эти узлы, и формирует специальный документ - график, содержащий в очень удобной форме необходимую информацию о гидравлических режимах (см. рисунок). Вдоль выбранного пути могут быть сформированы с помощью генератора отчетов произвольные таблицы, дополняющие пьезометрический график.

Послесловие

Авторы надеются, что в своих публикациях им удалось тихо и ненавязчиво подвести уважаемого читателя к основной мысли о том, какие функциональные возможности следует иметь в виду при выборе той или иной инструментальной ГИС для построения информационных систем предприятий инженерных коммуникаций. И еще раз не ленятся напомнить об актуальности проблемы обменных форматов, поскольку очевидно, что не дело "больших" муниципальных ГИС заниматься, например, гидравлическими расчетами.

До новых встреч!

Литература:

1. Евдокимов А.Г., Дубровский В.В., Тевяшев А.Д., "Потокораспределение в инженерных сетях", Москва, Стройиздат, 1979
2. Меренков А.П., Хасилев В.Я., "Теория гидравлических цепей", Москва, Наука, 1985