Разработка электронной модели системы теплоснабжения г. Москвы
О.А. Алаева
руководитель управления информационно-аналитических систем для инженерных коммуникаций
ОАО «Объединение ВНИПИэнергопром», г. Москва
А.Г. Савин
руководитель службы перспективного развития и подключений
ОАО «Московская объединенная энергетическая компания», г. Москва
ноябрь 2007 г.
ВМЕСТО ПРЕДИСЛОВИЯ
Тема разработки электронных моделей систем теплоснабжения в условиях динамичного развития городов в течение последних лет стала особенно актуальной.
Отсутствие системного подхода к планированию развития городов приводит к тому, что инженерная инфраструктура не успевает в своем развитии за темпами роста застройки, и наоборот – планирование развития систем жизнеобеспечения города происходит само по себе, без строгого учета ресурсных возможностей инфраструктуры. Такое положение чревато наличием избытка мощности в одних районах города и дефицитом в других.
Одной из составляющих обеспечения системного подхода к развитию систем инженерных коммуникаций города является разработка схем развития на среднесрочную и долгосрочную перспективу. Но разработка схем, как раньше, в бумажном варианте, при нынешнем уровне развития технологий уже не актуальна. Ведь зачастую процесс сбора данных, разработки планов перспективного развития и их согласования занимает не один год. И на момент окончания работ мы имеем варианты развития города, уже не соответствующие реальной ситуации. Динамичность развития города и сжатые сроки разработки основных стратегических решений диктуют необходимость создания комплексных программ планирования развития городов. Реализовывать такие разработки необходимо в специализированных программных средах, позволяющих, во-первых, моделировать и сопоставлять различные варианты развития, и, во-вторых, осуществлять постоянный мониторинг их развития.
Ниже пойдет речь о разработке электронной модели системы теплоснабжения г. Москвы как основного инструментария для разработки схемы теплоснабжения мегаполиса до 2020 г. В работе участвовали все теплоснабжающие и теплогенерирующие компании города, а также городские структуры, такие как ГУП «НИиПИ Генплана г. Москвы», «Городской кадастр», Департамент топливно-энергетического хозяйства. Цель данной статьи – поделиться опытом на примере пошагового описания этапов данного проекта.
ПРЕДЫСТОРИЯ ПРОЕКТА
Три года назад «ВНИПИэнергопром» приступил к разработке схемы теплоснабжения г. Москвы до 2020 г. Сразу стало понятно, что систематизировать и обработать массивы информации по объектам одной из крупнейших в мире систем инженерной инфраструктуры невозможно без применения специализированного инструментария. Важно было не только систематизировать данные и иметь возможность обработки больших массивов графической и семантической информации об объектах системы теплоснабжения города при их многокритериальном анализе в различных разрезах. Необходимо иметь возможность построить математически корректную, топологически связную расчетную гидравлическую модель тепловых сетей для многовариантной проработки сценариев развития системы теплоснабжения города в целом.
Немаловажно было и то, что теплоснабжающие организации – ОАО «Московская объединенная энергетическая компания» (МОЭК) и ОАО «Московская теплосетевая компания» (МТК) – на момент начала реализации данного проекта не имели подобных информационно-расчетных моделей своих сетей. Поэтому мы, выбирая инструментальную среду для проекта, ориентировались, в том числе, и на возможность решения задач основных служб данных предприятий: служб перспективного развития, диспетчерских служб, служб наладки и режимов и т.п.
Таким образом, главной целью проекта являлось создание единой полномасштабной модели существующей и перспективных систем теплоснабжения г. Москвы с учетом решения как задач планирования развития энергосистемы города в целом, так и частных расчетно-аналитических задач служб эксплуатирующих предприятий.
ШАГ 1. ПРЕДПРОЕКТНОЕ ОБСЛЕДОВАНИЕ
Итак, первый этап разработки электронной модели системы теплоснабжения г. Москвы – предпроектное обследование. Не секрет, что залогом успешной реализации проекта является грамотная предпроектная подготовка. Первое, что предстояло сделать в рамках данного этапа – обследовать предприятия, являющихся поставщиками информации и дальнейшими пользователями системы, на предмет определения и структурирования задач, решаемых службами предприятий, изучения существующих массивов «бумажной» и «электронной» информации и используемого программного обеспечения.
Определив основных участников в части возможных поставщиков информации для построения модели и разработчиков программного обеспечения, мы получили следующую картину.
В части информационного наполнения системы участвовали следующие компании:
ОАО «МОЭК», ОАО «МТК» – как поставщики данных по существующим объектам системы теплоснабжения;
ОАО «МОЭК», ОАО «Мосэнерго» – данные по генерирующим мощностям;
ГУП НИПИ Генплана г. Москвы, Городской кадастр – данные по перспективному развитию города;
ОАО «МОЭК», ОАО «МТК» – данные по перспективным объектам системы теплоснабжения;
ДТЭХ – данные по ведомственным объектам.
В результате предпроектного обследования мы проанализировали все базы данных вышеперечисленных предприятий на предмет качества и полноты содержащейся в них информации, возможности использования ее при наполнении модели и организации дальнейшего информационного взаимодействия. Конечно, главной нашей задачей при анализе существующих баз данных было, насколько это возможно, использовать существующие наработки и минимизировать затраты на ввод данных, поэтому для всех существующих программных систем с большими массивами информации рассматривался вопрос возможности интеграции этих данных в едином информационном пространстве.
Что касается организации сбора недостающих исходных данных, то этому вопросу можно посвятить отдельную статью. Остановимся на основных моментах.
Как правило, на каждую систему теплоснабжения имеется проектная и исполнительная документация, расчетные, оперативные и эксплуатационные схемы, а также их «компьютерные» представления в различных графических и геоинформационных системах. Не секрет, что в 90% случаев все они по ряду причин «не бьются» между собой. Такая же картина и с технологическими данными по объектам: на каждом предприятии существует несколько баз данных, и даже в разных службах одного предприятия описательная информация по одному и тому же технологическому объекту расходится, и возможно, что ни одно из этих описаний не отражает фактического состояния объекта.
Нам в нашем проекте проблему рассогласованности информации и «поиска истины» помог решить имеющийся собственный ресурс: энергетические обследования и технический аудит систем теплоснабжения городов – одно из профильных направлений деятельности ОАО «ВНИПИэнергопром». На момент реализации данного проекта наша компания уже проводила энергоаудит систем теплоснабжения г. Москвы в части объектов, принадлежащих ОАО «МОЭК». Данные энергетических обследований по сетям, источникам, ЦТП позволили нам иметь полную актуальную картину по 40% объектов от их общего объема в системе теплоснабжения города в целом.
Опираясь на наш многолетний опыт и проделанную работу, мы твердо убеждены, что работы по разработке программ комплексного развития, созданию электронных моделей и аудиту систем теплоснабжения необходимо проводить в комплексе. Это позволяет в рамках одного проекта получить фактическую картину по всем объектам системы теплоснабжения, актуальную на текущий период компьютерную информационно-расчетную модель и разработанные на базе этой модели сценарии развития инженерных коммуникаций на перспективу. В дальнейшем все это позволит энергоснабжающим предприятиям и администрациям городов самим решать многие задачи текущего функционирования систем и планирования развития, не тратя на это огромные деньги. Кроме того, проведение работ в комплексе значительно удешевляет проект, т.к. сбор и выверка исходных данных в каждом отдельном виде работ составляет не менее 40% от общего объема затрат.
ШАГ 2. ВЫБОР ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ
Выбор программного обеспечения (ПО) является одним из самых важных этапов при реализации проектов такого масштаба. На сегодняшний день существует большое количество разрозненных специализированных программных продуктов, решающих широкий спектр задач теплоснабжающих предприятий – как общего назначения (например, СУБД или ГИС), так и прикладного: режимные (например, гидравлический и наладочный расчет), производственно-технические (например, расчет нормативных тепловых потерь), аварийно-диспетчерские (например, локализация аварий, регистрация повреждений) и т.д.
Учитывая многоплановость задач, решаемых в рамках разработки схемы теплоснабжения, ни один из представленных на рынке продуктов не покрывает целиком полный спектр отраслевых задач. Однако существуют отдельные разработки, в значительной мере покрывающие ряд расчетных задач и снабженные при этом средствами информационно-графического описания сетей.
Специалисты ОАО «ВНИПИэнергопром» вместе с представителями НП «Российское теплоснабжение» не один год занимались анализом отраслевого рынка программного обеспечения, и совместно с рядом российских теплоснабжающих предприятий разработали и выпустили «Стандарт на электронные модели систем теплоснабжения городов», в котором сформулированы и определены единые унифицированные требования к используемому для этих целей прикладному программному обеспечению в части:
• организации данных;
• функциональности и минимального набора решаемых задач;
• методических требований к расчетным модулям;
• видам информационного обеспечения электронной модели.
Остановимся на основных характеристиках инструментального программного обеспечения, на которые необходимо обратить внимание при осуществлении выбора и принятии решения о приобретении и внедрении того или иного программного комплекса:
открытость форматов хранения данных;
наличие подробного описания структуры хранения информации в базе данных;
возможность экспорта и импорта данных;
сетевая организация многопользовательского доступа к данным на сервере;
набор задач, решаемых ПО;
количество и качество реальных внедрений данного ПО и опыт работы команды разработчиков;
наличие внедрений данных систем на предприятиях рассматриваемого города.
Положительные ответы по первым трем из вышеперечисленных пунктов оградят вас от риска потерять данные и позволят использовать их даже в случае невозможности продолжения использования данной системы по любой причине. Данные – это самое ценное, что есть в информационных проектах, т.к. трудозатраты на наполнение информационной системы составляют не менее 70% от общего объема работ. Также, в случае необходимости, это позволит собственными силами или силами привлеченных специалистов разработать и включить в информационную систему необходимые дополнительные расчетные или аналитические модули, не поставляемые данным разработчиком.
Многопользовательская сетевая реализация инструментальной системы – совершенно принципиальное требование, поскольку в противном случае не существует способа полезного применения рассматриваемых видов ПО в смысле решения задачи создания и эксплуатации электронных моделей схем теплоснабжения.
Опыт разработчиков, умение их решать разнообразные задачи предметной области «теплоснабжение», количество и качество внедрений, а также возможность оценить реально работающие информационные проекты непосредственно на объектах внедрений – также позволяют определить уровень и качество рассматриваемого ПО.
Учитывая все вышеперечисленные аспекты, в качестве базового программного обеспечения для реализации описываемого проекта был выбран инструментальный программный комплекс «CityCom-ТеплоГраф», разработанный компанией ИВЦ «Поток».
ШАГ 3. ИНФОРМАЦИОННО-ГРАФИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ ОБЪЕКТОВ
Первая задача, с которой пришлось столкнуться при построении информационной базы данных – привязка к топооснове схем прокладки магистральных тепловых сетей.
Основная проблема состояла в том, что пространственные данные по отдельным объектам сетей теплоснабжения были реализованы в различных геоинформационных и информационных системах, внедренных на предприятиях ОАО «МОЭК» и ОАО «МТК». Благодаря развитому механизму экспорта и импорта графических данных в ИГС «CityCom-ТеплоГраф», мы смогли в значительной мере использовать все существующие на тот момент наработки. По ряду объектов, по которым не было графических данных в электронном виде, координирование сетей осуществлялась по проектной и исполнительной документации, отсканированной и «привязанной» к графическому представлению плана города. Кроме того, использовались материалы аэрофотосъемки, расчетные и эксплуатационные схемы.
Отдельно хочется акцентировать внимание на том, что мы не ставили себе задачу реализовать точное геопозиционирование сетей, по которому можно было бы производить раскопки, нам надо было осуществить привязку сетей к существующему плану города с точностью, достаточной для решения задачи планирования развития.
Чтобы более наглядно представить проделанный объем работ по привязке тепловых сетей к топооснове города, приведем лишь несколько цифр, характеризующих созданную модель системы теплоснабжения г. Москвы:
более 9 тыс. км тепловых сетей;
более 105 тыс. участков тепловых сетей;
более 60 тыс. узлов сети (тепловые камеры и колодцы, потребители, источники, н/ст);
более 20 тыс. абонентских вводов.
Очень важный вопрос – использование в подобных проектах общегородских утвержденных масштабных планов города, которые имеют официальный статус и сопровождаются специализированными организациями. В случае отсутствия таковых, возможно создать его собственными силами, об этом мы уже не раз писали. Топоосновой при разработке графической составляющей электронной модели системы теплоснабжения г. Москвы являлась ЦКФ М1:10000 ЕГКО г. Москвы.
Прорисовка на плане города тепловых сетей и их объектов сопровождалась одновременной паспортизацией. В качестве исходных данных при паспортизации тепловых сетей, тепловых камер, ЦТП, ИТП, источников теплоснабжения в электронной модели использовались существующие базы данных предприятий, а также данные энергетических обследований. При создании графического представления тепловых сетей одновременно производилось описание топологической связности узлов сети. Были созданы детализированные внутренние схемы тепловых камер с описанием запорно-регулирующей арматуры, согласованные с описанной структурой топологической связности. Наполнение базы данных осуществлялось строго по технологии, предусмотренной в ИГС «CityCom-ТеплоГраф» для создания информационно-расчетных математических моделей тепловых сетей. Таким образом, к моменту завершения паспортизации каждого законченного фрагмента тепловых сетей (от локального источника до конечных абонентских вводов) фактически создавалась его адекватное технологическое и математическое представление, готовое для осуществления гидравлических (и не только) расчетов и многовариантного ситуационного моделирования.
Рис. 2. Пример поискового функционала в моделисистемы теплоснабжения Рис. 3. Данные паспортизации участков и узлов тепловой сети
в электронной модели
ШАГ 4. ОТЛАДКА, КАЛИБРОВКА МОДЕЛИ
Последний этап при разработке модели существующего состояния системы теплоснабжения – это отладка и калибровка модели.
Этап отладки необходим для выявления и исключения ошибок, допущенных при вводе данных и при топологическом описании модели. В процессе массового ввода информации при наполнении модели такие ошибки и упущения практически неизбежны. Для их эффективного обнаружения и исправления необходимо иметь специальные средства, встроенные в систему и позволяющие осуществлять как визуальный (параметрические раскраски и графические выделения), так и аналитический (параметрические отчеты и выборки) контроль данных.
Калибровка модели проводится с целью достижения соответствия расчетных параметров модели фактическим параметрам в определенных реперных узлах системы теплоснабжения (величины расходов и давлений в подающих и обратных трубопроводах системы теплоснабжения для определенных расчетных режимов). Реперные узлы, – источники тепла, тепловые камеры, ЦТП, ИТП, – выбирались исходя из наличия в них приборов учета или технической возможности проведения одномоментной съемки необходимых параметров режима. Таким образом, на момент завершения отладки и калибровки модели мы имели модель существующего состояния системы теплоснабжения, от которого следовало отталкиваться при моделировании сценариев перспективного развития. Модель текущего состояния системы теплоснабжения позволила свести балансы тепловой энергии и расходов теплоносителя по источникам, районам и кадастровым кварталам, определить зоны избытка и дефицита тепловой энергии, проанализировать существующие гидравлические режимы.
ШАГ 5. СОЗДАНИЕ МОДЕЛЕЙ ПЕРСПЕКТИВНЫХ ВАРИАНТОВ РАЗВИТИЯ
В рамках разработки схемы теплоснабжения г. Москвы до 2020 г. нами прорабатывались сценарии развития до 2010, 2015 и 2020 гг. В качестве исходных данных по перспективному развитию города использовались данные ГУП «НИиПИ Генплана г. Москвы» и «Городского кадастра» в части прогнозов приростов тепловых нагрузок по каждому округу, административному району, кадастровому кварталу – с разбивкой по годам, а также данные по районам ведущейся и планируемой массовой застройки. В качестве исходных данных по планируемым к вводу объектам тепловых сетей и источников энергоснабжения использовались данные Постановлений Правительства Москвы, данные теплоснабжающих и энергогенерирующих компаний, данные по ведомственным источникам, по выданным техническим условиям ОАО «МОЭК» и ОАО «МТК». Кроме того, анализировались существующие проекты реконструкции и перекладки магистральных тепловых сетей. В части технологии разработки моделей перспективного развития был использован специализированный, встроенный в ИГС «CityCom-ТеплоГраф» инструментарий по созданию модельных баз на основе информационного описания существующего состояния.
В процессе выполнение данного этапа работ были разработаны несколько десятков вариантов развития системы теплоснабжения, просчитаны сотни вариантов перераспределения тепловых нагрузок между станциями, промоделированы различные варианты ввода новых генерирующих мощностей, проработаны варианты возможных аварийных режимов. В результате всей этой огромной работы были сформированы оптимальные варианты развития на рассматриваемые периоды по критериям качества, надежности и экономичности.
ШАГ 6. ОРГАНИЗАЦИЯ ИНФОРМАЦИОННОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ
Перейдем к последнему и самому важному этапу – внедрению на эксплуатирующих предприятиях и организации взаимодействия с существующими информационными системами. Не случайно мы акцентируем внимание на том, что этот этап является одним из самых важных. Создать модель – это половина работы, вторая половина – это внедрение ее в эксплуатацию и наладка процесса актуализации данных модели. Учитывая то, что система теплоснабжения – динамично развивающийся механизм, без организации процесса мониторинга и актуализации модель устареет в считанные месяцы.
Самый правильный вариант организации мониторинга единой общегородской модели – внедрение ее на теплоснабжающих предприятиях, являющихся основными поставщиками данных. Ведь, помимо задач планирования развития на базе модели существующего состояния, можно и нужно организовать работу многих служб предприятий (таких как ПТО, службы режимов и наладки, аварийно-диспетчерских служб, перспективного развития, ремонтов и др.) с информационно-технологическими компонентами модели. Что касается данных по перспективному развитию города, баз данных департаментов, различных ведомств, участвующих в поставке информации – необходимо разработать механизмы информационного взаимодействия с теми системами, в которых они ведутся и актуализируются, разработать регламент обновления данных и утвердить его соответствующими службами на уровне города. Успех организации этих работ может быть достигнут только при наличии заинтересованности всех участников в обмене данными.
ПОСЛЕСЛОВИЕ
Конечно же, создание и внедрение информационно-аналитических проектов подобного масштаба – процесс очень сложный, трудоемкий и, самое главное, дорогой, поскольку он требует привлечения высококлассных специалистов. Но, вложив средства в такой проект единожды, мы получаем действующую «электронную» модель, которая позволяет в дальнейшем реализовывать мониторинг схемных решений, решать задачи стратегического городского планирования, а также осуществлять информационно-расчетную поддержку текущего функционирования систем теплоснабжения города – решать эксплуатационные, производственно-технические, диспетчерские, режимные и многие другие «повседневные» задачи теплоснабжающих предприятий.