Мы поможем вам стать лучшими в отрасли Тел./факс +7(495)737-60-28, +7(499)151-06-54     e‑mail: info@citycom.ru

ГИС в задачах эксплуатации сетей инженерных коммуникаций

А.Р. Ексаев
В.А. Вайсфельд
ИВЦ "Поток"

май 1997 г.

Реакция на опубликованные авторами в ИБ ГИС N 1(8), 3(10) 1997 г. статьи продемонстрировала выраженный интерес к освещаемой в них специфике проблем инженерных коммуникаций в ГИС. Предлагаемый Вашему вниманию материал является логическим продолжением серии статей ИВЦ "Поток", посвященных принципиальным основам пространственного и логического моделирования инженерных сетей для решения эксплуатационных задач. Затронутые здесь вопросы тесно увязаны с упомянутыми предыдущими публикациями и во многом на них опираются, поэтому предварительное знакомство с ними было бы желательно.

Современные ГИС-технологии позволяют без особых проблем создавать системы, отображающие на экране монитора или на принтере (плоттере) схемы инженерных сетей на плане города. Но убедить персонал, занимающийся эксплуатацией инженерных сетей, в полезности подобных систем очень непросто. Еще сложнее довести систему до промышленной эксплуатации, то есть чтобы она (система) использовалась не только подразделением АСУ предприятия, но и производственными службами (диспетчерские службы, аварийные бригады, производственно-технические отделы и т.д.). Это, безусловно, зачастую связано и с невысокой культурой эксплуатации инженерных сетей, и с низким уровнем компьютерной грамотности эксплуатационного персонала, и с проблемами финансирования. Но главная причина заключается в другом. Подавляющее большинство поставляемых ГИС-продуктов конечного пользователя "не умеют" отвечать на целый ряд существенных для эксплуатации вопросов: дать рекомендации по локализации аварийных участков, указать последствия тех или иных переключений, дать анализ повреждаемости сети и эффективности проводимых профилактических работ и т. д. Решения большинства технологических задач по инженерным коммуникациям базируются на специальных структурах данных и алгоритмах теории графов, а геоинформационные технологии наиболее эффективны для отображения результатов решения этих задач и их пространственного анализа.

В этой статье речь будет идти только о трубопроводных сетях (тепло-, газо-, водоснабжение и водоотведение), поскольку авторы имеют опыт работы именно с этими сетями.

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.

Внутренняя структура и схемы узлов

Ряд типов узлов инженерной сети имеет достаточно сложную внутреннюю структуру, которая должна быть согласована как со структурой сети в целом, так и ее графическим изображением. В этом отношении наиболее "сложными" являются тепловые сети, в которых для каждого узла требуется специальное описание. Вопрос описания структуры колодцев и насосных станций актуален также для водопроводных и напорных канализационных сетей. В то же время для газовых и безнапорных канализационных сетей внутренняя структура узлов, как правило, может быть автоматически сформирована исходя из типа узла.



Здесь мы приведем описание принципов задания внутренней структуры для тепловых камер и водопроводных колодцев (в дальнейшем для упрощения будем называть их "колодцами"). В колодцах трубопроводы пересекаются между собой, образуя так называемые врезки. Именно эти "врезки" и являются реальными узлами графа сети, хотя на основной схеме сети они не показываются. Кроме того, в колодцах находится запорная арматура (задвижки), которая имеет 3 состояния: открыта, закрыта, прижата (некоторое промежуточное состояние, хоть и запрещенное СНиП, но, тем не менее, повсеместно применяемое для регулировки гидравлического режима). Взаимосвязь между врезками и входами трубопроводов в колодец математически представляет собой граф, на ребрах которого находятся динамические элементы. Эти графы, как правило, небольшой размерности - от 1 до 50 узлов, но они должны сочетаться с общим графом сети, который сам по себе насчитывает для крупных сетей десятки тысяч узлов.

Внутренняя структура узлов обычно не отображается на основной схеме сети, но изображение задвижек и их состояния на этой схеме крайне желательно. При этом возможны различные технологии обозначения задвижек, например, в водопроводных сетях - ортогональные трубопроводам отрезки фиксированной длины, цвет которых определяется состоянием задвижек. Это типичный пример массового вида графических элементов, которые нельзя "нарисовать", не выполнив запрос к атрибутивной базе данных.

Для большинства узлов сети, изображаемых основной схеме, например, точками, существует принципиальные схемы, показывающие внутреннюю структуру узлов. Их изображения очень удобно просматривать в отдельных окнах на фоне основной схемы. Создание базы данных таких схем узлов, - а их может быть десятки тысяч, - есть отдельная большая задача, близкая к задачам САПР. Хотя создание библиотеки растровых изображений схем узлов кажется эффектным решением этой задачи, в действительности это - плохое решение (а строго говоря - вообще не решение), поскольку на этих схемах отображается оборудование узлов, которое подлежит дальнейшей паспортизации. То есть, элементы схем (примитивы), соответствующие этому оборудованию, должны иметь идентификационные коды и менять графические свойства в зависимости от значений ряда полей в базе данных, иными словами - быть динамическими. Поэтому рисунки узлов должны создаваться специализированным векторным графическим редактором, который параллельно с вводом изображения схемы узла автоматически формирует спецификацию оборудования.

Паспортизация инженерных сетей

Под паспортизацией сети понимается сбор, ввод в базу данных и непрерывная актуализация многочисленных справочных сведений, которые характеризуют объекты инженерной сети. Все объекты сети можно разделить на 4 вида: узлы, участки, оборудование узлов (редко - участков), потребители.

Вид паспортов узлов существенно зависит от типа узла - например, паспорта колодца и насосной станции не имеют между собой почти ничего общего. Паспорта аналогичных объектов для разных инженерных сетей довольно похожи друг на друга, хотя и имеют десятки нюансов, зависящих от вида коммуникаций. Больше всего сложностей и особенностей присуще описаниям потребителей (к примеру, паспорт потребителя тепла может содержать более 100 параметров). Естественно, все справочные сведения помещаются в реляционную (желательно) базу данных, которая содержит свыше сотни взаимосвязанных таблиц. Любая справка об объекте - это, как правило, отчет, построенный на нескольких взаимосвязанных SQL-запросах.

Описание структуры базы данных - это отдельный, достаточно объемный вопрос, который в большей степени связан с технологией эксплуатации инженерных сетей, нежели с геоинформатикой. Тем не менее, ряд геоинформационных вопросов следует выделить.

В паспорта многих объектов входят параметры типа: принадлежность административному или эксплуатационному району, номер маршрута обслуживания, свой/чужой баланс и т.п. С точки зрения построения обычной реляционной базы данных эти параметры являются атрибутами-ссылками на классификаторы районов, маршрутов и т.п. Соответственно, при вводе паспортов каждого узла или участка эти данные должны просто запрашиваться во входных формах. А если, к примеру, границы эксплуатационных районов по каким-то причинам поменяются, тогда нужно будет сотни, а иногда тысячи записей откорректировать вручную. Очевидно, что такая "автоматизация" просто дискредитирует саму идею. И конечно же, когда в компьютере есть осмысленная, "живая" схема сети, следует поступать иначе. Нужно разбить схему сети на полигональные области, границы которых соответствуют границам эксплуатационных районов, а принадлежность к району определять как принадлежность графического изображения узла или участка сети соответствующей полигональной области. Правда, в этом случае могут потребоваться некоторые ручные процедуры для определения принадлежности, например, участков сети, пересекающих границу, но таких участков уже немного.

Понятно, что паспортизация инженерной сети осуществляется для получения разнообразных отчетов о параметрах сети, например - для получения суммарных длин сети с разбивкой по диаметрам и материалам труб. Все вопросы такого рода решаются с помощью того или иного генератора отчетов на базе SQL-запросов. Но в ряде случаев оказываются актуальными пространственные запросы типа: "найти все колодцы с гидрантами, находящимися от указанного здания на расстоянии не больше заданного". Часто бывает необходимо определить длину сети или суммарную нагрузку тепловых потребителей в районе, заданном графической областью-полигоном. Следовательно, геоинформационная система должна иметь средства создания подобных запросов, причем выполняться эти запросы должны за разумное время.

Переключения и выдача рекомендаций по локализации аварий

Для тепловых, водопроводных и, частично, газовых сетей переключения являются одним из основных вопросов эксплуатации сетей. Характер переключений (изменений состояния оборудования сети) существенно зависит от вида оборудования, на которых эти переключения делаются. С геоинформационными технологиями связан наиболее массовый вид переключений - переключения запорной арматуры (задвижек). Существует 3 основных цели выполнения переключений: локализация аварийных участков, проведение работ по профилактике и реконструкции сети, изменение режима сети. Для достижения указанных целей компьютерная система (если, конечно, она реализована не в качестве дополнительной обузы персоналу, а "пользы для"), безусловно, должна "уметь" решать следующие задачи:

1) отслеживание текущего положения запорной арматуры;
2) ведение архива переключений;
3) автоматическое нахождение и визуализация зоны отключения;
4) выдача рекомендаций по локализации аварийных участков;
5) автоматическое составление сложных групповых переключений (бланков переключений).

Диспетчерская служба предприятия ведет многочисленные диспетчерские журналы, в ряде из которых фиксируются сведения о переключениях. С точки зрения решения перечисленных задач необходимо, чтобы диспетчер вводил сведения о переключениях сразу в компьютер. (Кстати, ведение диспетчерских журналов является весьма непростой организационно-технической задачей, тесно связанной с геоинформационными технологиями, и это есть предмет отдельного обсуждения.)

Как было сказано выше, запорная арматура в виде той или иной геометрической фигуры показывается как на основной схеме сети, так и на схемах узлов. Ряд графических атрибутов (цвет закраски, цвет границы, вид штриховки) такой фигуры определяется по текущему состоянию запорной арматуры. Поэтому, если диспетчер (а иногда - комплекс средств телемеханики) ввел сведения об изменении состояния запорной арматуры, эти графические атрибуты должны поменяться.

Далее - автоматически должно быть сформировано подмножество объектов инженерной сети, которые изменили состояние (отключились, включились, стали тупиковыми и т.п.) в результате произведенных переключений. Это делается на основе следующих соображений.

В любой сети (кроме канализационной) несложно задать специальный тип узлов, - "источники", - которые являются точками поступления в сеть продукта транспортировки (воды, газа). Кроме того, каждая узел, имеющий внутреннюю структуру, может быть разбит на топологические узлы - объединения внутренних узлов, соединенных между собой внутренними ребрами. Внутренние узлы объединяются в один топологический узел, если они соединяются ребрами, содержащими незакрытую арматуру (или вовсе без арматуры).

На основе структуры графа исходной сети и внутренней структуры узлов строится граф, состоящий из топологических узлов. Этот граф может оказаться разбит на некоторое множество связных компонент. Компоненты, содержащие источники, называются рабочими. Те узлы и ветви графа, которые не попали в рабочие компоненты, считаются отключенными.

В результате переключений меняется состав связных компонент. Разумеется, связные компоненты должны быстро определяться с помощью специальных алгоритмов (как правило, это разновидности поиска в глубину). При этом нужно учесть, что сети, к примеру, больших систем водоснабжения могут содержать десятки тысяч топологических узлов.

Самым удобным способом визуализации результата произведенных переключений является топологическая раскраска графа схемы инженерной сети, то есть узлы и участки инженерной сети красятся, например, в зеленый цвет, если они принадлежат рабочим компонентам, и в красный цвет, если они отключены. Желательно также выделять граничные узлы, разные рабочие компоненты, тупиковые участки (участки, принадлежащие рабочим компонентам, по которым отсутствует движение объекта транспортировки - алгоритм нахождения тупиков требует отдельного обсуждения), и т. п. Отсюда следует вывод, что графические атрибуты изображения инженерной сети определяются значениями многих полей в базе данных.

Наиболее сложной в алгоритмическом плане является задача выдачи рекомендаций по локализации аварийных участков. На содержательном уровне простейшая формулировка этой задачи следующая: для заданного аварийного участка найти подмножество запорной арматуры, которую необходимо перекрыть для того, чтобы транспортируемая среда не поступала в аварийный участок (узел).

 

Очевидно, что указанное подмножество определяется не однозначно, требуется некоторый критерий локализации. В качестве такового можно принять следующую цепочку вложенных критериев: минимизация количества (иногда меры важности) отключенных потребителей, минимизация объема отключенной сети и минимизация количества запорного оборудования, состояние которого следует изменить. При этом необходимо выдавать несколько вариантов локализации, в зависимости от задаваемых пользователем признаков исправности запорной арматуры. Если предусмотрена возможность расчета гидравлических режимов, то дополнительными граничными условиями при проведении переключений являются ограничения на давления и расходы, получаемые в результате планируемых переключений. Кроме того, при выработке рекомендаций по локализации аварий иногда нужно учитывать возможность обеспечения ряда потребителей транспортируемым продуктом путем открытия ранее закрытых задвижек.

Естественным и наглядным способом представления результатов локализации является графическое выделение узлов, в которых планируется переключение, и зоны отключения.

Вместо послесловия

Стараясь по возможности популярно осветить в своих публикациях проблемы реализации ГИС конечного пользователя для предприятий, эксплуатирующих инженерные коммуникации, авторы преследуют несколько взаимосвязанных целей. Первая - помочь разработчикам конечных ГИС и интеграторам проектов полнее понять содержательную и математическую постановку задачи, определяющую выбор инструментальных средств и направленную на создание полезного инструмента, а не красивой игрушки. Вторая, главная, - для заинтересованных специалистов и руководителей предприятий, эксплуатирующих городские сети, - сформировать представление о системе критериев, которыми следует руководствоваться при принятии решения о внедрении геоинформационных технологий в своих службах, если главное - результат, а не процесс. И третья, пожалуй, не менее важная - привести представителей городских властных структур, занимающихся вопросами информатизации, к пониманию практической бесперспективности политики создания единой всеобъемлющей муниципальной ГИС путем насильственного внедрения некоего выбранного инструментария "сверху вниз". Поскольку каждая объектная область городской инфраструктуры имеет свои задачи и особенности, ничуть не менее сложные, чем в инженерных сетях, и именно эти особенности диктуют выбор инструментария, единственное реалистичное решение (по мнению авторов) состоит в создании и развитии локальных специализированных отраслевых ГИС с последующей интеграцией их на базе согласованных обменных форматов.