ГИС и инженерные сети
Удобство использования ГИС, как информационно-справочной системы с точно нанесенной на местность инженерной сетью, улицами, домами, сетями других организаций очевидна. ГИС позволяет привязать объекты сети к территории, подключать к ним атрибутивную информацию, выполнять пространственные запросы, выводить информацию на печать и т.д.
Однако в процессе эксплуатации инженерных сетей возникает много специфических вопросов, прямо не связанных с ГИС: какое давление будет в трубопроводе при выходе из строя насоса, сколько потребителей окажется без воды при отключении задвижки, какой будет ток короткого замыкания на шине. Если нельзя быстро и правильно ответить на десятки подобных вопросов, то трудно говорить о возможности эффективного управления сетями. Сети нужно уметь считать.
В основе математической модели для расчетов сетей лежит граф. Как известно, граф состоит из узлов, соединенных дугами. В любой сети можно выделить свой набор узловых элементов. Так в теплоснабжении - это источники, тепловые камеры, потребители, насосные станции, запорная арматура; в электроснабжении - источники, трансформаторы, потребители, выключатели и т.д. Дугами графа являются участки сети: трубопроводы, кабели. Участок обязательно должен начинаться в каком-то узле и заканчиваться узлом.
На рисунке справа приведен пример того, как выглядит фрагмент тепловой сети, полученной от геодезистов. Участки трубопроводов, идущие между бетонными стенками каналов, заканчиваются у стен зданий и стенок колодцев.
Очевидно, что напрямую использовать эту информацию для построения расчетной математической модели невозможно. С точки зрения модели это не более чем рисунок.
И не удивительно, что долгое время на предприятиях, эксплуатирующих сети, совершенно независимо могли существовать службы занимающиеся ведением схем, чертежей, привязкой объектов сети к территории, паспортизацией сети и отделы, занимающиеся технологическими расчетами сетей.
В программных средствах, не использующих геоинформационные технологии, описание графа сети (кодирование сети) производилось в табличном виде. Например, для приведенного рисунка фрагмент графа, состоящий только из трех потребителей и четырех тепловых камер, можно было бы представить так:
| ТК2 | ТК1 |
| ТК1 | П1 |
| ТК3 | ТК4 |
| ТК4 | П2 |
| ТК4 | П3 |
Давайте проверим, все ли участки фрагмента сети мы описали. Сверяясь с рисунком, и просматривая записи таблицы, нетрудно заметить, что нами пропущен один участок (ТК3,ТК2.) Добавляем запись в таблицу и исправляем ошибку.
Вроде бы все не так сложно, но теперь представьте, что таких участков в сети несколько тысяч. Легко понять, что начать расчеты и заняться анализом их результатов (то ради чего и нужна кодировка), придется не скоро. И даже после окончания кодирования сети добросовестного специалиста периодически будет посещать мысль, а правильно ли я все ввел?
Теперь представим, что какой-то графический редактор позволяет работать с точками и линиями, наделенными рядом дополнительных свойств, не связанных с координатной привязкой и стилем отображения:
- Точечный объект одновременно является узлом математического графа;
- Линейный объект одновременно является дугой математического графа.
Отсюда следует, что в начале и конце такого линейного объекта обязательно должны находиться точечные объекты, являющиеся узлами. Если графический редактор позволяет добавлять объекты с такими свойствами, то, начиная рисовать участок сети, нужно будет обязательно либо привязать начало участка к одному из существующих узлов, либо выбрать из набора узлов, входящих в структуру слоя, узел, в котором этот участок будет начинаться. Точно так же, заканчивая ввод участка, нужно либо привязать его конец к одному из существующих узлов, либо установить новый узел, в котором участок будет закончен.
Если мы перемещаем какой-то узел (изменяем его координаты), то вместе с ним переместятся начала и концы участков, связанных с этим узлом. То есть изменение положения узлов в пространстве не приведет к изменению топологии графа. Сеть не "развалится".
С точки зрения математической модели совершенно неважно, будут ли координаты узлов и точек перелома участков введены по координатам с геодезической точностью, обрисованы по какой-то подложке или просто изображены схематично. Важно, что нужные пары узлов соединены дугами, и в результате "рисования" сети мы автоматически получаем и кодировку математического графа сети. Если рисунок выполнен правильно, то и граф сети ошибок содержать не будет.
А теперь представим, что такой топологическим редактором обладает геоинформационная система. Тогда все возможности и достоинства ГИС совмещаются с возможностью описывать в графическом виде математическую модель сети. Когда ГИС обладает описанными свойствами, принято говорить, что она поддерживает линейно-узловую топологию.
Возвращаясь к примеру, и используя его как подложку для ввода сети в виде графа, можно получить фрагмент слоя для расчетов. Этот слой одновременно содержит информацию о пространственном положении элементов сети и о ее математической модели.
Конкретные реализации топологических редакторов по уровню сложности и набору сервисных возможностей могут быть различны. Средства редактирования для инженерных сетей должны включать возможность определения специальных правил, контролирующих допустимые и недопустимые действия пользователя при определении компонентов сети или изменении ее конфигурации. Например, потребитель может быть связан только с одним участком; высоковольтный и низковольтный участки могут быть связаны не напрямую, а только через трансформатор; в регулятор давления только один участок должен входить и только один выходить; и т.д.
Таким образом, можно говорить не о редактировании полилиний или точек - геометрических примитивов, а о редактировании содержательно определенных объектов - потребителей, проводников, выключателей, трансформаторов или трубопроводов, вентилей, насосов.
Топологические задачи
В инженерных сетях, независимо от их назначения, можно выделить ряд общих, с точки зрения топологии, элементов.
- Источник. Узловой элемент. В электроснабжении это может быть источник напряжения, трансформаторная подстанция, в водоснабжении - водонапорная башня, скважина, в теплоснабжении - котельная, ТЭЦ. Источник может иметь два состояния: включен или отключен.
- Потребитель. Узловой элемент. Это потребители воды, газа, электрической и тепловой энергии. Источник может иметь два состояния: подключен или отключен.
- Осекающее устройство. Узловой элемент. В электроснабжении - это рубильники, выключатели, контакторы, в трубопроводных сетях - запорная арматура: вентили, задвижки, краны. Отсекающее устройство может иметь два состояния: открыто или закрыто.
- Простые узлы служат для соединения участков и всегда имеют одно состояние - открыто.
- Участок. Линейный объект. Соединяет пару узлов. Это кабели, ЛЭП, участки трубопроводов. В зависимости от конкретной реализации, участок тоже может иметь состояния: открыт или закрыт. Кроме того, участок имеет направление от начального узла к конечному узлу.
Конкретных задач, использующих топологические свойства графа сети, можно придумать множество. Перечислим некоторые из них.
Проверка связанности.
Эта проверка базируется на поиске пути по графу между двумя узлами. Если путь между узлами найден, то узлы связаны друг с другом, и являются членами одной подсети. Таким образом можно определить, связан ли данный потребитель с данным источником, работают ли два источника на одну сеть. Используя возможности ГИС по созданию тематических карт, можно покрасить все участки, связанные с указанным источником в один цвет, а все остальные в другой. Несмотря на простоту такой операции, это очень мощное средство контроля ошибок при вводе. Если в каком-то месте сети ошибочно допущен разрыв, то его можно сразу увидеть по смене цвета участков на границе разрыва.
Поиск ближайших отсекающих устройств.
Эта возможность крайне важна при локализации места аварии, или планового вывода участков сети из работы. Конфигурация сети бывает довольно сложной и в уме не всегда можно быстро и правильно определить, какие отсекающие устройства нужно закрыть, чтобы изолировать участок сети. Ошибки в таких случаях могут стоить очень дорого. Особенно важно, чтобы отключение было оптимальным, т.е. привело бы к отключению минимального числа потребителей. На графе сети такие задачи решаются очень просто.
Анализ результатов переключений в сети.
На рисунке изображены два состояния фрагмента сети, до и после отключения задвижки.
Когда задвижка на карте переводится в состояние "закрыта", граф сети пересчитывается, и отсеченные от источника потребители автоматически принимают состояние "отключен". При этом формируется список отключившихся потребителей. Если на карте присутствует слой со зданиями, и узлы потребителей помещены внутрь контуров зданий, то, пространственным запросом можно определить какие здания были отключены, и получить список их адресов.
Результаты отключения можно передать в диспетчерскую систему для формирования записей в журнале отключений, а список отключенных абонентов можно передать в систему по расчетам с потребителями для перерасчета начисляемой абонентской платы. Заметим, что при отключении десятков и сотен потребителей, получение таких списков "вручную" довольно трудоемко и не гарантировано от ошибок.
Технологические расчеты
Знание топологии сети позволяет найти ответы на многие вопросы. Но есть ряд задач, которые невозможно решить без учета физической сущности сетей.
Вот пример простой схемы тепловой сети с двумя источниками и двумя потребителями. Как определить, в какую сторону потечет вода по среднему участку? Найти ответ путем логического анализа топологии сети невозможно.
Решение зависит от многих факторов: напора на выходе каждого источника, гидравлических сопротивлений всех участков трубопроводов, тепловых и гидравлических параметров потребителей и т.д. Без физических расчетов, учитывающих технологию функционирования сети, тут обойтись уже нельзя.
Для каждого типа инженерных сетей существует множество методик своих технологических расчетов. Это электрические, гидравлические, теплогидравлические, прочностные расчеты, выходящие за рамки данного предмета. Важно то, что использование ГИС существенно облегчает и упрощает работу по созданию расчетной модели сети и вводу атрибутивных данных.
Расчетная модель и реальность
Следует отметить, что создаваемая для расчетов сеть все-таки является моделью, а не полной копией сети на местности.
1. Однолинейное представление участков.
В некоторых сетях участки содержат несколько параллельно идущих ниток. Так, в электрической трехфазной сети параллельно идут три фазы, или три фазы и ноль. В тепловых сетях, как правило, всегда рядом идут подающий и обратный трубопроводы, а могу быть трехтрубные и четырехтрубные сети. С точки зрения модели совсем не нужно рисовать рядом три провода или две трубы. Пользователь вводит участки сети в одну линию, а расчетная задача, если это необходимо, уже сама переводит внешнее представление сети во внутреннюю кодировку. Например, схема, приведенная выше, будет преобразована в памяти компьютера примерно к виду, показанному на рисунке ниже:
2. Степень детализации при изображении сети.
Степень детализации при изображении сети, в зависимости от требований модели, может быть различна. Например, в водопроводной сети могут присутствовать сотни задвижек. Их назначение - перекрывать те или иные участки сети. Но модель может быть построена так, что изображать задвижки не будет необходимости. Вместо задвижки можно просто "включать" и "отключать" сам участок, а физическое влияние задвижки можно учесть в атрибутах коэффициентом местного сопротивления.
Показанные на рисунке схемы эквивалентны, но на второй схеме на три узла и три участка меньше. Когда таких "лишних" объектов тысячи и по ним нужно заносить десятки атрибутов, время ввода существенно замедляется. Если в здании несколько абонентских узлов, то объектом "потребитель" можно описать каждый узел ввода отдельно. И в этой же сети можно описать целый квартал одним обобщенным потребителем.
В жизни такого потребителя как квартал не существует, но именно такая генерализация позволяет быстро производить расчеты магистральных сетей, не разрисовывая распределительную сеть внутри квартала. Особенно это важно, когда магистральные и внутриквартальные сети находятся на балансе разных предприятий.
3. Точность и подробность изображения.
Геодезическая точность задания координат и обязательное наличие всех точек переломов на участках в некоторых расчетных задачах вообще не имеет большого значения. Например, повороты и изгибы проводника никак не влияют на силу протекающего в нем тока. Важна общая длина провода, которую можно задать как атрибут.
На рисунке изображены два способа задания одного и того же участка тепловой сети. Верхний участок соединяет две камеры прямой линией. Нижний участок соединяет эти же две камеры, но линия выполнена с прорисовкой П-образных компенсаторов, которые по определенным законам влияют на гидравлическое сопротивление сети.
С точки зрения графа оба способа топологически корректны. Физические свойства компенсаторов для технологического расчета нужно учесть в обоих случаях, задав соответствующие атрибуты, так как подробность прорисовки никак не указывает на наличие физически значимых особенностей. В результате, инженер технолог, которому требуется просто посчитать сеть, выберет первый вариант, хотя геодезист будет его уверять, что сеть введена неверно.
По изложенным выше причинам множество объектов паспортизации и множество объектов расчетной модели одной и той же сети сильно не совпадают. Например, один расчетный участок может состоять из нескольких эксплуатационных. Попытка использовать инвентаризационные объекты в качестве объектов расчетной модели приводит к ее значительному и неоправданному усложнению.
Получается, что, с одной стороны, очень удобно, когда расчетный граф сети привязан к местности. С другой стороны, качественный с точки зрения геодезии и полный, с точки зрения паспортизации, ввод элементов сети, существенно отдаляет момент начала расчетов, ничего не добавляя к ним содержательно. Поэтому, во многих организациях схема сети для паспортизации и технологическая схема для расчетов, ведутся параллельно, несмотря на проблему согласования нескольких представлений одной и той же сети, о которой говорилось выше.
Быстрый ввод упрощенной схемы сети позволяет инженерам быстро начать расчеты, а в дальнейшем, по мере надобности и при наличии свободных временных и людских ресурсов, ее уточнять.
Ввод атрибутивной информации
По сравнению с изображением расчетной сети на карте, присвоение атрибутов объектам сети может занять гораздо больше времени. По некоторым объектам количество атрибутов, в зависимости от решаемых задач, может составлять несколько десятков. Самый простой путь состоит в последовательном указании каждого объекта и занесения по нему информации. Графическое представление данных помогает ускорить этот процесс.
Если выделять на карте группы объектов с одинаковыми атрибутами, то атрибутыможно присваивать сразу всей группе.
Если карта выполнена в масштабе, и сеть введена с хорошей точностью, то длины участков сети для расчетов можно получать из графической базы. При наличии слоя с рельефом местности, геодезические отметки узлов тоже можно получать автоматически.
Если для расчета тепловых потерь трубопроводов с подземной прокладкой требуется информация о типе грунта, и есть контурный слой по грунтам, то тип грунта можно присвоить сразу всем участкам, выполнив всего один пространственный запрос.
Хорошую помощь использование ГИС может оказать при контроле правильности введенных атрибутов. Часто встречается опечатка при вводе числовых данных, когда оператор не там поставил запятую. Такие ошибки, например, при задании диаметров трубопроводов можно визуализировать, построив вокруг участков буферную зону, пропорциональную их диаметрам. В этом случае нарушение телескопичности, в случае грубой ошибки, сразу бросается в глаза.
Анализ результатов расчета
Как бы ни трудоемок и долог был процесс ввода топологии расчетной сети и ее атрибутивных данных, основная часть работы выполняется один раз. Расчеты же могут выполняться многократно, и от удобства анализа результатов во многом зависит эффективность использования самих расчетов.
Результаты расчетов, независимо от их назначения, записываются в таблицы. Например, в электроснабжении это напряжения на всех узлах, сила тока и потери на каждом участке; в теплоснабжении - напоры и температуры в каждом узле, расходы, скорости и потери на каждом участке. В табличном виде просмотр тысяч записей, выявление неверных результатов, вызванных ошибками в исходных данных, бывает довольно неудобен. Использование ГИС включает в себя традиционный анализ таблиц: запросы, сортировки, выборки. Кроме того, пользователь получает мощный инструмент по визуализации результатов и выполнению пространственных запросов.
Очень удобно, перемещаясь по записям в таблице, сразу отображать на карте соответствующий текущей записи объект. Используя механизм создания тематических карт, можно раскрасить участки сети по различным критериям: по величине потерь, по скорости движения воды, по температуре, по принадлежности к источнику. Выделение цветом по тем или иным параметрам позволяет сразу увидеть критические места в сети, оценить на качественном уровне адекватность тех или иных результатов.
Одним из основных документов, создаваемых по результатам гидравлических расчетов для всех трубопроводных сетей, является пьезометрический график. Этот график изображает линию изменения давления в узлах сети по какому-то выбранному на графе сети маршруту, например, от источника до одного из потребителей. Используя ГИС для построения маршрута, достаточно указать его начальный и конечный узлы. После этого маршрут строится автоматически. Если путей от узла до узла может быть несколько, то достаточно указать ряд промежуточных узлов.
После построения графика, который может проходить через сотни узлов, удобно организовать взаимодействие графика с картой: указав точку на графике, сразу показать на карте тот узел, которому эта точка соответствует.
Крайне полезной является возможность совместного отображения графической информации, исходных данных и результатов расчета. Используя ГИС, это легко можно сделать, указав, какие поля атрибутов нужно выводить на карту.
Последнее обновление — 19.05.2015 17:56:06