Наладка инженерных сетей. Гидравлические расчеты инженерных сетей как объектов геоинформационных систем

июль 1998 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, и ). 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

АО «Аркада» – ведущий поставщик комплексных решений для автоматизации промышленных предприятий и проектных организаций, эксклюзивный представитель решений НТП «Трубопровод», приглашает Ваших специалистов принять участие в программе подготовки по теме:

^ Гидравлический и теплогидравлический расчеты

в программном комплексе «Гидросистема»

Стоимость: 3 300 грн.

Мероприятие проведут специалисты компании-разработчика НТП Трубопровод.

Мероприятие предназначено для слушателей, которые выполняют задачи по проведению тепловых и гидравлических расчетов, а также выбора диаметров трубопроводов, перекачивающих жидкие или газообразные продукты, а также газо-жидкостные смеси.

День 1.

^ Функции и основные возможности программы «Гидросистема». Теоретические основы гидравлических и тепловых расчетов трубопроводов.

Возможности программы «Гидросистема» и ограничения ее области применения.
Структура программы «Гидросистема» и назначение ее модулей.
Постановка и формализация решаемых в программе задач:

Проектный расчет, расчет пропускной способности, поверочный расчет:
Расход, давление и диаметры труб в трубопроводах, их взаимосвязь. Падение давления в трубопроводах, уравнение Бернулли.
Режимы течения – ламинарный, турбулентный, переходный. Число Рейнольдса. Зависимость падения давления от скорости – линейная и квадратичная.
Шероховатость труб и расчет потерь давления в трубах. Выбор значения шероховатости.
Местные сопротивления и их расчет (справочники Идельчика, Миллера).

Тепловой расчет трубопроводов. Расчет тепловых потерь в окружающую среду. Формула Шухова. Основные термические сопротивления процесса теплопередачи от перекачиваемого продукта в окружающую среду. Учет свойств реального газа (дроссельного эффекта), учет энергии трения для жидкостей.
Расчет двухфазного течения. Основные подходы к моделированию двухфазных течений, основные зависимости и корреляции для расчета истинного газосодержания, двухфазных сопротивлений, режимов течений двухфазной смеси.
Явление кавитации. Кавитационный запас и его расчет.

Пользовательский интерфейс программы «Гидросистема», задание исходных данных.

Основные понятия расчетной схемы. Гидравлическое сопротивление, участок, ветвь, узел, источник, потребитель.
Обзор окон, меню и панелей программы, настройка интерфейса.
Структура исходных данных и их задание:

Задание общих данных по трубопроводу.
Данные по окружающей среде и теплоизоляционной конструкции (работа с базой данных изоляционных материалов).
Задание данных по продукту. Способы задания и их особенности. Моделирование нефтей и нефтепродуктов, пересчет разгонки нефтяных фракций.
Задание ветвей трубопровода и данных по ним. Направление потока в ветви, притоки/оттоки в узлах ветви.
Типы участков (гидравлических сопротивлений) и их использование, моделирование «сосредоточенных» сопротивлений и сопротивлений, имеющих длину. Ввод и учет тройников. Задание насосов.
Врезка узлов в трубопровод, задание замкнутых контуров, задание закрытой трубопроводной арматуры.
Графическое отображение расчетной схемы и его настройка. Режим точной графики, синхронизация данных по элементам с их графическим отображением.

День 2.

Выполнение расчетов в программе «Гидросистема». Практическое занятие.

Схематизация реальной конструкции трубопровода и правильный выбор расчетной схемы. Важность и правильность учета тех или иных элементов схемы.
Постановка решаемой задачи в программе, задаваемые и искомые величины.
Виды расчетов, выполняемых программой, их назначение и практическое применение:

Проектный расчет: учет ограничений по скорости движения продукта, настройки проектного расчета. Самостоятельное выполнение расчета.
Расчет пропускной способности и распределения потоков в трубопроводе. Задание регулирующей арматуры. Самостоятельное выполнение расчета.
Поверочные гидравлические и тепловые расчеты: расчеты «от источника к потребителю» и наоборот, различные вариации расчетов. Самостоятельное выполнение расчета.
Расчет двухфазного течения: виды двухфазных течений («замороженное» течение и течение с кипением/конденсацией), особенности настройки расчета. Самостоятельное выполнение расчета.

Представление и вывод на печать результатов расчета.
Инженерная трактовка результатов расчета.

ГеоИнфоГрад проводит дистанционное обучение применению ГИС Zulu и ZuluThermo для электронной картографии, моделирования, наладки тепловых сетей, разработки и актуализации электронных моделей систем и схем теплоснабжения.

Курс обучения ZuluThermo

Пример учебных видеоматериалов

Вводная лекция

«Электронная модель системы теплоснабжения и современный подход к наладке и модернизации тепловых сетей с примером»

в рамках программы «ОСНОВЫ РАЗРАБОТКИ СХЕМ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ ПОСЕЛЕНИЙ И ГОРОДСКИХ ОКРУГОВ» для повышения квалификации должностных лиц органов местного самоуправления и специалистов теплоснабжающих организаций проводимой ФГАОУ ДПО "ИПК ТЭК"

Практические занятия

1. Основные элементы интерфейса пользователя и операции:
a. Меню, панель инструментов, перемещение по карте, масштабирование.
b. Задание масштаба и координат.
c. Навигатор, рабочее место, список карт и слоёв.
d. Включение, выключение видимости слоёв, порядок расположения. Типы слоёв: векторный, растровый, расчётный. Активный слой.

2. Основные инструменты. Выделение объекта, группы, объектов. Геометрические свойства объекта.

3. Измерение расстояний и площадей.

Занятие 2. Введение 2 0:25

Курс обучения ZuluThermo. Видеоматериалы. Оглавление. Практические занятия

Занятие 1. Часть 1. Введение 0:13

Основные элементы интерфейса пользователя и операции:

Меню, панель инструментов, перемещение по карте, масштабирование.
Задание масштаба и координат.
Навигатор, рабочее место, список карт и слоёв.
Включение, выключение видимости слоёв, порядок расположения. Типы слоёв: векторный, растровый, расчётный. Активный слой.

Основные инструменты. Выделение объекта, группы, объектов. Геометрические свойства объекта.
Измерение расстояний и площадей.

Занятие 1. Часть 1. Данные по объектам 0:09

Данные по выделенному объекту. Данные по всем объектам типа. Запросы.

Занятие 1. Часть 2. Работа с существующей расчётной моделью системы теплоснабжения 1:31

Редактирование существующей карты. Добавление новых потребителей и участков сети.
Раскраска по скоростям. Пьезометрический график. Проверка топологической связанности сети.
Обзор данных по элементам сети. Заполнение исходных данных для расчёта по добавленным элементам сети. Расчёт с добавленным потребителем. Анализ расчёта. Подбор подходящего диаметра.

Занятие 1. Часть 3. Работа с существующей расчётной моделью системы теплоснабжения 0:39

Редактирование существующей карты. Добавление новых потребителей и участков сети (продолжение).
Разбор самостоятельной работы.
Экспорт данных в Excel.
Печать без макета. Печать на нескольких страницах.

Занятие 2. Введение2 0:25

Создание расчётного слоя и расчёт небольшой сети. Краткий обзор основных возможностей ZuluThermo: Ввод исходных данных, расчёт, анализ результатов расчёта, рекомендации по улучшению гидравлического режима.

Занятие 2. Часть 1 1:40

Создание базы данных,
Экспорт из Автокада
Подключение растров. Калибровка. Группировка
Трансформация слоя

Занятие 2. Часть 2 1:02

Подключение растров публичных карт и космоснимков (продолжение),
Создание слоёв (повтороение). Рисование.
Заполнение табличных данных, автоматическое заполнение длин участков.
Расстановка и редактирование надписей.

Занятие 3. Часть 1. Расчёт тепловой сети 0:57

Настройки расчётов.
Заполнение исходных данных для расчёта.
Расчёт. Обзор результатов расчёта.
Моделирование 4-х трубной сети с ГВС.

Занятие 3. Часть 2 1:10

Поверочный расчёт тепловой сети.
Температурный график.
Расчёты с учётом тепловых потерь.
Типы и режимы элементов системы теплоснабжения/расчётного слоя:
1. работа сети с насосной станцией,
2. задвижка,
3. обобщённый потребитель,
4. дросселирующий узел,
5. перемычка.
Справка по элементам сети и их параметрам

Занятие 4. Часть 1 1:01

Структура слоя. Стили. Типы и режимы. Условные обозначения, масштабирование условных обозначений. Редактирование, создание новых. Примитивные и типовые объекты.
Базы данных слоя. Редактирование таблиц базы данных. Добавление поля в таблицу. Типы данных. Запросы. Оформление пользовательской таблицы (запроса). Группировка и раскрашивание полей. Использование документов, файлов, изображений в качестве данных.

Занятие 4. Часть 2 1:19

Ограничения демонстрационного режима
Структура данных (продолжение). Создание таблицы в новом слое. Запросы (пример).
Свойства слоя. Генерализация - диапазон масштабов видимости.
Проект.
Печать. Макет печати.
Растры. Вставка. Настройка прозрачности и цвета.

Занятие 5 2:08

Вставка, привязка, калибровка растров
Закладка «Сервис» в модуле ZuluThermo: Отметки высот с карты, рельеф. Автоматическое заполнение длин, концов участка с карты.
Расчёт нормативных тепловых потерь.
Раскраска тепловой сети 2 способами. Тематические раскраски. Показать диаметр толщиной, потери - цветом.
Оверлейные операции. Сложение, вычитание объектов.
Выделение групп объектов. Массовые операции с группами.
Удаление лишних и добавление пустых записей в базе данных.
Работа с таблицами базы данных.
Поиск объекта по ключу.
Трансформирование слоя с экрана и параметрами.
Копирование, переименование, индексация слоя.

Преподаватели: Луняков А.В., Говоров В.Л.

Удобство использования ГИС, как информационно-справочной системы с точно нанесенными на местность инженерными сетями, улицами и домами, очевидно. ГИС позволяет привязать объекты сети к территории, подключать к ним атрибутивную информацию, выполнять визуализацию, пространственный анализ и 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.

Немного теории

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. Например, 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 (рис. 1).

Рис. 1. Пример фрагмента тепловой сети, полученного 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, приведенный на рис. 1 фрагмент графа, состоящий из трех потребителей и четырех тепловых камер, можно было бы представить в табличном виде (см. рис. 2).

Рис. 2. Фрагмент графа в табличном виде.

Давайте проверим, все ли участки фрагмента сети мы описали. Просматривая записи таблицы и сверяя их с рисунком, нетрудно заметить, что нами пропущен один участок (ТК3, ТК2). Можно быстро добавить запись в таблицу и исправить ошибку.

Вроде бы все не так сложно, но ведь в сети могут быть тысячи таких участков. Легко понять, что начать расчеты и заняться анализом их результатов (ради чего, собственно, и нужна кодировка) придется не скоро. И даже после окончания кодирования сети добросовестного специалиста периодически будет терзать мысль о том, правильно ли он все ввел.

Теперь представим, что имеется графический редактор, позволяющий работать с точками и линиями, наделенными рядом дополнительных, не связанных с координатной привязкой и стилем отображения, свойств:

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 таким 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.

Рис. 3. Участок сети в виде графа.

Возвращаясь к приведенному выше примеру и используя его для представления сети в виде графа, можно получить фрагмент слоя для расчетов (рис. 3). Этот слой содержит информацию и о пространственном положении элементов сети, и о математической модели сети.

Конкретные реализации топологических редакторов могут различаться по уровню сложности и набору сервисных возможностей. 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.

1. 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.

2. Потребитель. Узловой элемент. Это потребители воды, газа, электрической и тепловой энергии. Источник может иметь два состояния: подключен или отключен.

3. Отсекающее 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.

4. Простые узлы служат для соединения участков и всегда имеют одно состояние - открыто.

5. 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, может быть 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 раскрасить 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 плановом выводе участков сети из работы. Конфигурация сети бывает довольно сложной, и в уме трудно 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, то есть привело бы к отключению минимального числа потребителей. На графе сети такие задачи решаются очень просто.

Анализ результатов переключений в сети. Рассмотрим два состояния фрагмента сети, до и после отключения задвижки (рис. 4).

Рис. 4. Два состояния фрагмента сети: до и после отключения задвижки.

Когда задвижка на карте переводится в состояние «закрыто», 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 с помощью пространственного запроса 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.

Рассмотрим пример простой схемы тепловой сети с двумя источниками и двумя потребителями (рис. 5).

Рис. 5. Схема 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. Важно отметить, 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. Они имеют ряд различий.

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, сама переводит внешнее представление сети во внутреннюю кодировку. Например, схема, приведенная выше, будет преобразована в памяти компьютера примерно к виду, показанному на рис. 6.

Рис. 6. Пример однолинейного представления.

2. Степень детализации при изображении сети. Она может быть разной в зависимости от требований модели. 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 (рис. 7).

Рис. 7. Эквивалентные схемы, вторая схема - упрощенная.

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 возрастает.

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 (рис. 8).

Рис. 8. Полная (верхняя) и упрощенная схемы представления «потребителя».

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 не имеют 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. То есть, с одной стороны, очень удобно, когда расчетный граф сети привязан к местности, но, с другой стороны, ввод упрощенной схемы сети позволяет инженерам быстро начать расчеты. Поэтому, во многих организациях схема сети для паспортизации и технологическая схема для расчетов ведутся параллельно, хотя и возникает проблема согласования нескольких представлений одной и той же сети.

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 занесении по нему информации. Графическое представление данных помогает ускорить этот процесс.

Если выделять на карте группы объектов с одинаковыми атрибутами, то атрибуты можно 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.

ГИС также может оказать большую помощь при контроле правильности введенных атрибутов. Так, например, в ArcGIS существует возможность заранее установить допустимые значения атрибутов либо в виде диапазона, либо в виде списка значений. Оператор при вводе данных выбирает одно из значений для данного типа или подтипа объектов, при этом намного уменьшается вероятность ошибки. Кроме того, по окончании сеанса редактирования можно запустить специальную проверку на соответствие заранее установленным правилам, и все несоответствия будут указаны в процессе проверки.

Способов упрощения ввода атрибутов и контроля ошибок существует много, к ним можно добавлять собственные способы, которые зависят от конкретных задач и изобретательности пользователей.

Анализ результатов расчета

Процесс ввода топологии расчетной сети и ее атрибутивных данных может быть трудным и долгим, но основная часть работы выполняется лишь один раз. Расчеты же обычно выполняются 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 обеспечивает 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 объект, соответствующий текущей записи.

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. Он 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.

Рис. 9. Создание подписей, содержащих атрибуты объектов и результаты расчетов.

Крайне полезной является возможность совместного отображения графической информации, исходных данных и результатов расчета. Используя ГИС, вы легко можете подписать объекты, указав, какие поля атрибутов нужно выводить на карту (рис. 9).

Инженерные расчеты под ArcGIS 8

Санкт-Петербургской компанией «Политерм» разработаны расчетные модули для систем тепло- и водоснабжения. Нашим программно-расчетным комплексом «АРМТЕСТ-Zulu» пользуются много лет во многих городах России. И вот вышла первая версия расчетов под ArcGIS 8 - модули Zulu ArcHydro и Zulu ArcThermo.

Для построения расчетной модели сети используется топологический редактор, работающий под ArcEditor и ArcInfo. Разработанные приложения позволяют пользователю самостоятельно создавать новую расчетную сеть, редактировать ее топологию, вводить по объектам сети атрибутивную информацию и выполнять технологические расчеты.

Поверочный расчет водопроводной сети

Целью поверочного расчета является определение потокораспределения в водопроводной сети, подачи и напора источников при известных диаметрах труб и отборах воды в узловых точках.

Для выполнения поверочного расчета исходными являются следующие величины:

Диаметры и длины всех участков сети и, следовательно, их гидравлические сопротивления
Фиксированные узловые отборы воды
Напорно-расходные характеристики всех источников
Геодезические отметки всех узловых точек

В результате поверочного расчета определяются:

Расходы и потери напора во всех участках сети
Подачи источников
Пьезометрические напоры во всех узлах системы.

К поверочным расчетам относятся и расчет системы на случай тушения пожара в час наибольшего водопотребления, и расчеты сети и водопроводов при допустимом снижении подачи воды в связи с авариями на отдельных участках. Эти расчеты необходимы для оценки работоспособности системы в условиях, отличных от нормальных, для выявления возможности использования в этих случаях запроектированного насосного оборудования, а также для разработки мероприятий, исключающих падение свободных напоров и снижение подачи ниже предельных значений.

Конструкторский расчет водопроводной сети

Целью конструкторского расчета тупиковой и кольцевой водопроводной сети является определение диаметров трубопроводов, обеспечивающих пропуск расчетных расходов воды с заданным напором.

Под расчетным режимом работы сети понимают такие возможные сочетания отбора воды и подачи ее насосными станциями, при которых имеют место наибольшие нагрузки для отдельных сооружений системы, в частности водопроводной сети. К нагрузкам относят расходы воды и напоры (давления).

Водопроводную сеть, как и другие инженерные коммуникации, необходимо рассчитывать во взаимосвязи всех сооружений системы подачи и распределения воды.

Расчет водопроводной сети производится с любым набором объектов, характеризующих систему водоснабжения, в том числе и с несколькими источниками.

Наладочный расчет тепловой сети

Целью наладочного расчета является обеспечение потребителей расчетным количеством воды и тепловой энергии. В результате расчета осуществляется подбор элеваторов и их сопел, производится расчет смесительных и дросселирующих устройств, определяется количество и место установки дроссельных шайб. Расчет может производиться при известном располагаемом напоре на источнике или при его автоматическом подборе в случае, если заданного напора недостаточно.

Дросселирование избыточных напоров на абонентских вводах производят с помощью сопел элеваторов и дроссельных шайб. Дроссельные шайбы перед абонентскими вводами размещаются автоматически на подающем, обратном или обоих трубопроводах в зависимости от необходимого для системы гидравлического режима. При работе нескольких источников на одну сеть определяется распределение воды и тепловой энергии между источниками. Подводится баланс по воде и отпущенной тепловой энергии между источником и потребителями. Определяются потребители и соответствующий им источник, от которого данные потребители получают воду и тепловую энергию.

Поверочный расчет тепловой сети

Целью поверочного расчета является определение фактических расходов теплоносителя на участках тепловой сети и у потребителей, а также количества тепловой энергии, получаемой потребителем, при заданной температуре воды в подающем трубопроводе и располагаемом напоре на источнике.

Созданная математическая имитационная модель системы теплоснабжения, служащая для решения поверочной задачи, позволяет анализировать гидравлический и тепловой режим работы системы, а также прогнозировать изменение температуры внутреннего воздуха у потребителей. Расчеты могут проводиться при различных исходных данных, в том числе в аварийных ситуациях, например, при отключении отдельных участков тепловой сети, передаче воды и тепловой энергии от одного источника к другому по одному из трубопроводов и т.д.

В результате расчета определяются расходы и потери напора в трубопроводах, напоры в узлах сети, в том числе располагаемые напоры у потребителей, температура теплоносителя в узлах сети (при учете тепловых потерь), температуры внутреннего воздуха у потребителей, расходы и температуры воды на входе и выходе в каждую систему теплопотребления. При работе нескольких источников на одну сеть определяется распределение воды и тепловой энергии между источниками. Подводится баланс по воде и отпущенной тепловой энергии между источником и потребителями. Определяются потребители и соответствующий им источник, от которого данные потребители получают воду и тепловую энергию.

Конструкторский расчет тепловой сети

Целью конструкторского расчета является определение диаметров трубопроводов тупиковой и кольцевой тепловой сети при пропуске по ним расчетных расходов при заданном (или неизвестном) располагаемом напоре на источнике.

Данная задача может применяться при выдаче разрешения на подключение потребителей к тепловой сети, так как в качестве источника может выступать любой узел системы теплоснабжения, например тепловая камера. Для более гибкого решения данной задачи предусмотрена возможность изменения скорости движения воды по участкам тепловой сети, что приводит к изменению диаметров трубопровода, а значит и располагаемого напора в точке подключения.

В результате расчета определяются диаметры трубопроводов тепловой сети, располагаемый напор в точке подключения, расходы, потери напора и скорости движения воды на участках сети, располагаемые напоры на потребителях.

Расчет требуемой температуры на источнике

Целью задачи является определение минимально необходимой температуры теплоносителя на выходе из источника для обеспечения у каждого потребителя температуры внутреннего воздуха не ниже расчетной.

Заключение

Использование программно-расчетного комплекса от компании Политерм на базе ArcGIS 8 не заменит вашего опыта и профессионализма, но вооружит вас мощным современным инструментом для анализа и управления инженерными сетями.

...В основе математической
модели для расчетов
сетей лежит граф.