PROJEKTOWANIE ZINTEGROWANEGO SYSTEMU ......Jan Studzi ski Projektowanie zintegrowanego systemu...

JAN STUDZI�SKI

Instytut Bada� Systemowych PAN Warszawa

PROJEKTOWANIE ZINTEGROWANEGO SYSTEMU INFORMATYCZNEGO

ZARZ�DZANIA MIEJSK� SIECI� WODOCI�GOW�10

Streszczenie

W artykule omawia si� proces tworzenia informatycznego systemu zarz�dzania

miejsk� sieci� wodoci�gow� na przykładzie systemu budowanego dla wodoci�gów

rzeszowskich. Pokazano struktur� i funkcje systemu, opisano problemy zwi�zane z je-

go wdro�eniem oraz przedstawiono wnioski wynikaj�ce z dotychczasowych do�wiad-

cze� eksploatacyjnych. System jest opracowywany w Instytucie Bada� Systemowych

PAN w ramach projektu rozwojowego Ministerstwa Nauki i Szkolnictwa Wy�szego.

Słowa kluczowe: Systemy SWD, informatyczne systemy zarz�dzania, miejskie systemy dystrybucji

wody, systemy monitoringu, systemy GIS, mapy numeryczne, modele hydrau-

liczne sieci wodoci�gowych

1. Wprowadzenie

Systemy informatyczne stosowane do kompleksowego zarz�dzania przedsi�biorstwami

wodoci�gowymi, to w Polsce jeszcze rzadko�. Przy czym przez zarz�dzanie kompleksowe

rozumiemy tutaj wykonywanie przez system zarówno zada� organizacyjno-finansowych

(gospodarka magazynowa, ksi�gowo�, obsługa klientów przedsi�biorstwa itp.), jak i techniczno-

technologicznych (symulacja komputerowa realizowanego procesu, optymalizacja i sterowanie

procesem itp.). Wykonuj�cy takie zadania system informatyczny powinien składa si� ze

współpracuj�cych ze sob� modułów odpowiedzialnych za funkcje administracyjne i techniczne.

Jednak powszechn� praktyk� w krajowych przedsi�biorstwach wodoci�gowych jest obecnie albo

wdra�anie systemów odpowiedzialnych jedynie za sfer� działa� administracyjnych lub tylko

technicznych, albo najcz��ciej eksploatacja programów wykonuj�cych pojedyncze zadania

zwi�zane z zarz�dzaniem przedsi�biorstwem i nie zintegrowanych w formie jednolitego systemu.

Dlatego zastaje si� zwykle tak� sytuacj�, �e w poszczególnych działach przedsi�biorstwa

wodoci�gowego funkcjonuj� programy do obliczania płac, do rejestracji sprzedawanej wody,

monitoruj�ce przepływy i ci�nienia na sieci wodoci�gowej czy systemy mapy numerycznej,

natomiast nie ma mi�dzy nimi komunikacji i równie� zwykle nie planuje si� ich integracji a jedynie

kupowanie nowych programów do nowych zada�. Sytuacja taka spowodowana jest na ogół dwiema przyczynami: po pierwsze, takich

zintegrowanych systemów informatycznych nie ma na rynku i trzeba je tworzy, co jest spraw�trudn� od strony organizacyjnej i kosztown�, ponadto z braku odpowiednich do�wiadcze� równie�niepewn� pod wzgl�dem spodziewanych rezultatów; brak takich do�wiadcze� powoduje równie�, �e

decydenci nie bardzo orientuj� si� w tym, czego mog� si� spodziewa po wdro�eniu takiego

systemu, st�d ich na ogół niech� do rozpoczynania takich prac i finansowania ich ze �rodków

10 Praca wykonana w ramach projektu rozwojowego MNiSzW nr R11 001 01.

Jan Studzi�ski

Projektowanie zintegrowanego systemu informatycznego zarz�dzania

miejsk� sieci� wodoci�gow�

186

własnych przedsi�biorstwa; po drugie, wdra�anie takiego systemu w przedsi�biorstwie na ogół

dezorganizuje jego prac� w znacznym obszarze, co nie jest dobrze przyjmowane przez załog�i kierownictwo; wdra�anie takiego systemu cz�sto poci�ga za sob� równie� konieczno�wprowadzenia zmian organizacyjnych w przedsi�biorstwie, co równie� napotyka na czysto

psychologiczne opory przed zmian� dotychczasowego status quo. Znacznie łatwiej, taniej

i bezpieczniej jest kupi pojedynczy, sprawdzony ju� gdzie indziej program i wdra�a go

w wybranym i wydzielonym dziale przedsi�biorstwa i post�powa tak sukcesywnie, dokupuj�c

kolejno nowe programy dla innych działów i nowych zada�. Taka polityka informatyzacji przedsi�biorstwa, podyktowana niewiedz� o mo�liwo�ciach

oferowanych przez zintegrowane systemy informatyczne, wysokimi kosztami ich opracowania,

niepewno�ci� powodzenia całego zło�onego przedsi�wzi�cia i du�ymi spodziewanymi

perturbacjami organizacyjnymi jest zrozumiała, niemniej niewła�ciwa, co najmniej z jednego

powodu: rosn�ca liczba ró�nych niezale�nych programów obsługuj�cych ró�ne działy

przedsi�biorstwa prowadzi do jego stopniowej dezintegracji i po przekroczeniu pewnej liczby tych

programów uniemo�liwia ich póniejsz� integracje; w rezultacie takie post�powanie prowadzi

w dalszej perspektywie do skomplikowania zarz�dzania przedsi�biorstwem a nie jego ułatwienia, co

zwykle jest przecie� głównym powodem jego informatyzacji.

Jednocze�nie ta niekorzystna sytuacja mo�e i powinna si� zacz� wkrótce zmienia, poniewa�po wst�pieniu Polski do UE przedsi�biorstwa wodoci�gowe uzyskały mo�liwo� pozyskiwania

du�ych �rodków finansowych na informatyzacj� z licznych europejskich programów pomocowych

(fundusze strukturalne, programy spójno�ci itp.) a tak�e uzyskały dost�p do do�wiadcze�, firm oraz

technik i technologii informatycznych zachodnioeuropejskich i �wiatowych, znacznie bardziej

rozwini�tych w tym zakresie, ni� opracowania krajowe.

W artykule przedstawiono kolejno: obecny stan informatyzacji krajowych przedsi�biorstw

wodoci�gowych w zakresie zada� technicznych, struktur� i funkcje systemu zarz�dzania sieci�wodoci�gow� wdra�anego w wodoci�gach rzeszowskich, proces tworzenia systemu i odniesienia

tego procesu do prezentowanej w literaturze metodologii rozwijania informatycznych systemów

wspomagania decyzji, wpływ wdra�anego systemu na infrastruktur� informatyczn� i organizacj�całego przedsi�biorstwa wodoci�gowego, wynikaj�ce z dotychczasowych do�wiadcze�eksploatacyjnych plany rozbudowy systemu rzeszowskiego o kolejne moduły i funkcje zwi�kszaj�ce

jego funkcjonalno� i efektywno�.

2. Stan informatyzacji przedsi�biorstw wodoci�gowych

Informatyzacja krajowych przedsi�biorstw wodoci�gowych zacz�ła si� na wi�ksz� skal�dopiero po transformacji ustrojowej w Polsce, tzn. po roku 1989, natomiast znacznie przyspieszyła

dopiero po wst�pieniu polski do UE, czyli od 3 lat. Umo�liwiły to znaczne �rodki finansowe, jakie

mo�na na ten cel pozyskiwa z Unii Europejskiej, oraz napływ do Polski w wyniku tych wydarze�nowoczesnych �wiatowych technik i technologii informatycznych. Jednak mimo tych korzystnych

obecnie uwarunkowa� sytuacja w wodoci�gach w tym zakresie nie jest dobra, poniewa� trudno

szybko nadrobi wieloletnie opónienia w obszarze badawczym i zmieni nabyte niewła�ciwe

przyzwyczajenia w sferze psychicznej. Opónienia badawcze, to przede wszystkim brak własnych

sprawdzonych rozwi�za� w zakresie narz�dziowych aplikacji bran�owych, takich jak systemy map

numerycznych, systemy monitoringu czy komputerowe modele hydrauliczne sieci wodoci�gowych.

W rezultacie wi�kszo� programów wdra�anych w przedsi�biorstwach wodoci�gowych pochodzi

POLSKIE STOWARZYSZENIE ZARZ�DZANIA WIEDZ�Seria: Studia i Materiały, nr 17, 2008

187

z zagranicy, co cz�sto oznacza, �e nie s� one dopasowane do polskich uwarunkowa�. Z kolei

niewła�ciwe przyzwyczajenia dotycz� braku �cisłej współpracy mi�dzy sfer� gospodarcz�a naukowo-badawcz� w Polsce oraz tak�e braku współpracy i wymiany do�wiadcze� mi�dzy

samymi przedsi�biorstwami. Brakuje tu nie tylko przyzwyczaje�, ale tak�e formalnych

mechanizmów, które tak� współprac� mogłyby ułatwi. Rezultat jest taki, �e ró�ne przedsi�biorstwa samodzielnie zakupuj� ró�ne aplikacje

narz�dziowe do zarz�dzania sieci� wodoci�gow� i ta ró�norodno� uniemo�liwia potem integracj�programów w ramach jednego przedsi�biorstwa i wymian� do�wiadcze� mi�dzy

przedsi�biorstwami. Stosunkowo najlepsza sytuacja jest w zakresie wdra�ania map numerycznych

i systemów monitoringu sieci wodoci�gowych, najgorsza dotyczy stosowania modeli

hydraulicznych oraz programów optymalizacji do projektowania i sterowania sieciami a tak�e

integrowania ró�nych programów do postaci informatycznych systemów wspomagania decyzji

(Karczmarska, 2008).

3. Opis informatycznego systemu zarz�dzania sieci� wodoci�gow�

W Instytucie Bada� Systemowych od kilku lat prowadzi si� współprac� z Miejskim

Przedsi�biorstwem Wodoci�gów i Kanalizacji w Rzeszowie, dotycz�c� komputeryzacji miejskiego

systemu wodno-�ciekowego. Jednym z elementów tego systemu jest sie wodoci�gowa.

Komputeryzacja sieci polega na opracowaniu i wdro�eniu systemu informatycznego zarz�dzania

obiektem, z uwzgl�dnieniem funkcji technicznych i administracyjnych realizowanych w ramach

zarz�dzania. Funkcje techniczne, to: monitoring przepływów i ci�nie� w wybranych punktach sieci,

obliczenia hydrauliczne wykonane dla wszystkich rur i w�złów sieci wodoci�gowej, wizualizacji

sieci w postaci mapy numerycznej, lokalizacja awarii, optymalizacja i projektowanie oraz

generowanie planów rewitalizacji sieci, sterowanie sieci� wodoci�gow�, wykonywanie

ró�norodnych analiz przestrzenno-tematycznych. Z kolei funkcje administracyjne, to: rejestracja

u�ytkowników sieci – klientów Przedsi�biorstwa, rejestracja opracowanych projektów technicznych

i �ledzenie ich realizacji, rejestracja odbiorów technicznych i stanów awaryjnych, ewidencja

i �ledzenie realizacji planowanych przegl�dów eksploatacyjnych. Schemat tego systemu jest

przedstawiony na rys. 1 (Karczmarska, 2007). Nie wszystkie pokazane tam moduły s� ju�zako�czone i równie� nie mo�na uzna, �e struktura tego systemu jest ju� zamkni�ta i �adne nowe

aplikacje nie zostan� do niego wł�czone, poniewa� system wykonywany w postaci autonomicznych

i jednocze�nie współpracuj�cych ze sob� modułów jest otwarty i znajduje si� ci�gle jeszcze w fazie

rozbudowy.

Zasada funkcjonowania systemu jest nast�puj�ca (Studzi�ski, 2008): Z Działu Geodezji Urz�du

Miasta pozyskuje si� w formie cyfrowej map� geodezyjn� sieci wodoci�gowej. Jest ona

wprowadzana do systemu G/Technology w Przedsi�biorstwie (produkt firmy Intergraph), b�d�cego

aplikacj� bran�ow� systemu GIS i generuj�cego map� numeryczn� sieci. Kluczowym elementem

systemu jest Bran�owa Baza Danych, zawieraj�ca wszystkie umieszczone na mapie geodezyjnej

informacje o sieci wodoci�gowej, uzupełnione w Przedsi�biorstwie o dodatkowe dane archiwalne

o sieci. W rezultacie system G/Technology jest w stanie generowa graf geodezyjny sieci

wodoci�gowej, b�d�cy cyfrowym odzwierciedleniem mapy geodezyjnej. Jednak ten graf ma szereg

wad uniemo�liwiaj�cych jego wykorzystanie w obliczeniach i analizach operacyjnych. Mi�dzy

innymi ma on szereg nieci�gło�ci wynikaj�cych z tego, �e takie nieci�gło�ci znajduj� si� na rysunku

sieci tworzonym przez geodet�. Dlatego pierwsz� czynno�ci� realizowan� przez system

Jan Studzi�ski



188

G/Technology jest transformacja grafu geodezyjnego do postaci tzw. grafu topologicznego

o poprawionej strukturze. Na podstawie tego grafu mo�na wykonywa ró�norodne analizy

przestrzenno-tematyczne dotycz�ce sieci, mi�dzy innymi takie jak: �ledzenie ci�gło�ci sieci

wodoci�gowej w wybranym jej obszarze (por. rys. 2), znajdowanie najkrótszej drogi w sieci mi�dzy

dwoma zadanymi punktami (por. rys. 3), lokalizacja zasuw odcinaj�cych fragment sieci, w którym

nast�piła awaria (por. rys. 4), wyznaczanie obszarów nie zabezpieczonych hydrantami na wypadek

po�aru (por. rys. 5) itp.

S Z T

S O K

A p l ik a c je s y s te m u F K

S T R

A p l ik a c ja W T

A p l ik a c ja O T

A p l ik a c ja A W / P E

A p l ik a c j a G W

G /T e c h n o lo g y ( e d y to r g r a f i c z n y )

P P D – P A S Z P O R T O W A

B A Z A D A N Y C H S I E C I

W O D O C � G O W E J

DA

NE

Z G

EO

DE

ZJI

(po

kon

wer

sji)

B R A N � O W A

B A Z A D A N Y C H B B D

W a ria n t s t a n u r z e c z y w is t e g o i w a r i a n ty

p r z e w id y w a n y c h s t a n ó w

a w a r y j n y c h O B L IC Z E N IA

H Y D R A U L IC Z N E

S IE C I

W O D O C IA G O W E J

O P T Y M A L IZ A C J A

MO

NIT

OR

ING

S T E R O W A N IE

s ie c i� w o d o c i� g o w �

A p l i k a c ja M E D IA

Rys. 1. Schemat informatycznego systemu zarz�dzania wdra�anego w MPWiK w Rzeszowie

Rys. 2. ledzenie ci�gło�ci topologicznej sieci wodoci�gowej ograniczone do zdefiniowanego

obszaru sieci, w systemie G/Technology


189

Rys. 3. ledzenie najkrótszej drogi w sieci wodoci�gowej mi�dzy dwoma punktami, w systemie

G/Technology

Rys. 4. ledzenie obszaru sieci wodoci�gowej z miejsca wyst�pienia awarii do najbli�szych zasuw

odcinaj�cych, w systemie G/Technology

Graf topologiczny sieci wodoci�gowej umo�liwia wprawdzie wykonywanie ró�norodnych

analiz sieci, nie umo�liwia jednak wykonywania oblicze� hydraulicznych, poniewa� nie zawiera

w�złów, które nie wyst�puj� równie� na mapie geodezyjnej. Dlatego kolejn� czynno�ci�realizowan� przez system G/Technology jest transformacja grafu topologicznego do postaci tzw.

grafu hydraulicznego, w którym na wszystkich przeci�ciach i ko�cówkach rur wodoci�gowych

wprowadza si� w�zły: monta�owe (punkty przeci�cia rur wewn�trz sieci), zasilaj�ce (ródła wody),

odbiorcze (u�ytkownicy sieci) i pomiarowe (punkty pomiarowe systemu monitoringu).

Ka�dy obiekt grafu sieci na mapie numerycznej ma swój opis w Bran�owej Bazie Danych,

stanowi�cej integraln� cz�� systemu G/Technology. Opisy w�złów pomiarowych s� aktualizowane

na bie��co danymi przekazywanymi z punktów pomiarowych systemu monitoringu zainstalowanego

��

�

�

3

1

1

4f.

f.

h

gg

h

g

g

g

g

g

g

g

h

h

h

gg

g g

g

g

g gg

gg g

gg

gg

ggg

gg

gg

gg

gg

gg

gg

gg

gg

g

g

5k

5k

g

g

�

�

�

Jan Studzi�ski



190

na sieci wodoci�gowej. Obecny system monitoringu sieci wodoci�gowej w Rzeszowie składa si�z 30 punktów pomiarowych, przekazuj�cych do systemu G/Technology informacje o mierzonych

ci�nieniach i przepływach (�yła, 2008). Transmisja danych z punktów pomiarowych do serwera

systemu monitoringu odbywa si� dla 15 punktów za pomoc� telefonii komórkowej (system GPRS)

oraz dla pozostałych punktów drog� radiow�. W systemie monitoringu wizualizacj�, archiwizacj�i przetwarzanie danych pomiarowych wykonuje program ProconWin firmy Infoprod (rys. 6).

Rys. 5. Lokalizacja hydrantów zapewniaj�cych ochron� przeciwpo�arow� w wybranym osiedlu,

w systemie G/Technology

Rys. 6. Układ w�złów pomiarowych systemu monitoringu sieci wodoci�gowej Rzeszowa

System monitoringu słu�y do bie��cej obserwacji stanu pracy sieci wodoci�gowej i równie� do

kalibracji jej modelu hydraulicznego. Do uruchomienia modelu hydraulicznego system


191

G/Technology generuje odpowiednie pliki danych wej�ciowych z danymi pobranymi z Bran�owej

Bazy Danych. Dla sieci wodoci�gowej w Rzeszowie uruchomiono trzy modele hydrauliczne:

EPANET, dost�pny w Internecie, OHIO (ObliczeniaHydrauliczneIOptymalizacja), opracowany

w IBS PAN (Pawlak, 2008), oraz MOSUW (Modelowanie Optymalizacja Sterowanie Układów

Wodci�gowych), b�d�cy adaptacj� modelu opracowanego i funkcjonuj�cego w Niemczech

(Straubel, Studzinski, 2000). Modele te ró�ni� si� algorytmami obliczania układów równa�algebraicznych opisuj�cych sie wodoci�gow� oraz zakresem wykonywanych funkcji: EPANET

wykonuje obliczenia hydrauliczne sieci, OHIO dodatkowo dokonuje optymalizacji sieci za pomoc�pewnego algorytmu optymalizacji jednokryterialnej, za pomoc� modelu MOSUW mo�na wykonaobliczenia optymalizacji i sterowania sieci� wodoci�gow� za pomoc� metody optymalizacji

wielokryterialnej. W modelu OHIO mo�na uruchomi funkcje sygnalizacji stanu ci�nie�i przepływów w sieci oznaczaj�c ró�nymi kolorami w�zły o ró�nych ci�nieniach (por. rys. 7)

i ró�nokolorowymi strzałkami rury o ró�nych przepływach (por. rys. 8).

Rys. 7. Ekran programu OHIO z sygnalizacj� stanu ci�nie� w w�złach sieci

Jan Studzi�ski



192

Rys. 8. Ekran programu OHIO z sygnalizacj� stanu przepływów w odcinkach sieci

Programy wchodz�ce w skład systemu informatycznego (rys. 1) mo�na odpowiednio

pogrupowa, tworz�c trzy funkcjonalne systemy działaj�ce w ramach systemu informatycznego:

� System Zarz�dzania Technicznego (SZT) – uwzgl�dnia w swojej strukturze moduły funkcyjne:

AW (obsługa AWarii), PE (obsługa planowanych Przegl�dówEksploatacyjnych), system moni-

toringu, programy oblicze� hydraulicznych (EPANET, OHIO lub MOSUW) i sprz�gni�te

z nimi algorytmy optymalizacji i sterowania, oraz zapewnia sprawn� eksploatacj� sieci istniej�-cej oraz optymalne planowanie rozbudowy i modernizacji sieci.

� System Obsługi Klienta (SOK) – uwzgl�dnia moduły funkcyjne: WT (wydawanie Warun-

kówTechnicznych), OT (przyjmowanie OdbiorówTechnicznych), MEDIA / GW (obsługa

GospodarkiWodnociekowej) i system G/Technology do realizacji analiz ilo�ciowych i jako-

�ciowych, oraz zapewnia – poprzez szybki dost�p do informacji o kliencie i obiektach sieci –

sprawn� obsług� klienta od etapu zło�enia warunków technicznych dotycz�cych jego przył�-czenia do sieci wodoci�gowej, poprzez etapy projektu, uzgodnie�, budowy, odbioru technicz-

nego, a� do etapu zawarcia umowy, a w dalszym ci�gu zapewnia systematyczne prowadzenie

odczytów wodomierza, wystawianie faktur i kontrol� płatno�ci.

� System Eliminowania Strat (STR) – rozumiany jako narz�dzie dost�pu do ró�nych informacji

o systemie produkcji, dystrybucji i sprzeda�y wody z mo�liwo�ci� wykonywania przestrzen-

nych analiz porównawczych danych z Systemu Obsługi Klienta (SOK) oraz danych gromadzo-

nych przez System Zarz�dzania Technicznego (SZT), pozwala stworzy i uruchomi procedury

zmierzaj�ce do eliminowania strat wody.


193

5. Zmiany organizacyjne w przedsi�biorstwie

Wprowadzanie zło�onego systemu informatycznego w Przedsi�biorstwie poci�ga za sob� koniecz-

no� wprowadzenia w nim pewnych zmian organizacyjnych (Karczmarska, Studzi�ski. 2008). Sys-

tem działa w sieci komputerowej Przedsi�biorstwa, która w miar� instalacji kolejnych programów

musiała ulec rozszerzeniu (por. rys. 9). W chwili obecnej w sieci pracuje 8 serwerów z bazami da-

nych ró�nych programów składaj�cych si� na tworzony system informatyczny (Posiak, 2008).

Rys. 9. Sie� komputerowa sieci wodoci�gowej w Rzeszowie

Jednocze�nie system wymusza tworzenie nowych stanowisk pracy w ró�nych działach

Przedsi�biorstwa do obsługi ró�nych modułów systemu: mapy numerycznej do wizualizacji sieci

i wykonywania analiz, monitoringu do obserwacji aktualnego stanu sieci, modeli hydraulicznych

i programów optymalizacji do sterowania sieci� oraz planowania i wykonywania prac projektowych.

W ten sposób pełni on rol� integruj�c� w Przedsi�biorstwie, poniewa� pracownicy ró�nych działów

pracuj�cy w ramach jednego systemu s� zmuszeni ze sob� współpracowa.

6. Problemy z realizacj� systemu informatycznego

Przedstawiony system informatyczny do zarz�dzania sieci� wodoci�gow� jest wdra�any

w wodoci�gach rzeszowskich. Proces jego tworzenia i implementacji ró�ni si�, niestety, od

modelowych procedur post�powania, zalecanych w literaturze do projektowania systemów

informatycznych wspomagania decyzji (Rojek, 2007). Problemy wyst�puj�ce podczas takiej pracy

s� zasadniczo trzech rodzajów: organizacyjne, merytoryczne i finansowe.

Problemy organizacyjne s� zwi�zane z kompletowaniem zespołów wykonawczych, tak po

stronie realizatora, którym w omawianym przypadku jest placówka naukowa – IBS PAN, jak i po

Jan Studzi�ski



194

stronie beneficjenta, czyli MPWiK w Rzeszowie, oraz z zapewnieniem dobrej współpracy obu

zespołów. Nie jest to takie proste, poniewa� zespól badawczy jest interdyscyplinarny, zło�ony ze

specjalistów ró�nych dziedzin: matematyków, automatyków, programistów, informatyków

i technologów, którzy operuj� na ogół ró�nymi specjalistycznymi j�zykami, natomiast zespół

bran�owy jest zło�ony z in�ynierów praktyków, maj�cych cz�sto niech�tny, bo pragmatyczny

stosunek do teoretycznych wypowiedzi akademickich. Stworzenie takich zespołów a nast�pnie

zapewnienie przez dłu�szy okres czasu poprawnej kooperacji mi�dzy nimi jest trudno�ci�, która

cz�sto uniemo�liwia realizacj� projektu.

Problemy merytoryczne polegaj� na pojawianiu si� w trakcie realizacji prac badawczych

nowych zagadnie�, których wcze�niej nie przewidziano a które musz� by rozwi�zane, aby prace

zako�czyły si� sukcesem. W przypadku omawianego systemu informatycznego sytuacje takie

wyst�powały praktycznie na ka�dym etapie bada�, rozszerzaj�c ka�dorazowo zakres prac

i zwi�kszaj�c tak�e ponoszone koszty. Tworzony system informatyczny składa si� z trzech

podstawowych modułów: systemu mapy numerycznej z Bran�ow� Baz� Danych, systemu

monitoringu oraz modeli hydraulicznych z algorytmami optymalizacji.

Pierwsze problemy pojawiły si� ju� przy opracowywaniu mapy numerycznej, gdy okazało si�, �e dane dostarczane z Działu Geodezji Urz�du Miasta, na których podstawie tworzy si� graf

geodezyjny sieci wodoci�gowej, s� niepełne i nie pozwalaj� na wykonywanie oblicze�hydraulicznych. Aby z grafu geodezyjnego utworzy graf hydrauliczny, umo�liwiaj�cy takie

obliczenia, nale�ało opracowa procedury zapewniaj�ce ci�gło� grafu i generuj�ce w�zły sieci.

Kolejny problem zwi�zany ze sprz�gni�ciem mapy numerycznej z modelem hydraulicznym powstał,

gdy stwierdzono, �e dane geodezyjne dotycz�ce sieci nie umo�liwiaj� na okre�lenie współrz�dnej

wysoko�ciowej wygenerowanych punktów w�złowych. Nale�ało opracowa kolejn� procedur� do

aproksymacji wysoko�ci w�złów sieci na podstawie współrz�dnych wysoko�ciowych miejskich

punktów geodezyjnych, którymi dysponował Urz�d Miejski. Zastosowano przy tym, dla celów

porównawczych, dwa algorytmy: aproksymacji krigingowej oraz aproksymacji geometrycznej,

pokrywaj�c trójk�tami przestrze� wyznaczon� punktami geodezyjnymi.

Problemy zwi�zane z systemem monitoringu dotyczyły przede wszystkim liczby i lokalizacji

punktów pomiarowych na sieci wodoci�gowej oraz wyboru sposobu transmisji danych z punktów

pomiarowych do programu wizualizacji i archiwizacji. Liczba punktów pomiarowych, ze wzgl�du

na koszty ich montowania, powinna by mo�liwie mała i jednocze�nie ilo� przekazywanych przez

nie informacji o sieci powinna by mo�liwie du�a. Z kolei transmisja danych mo�e odbywa drog�radiow�, telefonii komórkowej lub kablow� i zasadniczo nie ma wiarygodnych analiz

porównawczych, które by wykazywały jednoznacznie wy�szo� którego� z tych systemów. Dlatego

w Rzeszowie budow� systemu monitoringu na sieci wodoci�gowej rozpocz�to pocz�tkowo od

jednej pilotowej dzielnicy i kilku punktów pomiarowych i stopniowo rozbudowuj�c system

osi�gni�to obecnie poziom 30 punktów pomiarowych rozmieszczonych na całej sieci, przy czym

przede wszystkim zlokalizowane s� one w przepompowniach strefowych, w punktach ródłowych

i na ko�cówkach sieci. Odno�nie systemów transmisji danych, działaj� obecnie w Rzeszowie,

równie� dla celów porównawczych, równolegle trzy systemy: telemetryczny (kablowy), komórkowy

(GPRS) i radiomodemowy.

Problemy zwi�zane z modelami hydraulicznymi dotyczyły zasadniczo czterech zagadnie�: wyboru wła�ciwej kombinacji pier�cieni sieci wodoci�gowej do konstruowania układu równa�algebraicznych opisuj�cych sie, wyboru metody rozwi�zywania tego układu równa�, stopnia


195

szczegółowo�ci generowanych przez map� numeryczn� grafów hydraulicznych oraz wyboru metody

optymalizacji do kalibracji, projektowania i sterowania sieci� wodoci�gow�. W przypadku

pier�cieniowej sieci wodoci�gowej liczba mo�liwych kombinacji pier�cieni ro�nie silnie nieliniowo

wraz z liczb� tych pier�cieni a poniewa� algorytmy obliczeniowe s� przybli�one, wi�c ostatecznie

sformułowana posta układu równa ma istotne znaczenie na wyniki oblicze�. W tworzonym

w IBS PAN modelu OHIO przyj�to przy wyborze kombinacji pier�cieni zasad�, aby ł�czna długo�rur w wybranej kombinacji pier�cieni była minimalna.

Odno�nie mo�liwych do zastosowania metod rozwi�zywania układów nieliniowych równa�algebraicznych s� dwie mo�liwo�ci: stosowanie algorytmów specjalizowanych, uwzgl�dniaj�cych

wyst�powanie równa� liniowych i nieliniowych w układzie równa� modelu i rozwi�zuj�cych je

w sposób rekurencyjny, oraz stosowanie algorytmów traktuj�cych układ równa� modelu jako jedn�cało� i rozwi�zuj�cych go iteracyjnie. W omawianym przypadku, dla celów porównawczych,

zastosowano oba podej�cia: w modelu OHIO do rozwi�zywania równa� modelu stosuje si�specjalizowany algorytm rekurencyjny Crossa, natomiast w modelu MOSUW stosuje si� klasyczny

algorytm iteracyjny Newtona-Raphsona.

Kwestia konieczno�ci ró�nicowania szczegółowo�ci grafów hydraulicznych generowanych

przez system mapy numerycznej do modelu hydraulicznego wynikn�ła w momencie, gdy

generowane grafy obejmowały coraz wi�kszy obszar sieci i stawały si� coraz bardziej szczegółowe.

Gdy grafy sieci były ograniczone na przykład do jednej dzielnicy miasta, mogły wtedy bez szkody

dla oblicze� zawiera cał� struktur� wodoci�gow�, tzn. wszystkie wyst�puj�ce w niej rury nawet

o najmniejszych �rednicach i wszystkie przył�cza, stanowi�ce wówczas w�złowe punkty rozbioru.

Natomiast w miar� rozszerzania si� obszaru sieci obj�tej obliczeniami i zwi�zanego z tym wzrostu

liczby równa� modelu, czas oblicze� coraz bardziej si� wydłu�ał a� do przypadków zawieszania si�programu. W rezultacie wprowadzono do oblicze� hydraulicznych dwie modyfikacje: Pierwsza

polega na mo�liwo�ci zast�powania rozbiorów w�złowych rozbiorami odcinkowymi, przy czym

rozbiór odcinkowy oznacza zsumowane rozbiory w�złowe, traktowane w obliczeniach jako ł�czne

obci��enie rury, której s� przyporz�dkowane. Takie post�powanie znacznie zmniejsza liczb�równa� modelu, poniewa� eliminuje liczne w�zły odbiorcze i ł�cz�ce je odcinki sieci, zast�puj�c je

jednym przewodem i jednym rozbiorem odcinkowym. Druga modyfikacja polega na mo�liwo�ci

generowania przez map� numeryczn� trzech rodzajów grafów hydraulicznych: maksymalnego,

minimalnego i mieszanego. Graf maksymalny obejmuje wszystkie rury i przył�cza sieci traktowane

jako w�zły odbiorcze i mo�e by u�ywany albo do wizualizacji sieci wodoci�gowej albo do

oblicze� hydraulicznych w przypadku małych fragmentów sieci. Graf minimalny obejmuje

wszystkie rury o �rednicach wi�kszych od zadanej, a wi�c w praktyce przewody magistralne,

i operuje głownie rozbiorami odcinkowymi, i mo�e by u�yty do oblicze� hydraulicznych całej sieci

wodoci�gowej, chocia� te obliczenia maj� wówczas charakter bardzo ogólny i pogl�dowy. Graf

mieszany obejmuje wszystkie rury i przył�cza sieci traktowane jako w�zły odbiorcze w przypadku

wybranego ograniczonego fragmentu sieci oraz przewody magistralne i rozbiory odcinkowe dla

pozostałej cz��ci sieci i mo�e by u�ywany do projektowania i optymalizacji sieci wodoci�gowej

w tym fragmencie.

Metody optymalizacji stosowane w zarz�dzaniu sieciami wodoci�gowymi mog� by dwóch

rodzajów: jednokryterialne i wielokryterialne. Optymalizacja jednokryterialna polega na

sformułowaniu kryterium w postaci pojedynczej funkcji celu, najcz��ciej o charakterze

technicznym, wzgl�dnie na sformułowaniu kryterium optymalizacji b�d�cego sum� kilku funkcji

Jan Studzi�ski



196

celu z przyporz�dkowanymi im wagami, a nast�pnie na rozwi�zaniu zadania minimalizacji lub

maksymalizacji kryterium jedn� z metod programowania matematycznego, stosuj�c gradientowe lub

bezgradientowe metody optymalizacji statycznej. Takie post�powanie jest stosunkowo proste,

w jego wyniku otrzymuje si� jednoznaczne rozwi�zanie, jednak stosowanie pojedynczej funkcji celu

czy nawet sumy kilku funkcji z wagami bardzo ogranicza zakres bada�. Z kolei optymalizacja

wielokryterialna polega na minimalizacji lub maksymalizacji kilku niezale�nych funkcji celu. Takie

post�powanie jest trudne od strony obliczeniowej i zwykle bardzo czasochłonne, daj�c w rezultacie

nie jedno rozwi�zanie a zbiór rozwi�za� quasi-optymalnych, z których nale�y dopiero wybrarozwi�zanie najbardziej korzystne. Ogromn� jego zalet� jest natomiast mo�liwo� badania sieci

wodoci�gowej z uwzgl�dnieniem bardzo ró�nych warunków pracy, co upodabnia proces oblicze�do rzeczywistych warunków eksploatacji. Bior�c pod uwag� wady i zalety obu rodzajów

optymalizacji, zainstalowano w programie OHIO algorytm optymalizacji jednokryterialnej

a w programie MOSUW, dla porównania, algorytm optymalizacji wielokryterialnej.

Problemy finansowe wyst�puj�ce przy realizacji omawianych prac dotycz� zwykle trudno�ci

z zaplanowaniem przewidywanych kosztów. Prace tego rodzaju maj� charakter innowacyjny a nie

rutynowy i w znacznym stopniu aplikacyjny a nie jedynie teoretyczny, i – jak wykazano wy�ej – nie

mo�na na ich pocz�tku przewidzie wszystkich problemów, które pojawia si� ju� w trakcie

realizacji i które musz� by rozwi�zane, aby wymagane wdro�enie zako�czyło si� powodzeniem.

St�d konieczno� du�ej elastyczno�ci tak w planowaniu, jak i w realizacji wydatków, co jest trudne

do urzeczywistnienia w obecnym krajowym systemie przyznawania �rodków na projekty badawcze,

szczególnie w sytuacji, gdy te �rodki s� bardzo ograniczone. Wydaje si� jednak, �e ta niekorzystna

sytuacja zaczyna powoli si� zmienia w zwi�zku z coraz szerszym dost�pem do �rodków

finansowych Unii Europejskiej, które s� znacznie wi�ksze.

7. Uwagi ko�cowe

Przedstawiono opis i struktur� systemu informatycznego zaprojektowanego do kompleksowego

zarz�dzania miejsk� sieci� wodoci�gow�, problemy, jakie powstaj� przy tego typu pracach

o charakterze badawczo-rozwojowym, a tak�e zmiany organizacyjne, jakie wdra�anie takiego

systemu wymusza w badanym Przedsi�biorstwie. Przedstawiony system nie jest jeszcze zako�czony

i jego rozbudowa ci�gle trwa, w znacznym stopniu prowadzona ju� samodzielnie przez

Przedsi�biorstwo, w szczególno�ci w zakresie rozbudowy systemu monitoringu oraz aktualizacji

mapy numerycznej sieci wodoci�gowej.

Nale�y przyzna, �e tworzenie takiego zintegrowanego systemu informatycznego jest zadaniem

zło�onym i kosztownym, jednak wydaje si�, �e taka jest wła�nie przyszło� informatyzacji

przedsi�biorstw wodoci�gowych a kolejne wdro�enia, po zdobyciu obecnych do�wiadcze�, b�d� ju�znacznie łatwiejsze, szybsze i tak�e ta�sze.


197

Bibliografia

1. Karczmarska D. (2007) Uruchomienie komputerowego systemu wspomagania decyzji pro-

jektanta i operatora sieci wodoci�gowej. Raport Badawczy IBS PAN i MPWiK Rzeszów,

Warszawa-Rzeszów 2007.

2. Karczmarska D. (2008) Stan komputeryzacji wybranych wodoci�gów krajowych w zakre-

sie systemów monitoringu, mapy numerycznej i oblicze� hydraulicznych. Raport Badaw-

czy IBS PAN i MPWiK Rzeszów, Warszawa-Rzeszów 2008.

3. Karczmarska D., Studzi�ski J. (2008) Restrukturyzacja przedsi�biorstwa wodoci�gowego

wymuszana wdra�aniem zintegrowanego systemu informatycznego zarz�dzania. Raport

Badawczy IBS PAN i MPWiK Rzeszów, Warszawa-Rzeszów 2008.

4. Pawlak A. (2008) OHIO – aplikacja do modelowania i optymalizacji układu dystrybucji

wody. Raport Badawczy IBS PAN, Warszawa 2008.

5. Posiak K. (2008) Wdra�anie, eksploatacja i rozwój sieci komputerowej w Miejskim Przed-

si�biorstwie Wodoci�gów i Kanalizacji w Rzeszowie. Raport Badawczy IBS PAN

I MPWiK Rzeszów, Warszawa-Rzeszów 2008.

6. Rojek I. (2008) Projektowanie systemu informatycznego zarz�dzania miejsk� sieci� wodo-

ci�gow�. PAN IBS, Seria Badania Systemowe / In�ynieria rodowiska, Warszawa 2008.

7. Straubel R., Studzinski J. (2000) Computer aided planning and operating of the water net-

works in Königs Wüsterhausen and Rzeszow. Proceedings of the 4th International Confer-

ence in Water Supply and Quality (M.M. Sozanski, Ed.), Krakow 2000.

8. Studzinski J. (2008) Wspomaganie zarz�dzania miejskim przedsi�biorstwem wodoci�go-

wym za pomoc� informacji z systemów monitoringu i mapy numerycznej. Studia i Materi-

ały PSZW, Bydgoszcz, vol. 14, 2008, 100-115.

9. �yła A. (2008) System monitorowania sieci i obiektów wodoci�gowych w MPWiK Rze-

szów. Raport Badawczy IBS PAN i MPWiK Rzeszów, Warszawa-Rzeszów 2008.

Jan Studzi�ski



198

DEVELOPMENT OF AN INFORMATION SYSTEM FOR THE MANAGEMENT

OF COMMUNAL WATER NETWORKS

Summary

In the paper the process of developing an information system for the management

of a communal water network on the exemplary case of the waterworks in the Polish

city Rzeszow is described. The structure and the functions of the system are shown,

the problems arising while introducing the system in the waterworks are discussed

and the conclusions coming from the present operation experiences are presented.

The system has been developed in the Systems Research Institute of Polish Academy

of Sciences with the financial support of the Polish Ministry of Sciences and Higher

education.

Key words: Computer aided decisions making systems, communal systems of water supply and

distribution, monitoring systems, GIS systems, numerical maps, hydraulic models of

water networks

Jan Studzi�ski

Instytut Bada� Systemowych PAN Warszawa

e-mail: [email protected]

PROJEKTOWANIE ZINTEGROWANEGO SYSTEMU ......Jan Studzi ski Projektowanie zintegrowanego systemu...

Documents

Transcript of PROJEKTOWANIE ZINTEGROWANEGO SYSTEMU ......Jan Studzi ski Projektowanie zintegrowanego systemu...