Усовершенствование районных систем водоснабжения с учетом их проектирования и реконструкции

Рассмотренные технологические и экономические критерии функционирования и проектирования инженерных сетей позволяют оценить разные варианты сети или режимы ее функционирования и выбирать более приемлемый из них.

3.2 Особенности анализа и синтеза поток распределения в инженерных сетях в интерактивном режиме

Диалоговая система анализа и синтеза поток распределения в инженерных сетях предоставляет проектировщику удобные средства для планирования процесса проектирования, гибкого управления этим процессом, его корректировки, возобновления и т.п. При диалоге проектировщика и ЭВМ наблюдается определенная равноценность деятельности партнеров и рациональное распределение функций между человеком и машиной на основе взаимного дополнения и использования функциональных возможностей [], которыми обладает каждый из партнеров, а также синтеза творческих процессов человека и реализации машинных программ.

Последовательность человеко-машинных процедур анализа и синтеза поток распределения в инженерных сетях осуществляется в четыре этапа;

синтез начального варианта сети;

генерирование различных вариантов сети в зависимости от решаемой задачи и связанного с ней многообразия факторов (контролируемых параметров, критериев, количественных оценок надежности сети и т.д.), которые необходимо осмыслить пользователю в процессе принятия решений, и выбор вариантов для дальнейшей проработки;

имитация различных ситуаций для выбора окончательного., варианта из числа приемлемых вариантов;

выбор окончательного варианта с вычислением технико-экономических показателей.

На первом этапе производится формирование и синтез начального варианта сети. При этом осуществляется подготовка исходных данных о структуре и параметрах сети в виде набора данных на устройство прямого доступа. В дальнейшем будем называть его локальной базой данных или просто базой данных (БД).

Вводя в схему сети фиктивный узел и соединив все узлы (входы и выходы) с фиктивным узлом, образуется граф, состоящий из узлов и участков пяти типов: пассивные участки, участки с задвижками, участки с активными элементами, фиктивные участки, являющиеся входами; фиктивные участки, являющиеся потребителями. Информация о структуре сети полностью описывается в виде списка узловых пар, этот список разбит на некоторые области по типам участков, каждому поставлены в соответствие некоторые атрибуты: длина, диаметр, геодезический перепад и т.д. Такое представление позволяет упростить структуру БД, а также относительно просто реализовать функции корректировки структуры сети. Этап заканчивается проведением синтеза сети с использованием имеющихся методов и алгоритмов, и получением первоначальных результатов.

В основе генерирования множества вариантов лежит решение задачи анализа или задачи гидравлического расчета, которое проходит в следующей последовательности:

1) формирование исходной информации для текущей задачи, заключающееся в выборке из базы требуемых данных с последующим преобразованием. Данные преобразуются с целью экономии памяти и повышения эффективности. При этом производится пере нумерация узлов, формирование различных видов связанных списков [] и сортировка номеров участков по определенным признакам;

2) формирование структуры системы нелинейных и вспомогательных уравнений задачи. Структуры решаемых уравнений описываются множеством фундаментальных циклов и типом текущей задачи []. Для этого сначала выбирается дерево графа, а потом строится массив фундаментальных циклов. В состав дерева включаются все фиктивные участки с заданными давлениями и часть реальных участков. Это позволяет использовать дерево не только для построения фундаментальных циклов, но и для выбора неплохих начальных приближений по расходам. Причем с целью экономии памяти в БД хранится не сам массив, а некоторые вспомогательные массивы небольшой размерности (массив хорд, массив точек сочленения и массив предшественников [] позволяющие при необходимости генерировать фундаментальные циклы;

3) решение системы нелинейных уравнений, то есть выполнение увязочного расчета с использованием (в зависимости от сложности сети и имеющихся вычислительных средств) одного из методов Ньютона, покоординатного спуска, группового спуска. Результатом решения системы нелинейных уравнений являются значения во всех участках (i, j) и значения в виде для сетей водоснабжения и для газораспределительных сетей низкого давления, или для сетей газоснабжения среднего и высокого давления;

4) поиск диктующей точки (при гидравлическом расчете) и вычисление значений некоторых переменных и параметров таких, как давление в узлах, скорость текущей воды по участкам, избыточный свободный напор и т.д.

Далее вычисляются значения критериев функционирования сети и контролируемых параметров, описанных в 3.1. Машинным способом производится анализ параметров в соответствии с. нормативными данными и формируется список параметров, выходящих за пределы допустимых норм. На основе этих данных и значений критериев оценивается вариант сети и выбирается наиболее приемлемый. Если вариант является приемлемым, то он сохраняется для дальнейшей проработки. Количество сохраняемых приемлемых вариантов должно быть достаточным для того, чтобы из его множества можно было выделить рациональные варианты, обеспечивающие выполнение основного функционального назначения сети при различных экстремальных ситуациях.

В случае неприемлемости варианта пользователь генерируетновый вариант путем корректировки структуры и параметров сети. При этом могут возникнуть некоторые обстоятельства. Например, увеличение диаметров приводит к уменьшению суммарного напора источников, максимального и суммарного избыточного напора в узлах, а также суммарной мощности насосов; для того чтобы уменьшить стоимостные характеристики, можно перераспределить расход и давление на источниках, уменьшить диаметры, заменить трубы на участках, например, на трубы из другого материала, и удалить участки, слабо влияющие на надежность сети; уменьшение непроизводительных расходов достигается уменьшением избыточных напоров на потребителях; изменение структуры сети может повлиять на значение всех критериев; надежность сети может быть повышена за счет образования дополнительных контуров, резервирования отдельных участков и т.д.

При генерировании варианта на ЭВМ возлагаются такие процедуры, как варьирование параметров в требуемом диапазоне, проверка допустимости ограничений и условий и т.д. Пользователь же, используя диалог, построенный на директивном языке, определяет новую структуру сети (удаляет, заменяет, добавляет, дублирует участки), переопределяет местоположение источников и аккумулирующих емкостей, а также значения пахт метров сети (изменяет диаметры труб, длины участков, давление и расхода на источниках и потребителях, состояние кранов и т.д.) [].

Кроме того, пользователь может выбрать по своему усмотрению подходящий численный метод решения системы нелинейных, уравнений. Для ее решения реализованы несколько методов, каждый из которых обладает своими достоинствами и недостатками [].

Например, метод покоординатного спуска требует для своей реализации минимальный, по сравнению с другими, объем памяти, но сходимость его хуже, чем метод Ньютона. В некоторых случаях сходимость метода Ньютона можно улучшить, предварительно выполнив несколько итераций по методу покоординатного спуска. Метод группового спуска, как по достоинствам, так и по недостаткам является «компромиссным вариантом» этих двух методов. Эффективность метода группового спуска существенно зависит от разбиения сети на фрагменты - задача, с которой пользователь может нередко справиться лучше, чем ЭВМ. Кроме этого можно влиять на улучшение решения системы уравнений выбором дерева, построением новых фундаментальных циклов, декомпозицией системы уравнений, изменением начальных приближений, заданием граничных условий и т.п.

Для выбора окончательного варианта сети производится проверка различных вариантов с имитацией возможных ситуаций. Ситуациями могут быть пожарный или аварийный режимы, резкое увеличение или снижение потребления, плановые ремонтно-профилактические работы, которые влекут за собой изменение структуры сети и т.д.

Выбор окончательного варианта производится на основе экономических критериев, как например, приведенных затрат.

Важным средством реализации человеко-машинных процедур анализа и синтеза поток распределения в инженерной сети является диалог между человеком и ЭВМ.

Диалог, построенный на языке пользователя, позволяет с необходимой степенью формализации описать решаемую задачу, определить характер входных данных и требуемую структуру выходных результатов, автоматизировать процесс построения обрабатывающей программы, т.е. сборки рабочей программы из модулей системы[]. Сам автоматизированный расчет (выполнение обрабатывающей программы) может осуществляться в одном из двух режимов: пакетном, когда исходная информация загружается полностью с внешнего устройства в память ЭВМ и решается без вешатель-

пользователь имеет возможность осуществлять много вариант

Ное проектирование на основе различных подходов, т.е. процесс

получения проектных решений проходит путем многократных литера

цели и оценок промежуточных решений;

математическое обеспечение системы включает большой на

бор формальных методов решения задач при проектировании и управ

линии инженерными сетями, программ по оформлению табличных и

графических результатов;

система является достаточно гибкой и неограниченно рас

ширяемой, т.е. обеспечивает возможность оперативно вносить измен

нения в алгоритмы решения задач и по мере своего развития включить в себя новые алгоритмы;

принципы и концепции, лежащие в основе построения системы, были призваны обеспечить разработку машинно-независимой

системы.

3.3 Повышение эффективности решения задач анализа и синтеза поток распределения в инженерных сетях в интерактивном режиме

В основу человеко-машинных процедур антитеза и синтеза поток распределения в инженерных сетях положено многократное использование задач антитеза, заключающееся в многократном повторении решения систем линейных и нелинейных уравнений при варьировании параметрами и структурой сети. В зависимости от того, какой метод выбран дитя решения систем уравнений, а также в какой операционной среде функционирует диалоговая система, может возникнуть ряд проблем: большая продолжительность вычислений, неустойчивость вычислительного процесса, малая точность получаемых результатов, дефицит объема оперативной или внешней памяти ЭВМ. Поэтому, при создании диалоговой системы анализа и синтеза потокраспределения в инженерных сетях усилия были направлены не только на разработку математического обеспечения, но и на развитие методов и алгоритмов решения задач, удовлетворяющих требованиям высокой экономичности, надежности и точности. Развитие этих методов производится на основе подходов, группируемых в несколько направлений, суть которых заключается в следующем []:

- декомпозиция сети с точки зрения инженерной постановки задачи, т.е. сеть разбивается на части в определенных (слабо-начале формирования следующего. Для фиксации завершения формирования последнего списка инцидентных дуг в элемент массива M₂с номером, равным номеру столбца первого (слева) ненулевого элемента последней строки матрицы , заносится специальный признак (например, нулевое значение).

Рассмотренная интерпретация позиционно-списочного представления показала, что в массиве M₂ фактически находится ячеек, которые в принципе можно использовать в процессе решения текущей задачи. Если каждому узу графа инженерной сети инцидентно три дуги, т.е. каждый список дуг, состоит из трех элементов, то это составляет 25% () памяти, занимаемой массивами M₁иM₂.

3.4 Использование интерактивной машинной графики при решении задач проектирования и реконструкции инженерных сетей

Графическое выполнение рабочих чертежей и других проектов, расчетов и обоснований составляет значительную часть трудозатрат, при проектировании и принятии решений. Повышение производительности проектировщиков и лиц, принимающих решения, могут быть достигнуты путем автоматизации и графических работ.

Эффективность автоматизации графических работ при проектировании и реконструкции инженерных сетей определяется следующими условиями: представление информации для анализа в удобной для проектировщика графической форме; использование в языке общения системы и проектировщика удобных для него понятий, оборотов и стандартных элементов; Комплекс содержит программы, позволяющие строить основные графические элементы: прямую, символы, маркеры, многоугольники, дуги эллипсов и окружностей; строить кривые и от координат в декартовой и полярных системах; выполнять аффинные преобразования рисунка или его элементов (сжатие, растяжение, поворот, симметричное отражение), а также экранирование и формирование следа пера; штриховать различные области, ограниченные замкнутой кривой; выполнять различные геометрические построения и вычисления; строить карты изолиний и линии пересечений поверхностей. Как видно из перечня выполнимых функций данный комплекс будет очень полезным, когда будет решаться вопрос проектирования инженерных сетей различного назначения и когда потребуется совместное рассмотрение их с точки зрения детальной планировки, трассировки с увязкой возможности строительства.

Таким образом, эффективность решения задач проектирования и реконструкции инженерных сетей на малых ЭВМ может быть повышена путем ввода в комплекс программ элемента графического диалога. Это позволяет проектировщику при решении задач, связанных с выбором топологии сети оперативно воздействовать с системой для получения рациональных решений, а также непосредственно выдавать графические материалы для формирования проектно-сметной документации.

3.5 Примеры реализации человеко-машинных методов анализа и синтеза поток распределения в инженерных сетях

Разработанная диалоговая система предназначена для активного использования в процессе решения задач проектирования, реконструкции и эксплуатации инженерных сетей и представляет собой инструмент исследования различных вариантов сети и различных режимов ее работы.

Структура диалоговой системы и функции, которые она осуществляет, определились типом системы (водопроводная, газовая, тепловая), видом решаемой задачи (гидравлические расчеты, технико-экономические расчеты и т.д.), ее размерностью (сложностью), возможностью применяемых ЭВМ и рядом других параметров.

Как уже сказано, при разработке и применении диалоговой системы основной задачей является формализация методики расчета и проектирования системы, а также обработки данных. Ибо при формализации такой методики в том или ином порядке выявляются такие задачи, решение которых не может быть сведено к последовательному применению ряда машинных программ (процедур) и требует интуиции и опыта проектировщика, а также привлечения им различных дополнительных сведений, объем и характер которых трудно; предусмотреть заранее.

Решение задач расчета и оптимизации поток распределения в инженерных сетях в рамках диалоговой системы может быть получено различными методами и алгоритмами. Результаты их работы будут зависеть от задания параметров функционирования системы.

Результаты расчета режимов функционирования водопроводной сети при различных уровнях водопотребления в сети

А) Сеть без регулирующей емкости

№ режима	Давление на выходе первой насосной станции, м	Расход на выходе первой насосной станции, м3/с	Давление на выходе первой насосной станции, м	Расход на выходе первой насосной станции, м3/с	Расход емкости, м3/с	Давление в диктующей точке, м
1	78,36	0,6436	75,39	0,5534	-	70,29
2	74,20	0,7296	70,38	0,6270	-	63,83
3	66,82	0,8573	61,57	0,7387	-	52,49
4	61,16	0,9420	54,87	0,8136	-	43,85
5	51,61	1,0088	43,57	0,9262	-	29,29
6	48,15	1,1111	39,48	0,9637	-	24,01
7	32,88	1,2800	21,47	1,1140	-	0,79
Б) Сеть с регулирующей емкостью (Давление в узле с емкостью 50 м)
1	58,98	0,9726	55,76	0,8041	0,5796	50,79
2	56,84	1,0016	53,30	0,8301	0,4751	46,55
3	54,18	1,0364	50,60	0,8578	0,2982	40,45
4	52,92	1,0524	50,01	0,8638	0,1606	36,82
5	51,04	1,0760	48,30	0,8807	-0,0383	30,62
6	50,52	1,08,23	47,46	0,8890	-0,1035	28,41
7	49,30	1,0972	43,57	0,9263	-03705	19,31

Результаты расчета режимов функционирования системы водоснабжения без резервуара

Часы суток	Давление на НС-1, м	Подачи НС-1, м3\с	Давление на НС-2, м	Подачи НС-2, м3/с	Давление в д.т., м	Сумма энергозатрат на НС, Квт-ч
0	71,2	0,56705	68,7	0,4710	65,0	1000,8
1	79,7	0,4668	77,9	0,3717	75,6	895,2
2	84,4	0,3913	83,1	0,3010	81,6	816,0
3	85,8	0,3616	84,6	0,2768	83,4	786,6
4	84,5	0,3908	83,1	0,3005	81,6	815,5
5	79,7	0,4661	77,9	0,3708	75,6	894,3
6	61,1	0,66235	57,9	0,5653	52,6	1098,6
7	48,6	0,7630	44,5	0,6642	37,2	1199,4
8	38,1	0,8372	33,4	0,7365	24,35	1272,15
9	34,0	0,8647	29,0	0,7632	19,3	1298,8
10	38,0	0,83805	33,3	0,7373	24,2	1272,9
11	48,04	0,76445	44,3	0,6655	36,9	1200,8
12	58,1	0,6881	54,7	0,5906	48,9	1124,6
13	69,2	0,5878	66,5	0,4912	62,5	1022,1
14	75,9	0,5143	73,8	0,4180	70,9	945,1
15	78,15	0,4870	76,2	0,3908	73,7	916,1
16	76,0	0,5133	73,9	0,4168	71,0	943,9
17	69,3	0,5860	66,7	0,4892	62,7	1020,1
18	58,3	0,6860	54,9	0,5882	49,2	1122,3
19	4503	0,7869	41,1	0,6871	33,2	1222,7
20	34,6	0,8614	29,5	0,7596	19,9	1295,4
21	30,2	0,8892	24,95	0,78655	14,6	1322,2
22	34,3	0,8628	29,3	0,7610	19,7	1296,8
23	45,0	0,7894	40,7	0,6895	32,8	1225,2

Результаты расчета режимов функционирования системы водоснабжения с резервуаром

Часы суток	Давление на НС-1, м	Подача НС-1, м3\с	Давление наНС-2, м	Подача НС-2, м3\с	Давление в д.т., м	Уровень воды в резервуаре, м	Расход (потребление) резервуара, м3\с	Объем воды в резервуаре, М	Сумма энергозатрат на НС, квт
0	53,5	0,7255	51,7	0,6134	47,6	50,5	0,3008	2152,0	1154,0
1	56,1	0,70435	54,5	0,5922	52,1	50,75	0,4580	3235,0	1132,5
2	58,6	0,6836	57,3	0,5706	55,8	51,135	0,5619	4883,8	1110,9
3	59,8	0,6732	58,6	0,5599	57,4	51,6	0,5947	6906,5	1100,1
4	59,3	0,6776	58,0	0,5649	56,5	52,1	0,5512	9047,3	1105,0
5	57,5	0,69285	55,9	0,5813	53,5	52,56	0,4372	11031,6	1121,2
6	54,15	0,7201	52,9	0,6044	46,35	52,93	0,0968	12605,6	1146,4
7	53,16	0,7280	51,8	0,6128	42,7	53,01	-0,0865	12954,2	1154,6
8	52,8	0,7310	50,45	0,6228	39,86	52,94	-0,2199	12642,9	1161,8
9	52,3	0,7347	49,7	0,6283	38,4	52,75	-02649	11851,2	1166,6
10	52,4	0,7340	50,1	0,6255	39,45	52,53	-0,2158	10897,46	1164,6
11	52,5	0,7329	51,2	0,6173	42,06	52,35	-0,0797	10120,54	1159,4
12	53,3	0,7271	52,1	0,61025	44,9	52,3	0,0586	9833,5	1152,8
13	54,6	0,7164	52,9	0,6044	48,3	52,33	0,2417	10044,5	1144,8
14	56,3	0,70295	54,6	0,5914	51,4	52,54	0,3620	10914,75	1131,4
15	57,2	0,6955	55,6	0,5838	52,8	52,84	0,4016	12218,0	1123,8
16	56,8	0,6986	55,2	0,5871	52,0	53,2	0,3556	13663,7	1127,05
17	55,6	0,7084	54,0	0,5663	49,4	53,5	0,2295	14943,7	1136,6
18	54,5	0,7171	53,4	0,6002	46,2	53,66	0,0430	15769,8	1142,65
19	53,7	0,7283	52,0	0,6107	42,5	53,7	-0,1400	15924,7	1151,4
20	53,1	0,7285	50,46	0,6224	39,335	53,68	-0,2700	15420,7	1160,5
21	52,5	0,7333	49,6	0,62885	37,75	53,36	-0,3136	14448,7	1166,3
22	52,6	0,7321	50,0	0,6257	38,84	53,095	-0,2660	13319,7	1164,0
23	52,9	0,7298	51,3	0,6166	41,65	52,87	-0,1326	12362,1	1157,6

Сравнительный анализ значений критериев функционирования водопроводной сети на интервале времени сутки

Тип водопроводной сети	Подача воды в сеть за сутки, м3	Затраты электро-энергии за сутки, квт-ч	Оценка сред-него значения дефицита воды в-м узле	Оценка вероятности возникновения дефицита в узле	Оценка относительного значения величины дефицита в-м узле	Глубина возникновения дефицита в узле сети	Оценка дефицита воды во всех узлах сети	Оценка среднего значения вероятности возникновения дефицита воды во всех узлах
Без регулирующей емкости	104104,8	26007,6	0,588-4,4368	0,167-0,33	0,016-0,1205	6,571-22,178	108,275	0,2606
С регулирующей емкостью (c резервуаром	113837,4	27436,0	0	0	0	0	0	0

Литература

Абрамов Н.Н., Гениев Н.Н., Павлов В.И. Водоснабжение. - М.: Госстройиздат, 1998. - 250 с.

Абрамов Н.Н., Поспелова М.М. Расчет водопроводных сетей. - М.: Госстройиздат, 1990. - 228 с.

Абрамов Н.Н. Теория и методика расчета систем подачи и распределения воды. - М.: Стройиздат, 1980. -287 с.

4. Абрамов И.Н. Расчет водопроводных сетей. - М.: Стройиздат, 1976. - 303 с.

5. Абрамов Н.Н. Водоснабжение. ~М.: Стройиздат, 1982. - 440 с.

Абрамов И.Н., Поспелова МЛ.и др. Расчет водопроводных сетей, М.: Стройиздат, 1983. -278 с.

7. Холбоева М.К, Бахрамов У. «Совершенствование проектирования развивающихся инженерных сетей железнодорожного транспорта».

ТашИИТ, Материалы конференции магистров и бакалавров по итогам научных исследований. Ташкент, 2010, с. 3.

8. Холбоева М.К. Бахрамов У., «Особенности анализа и синтеза потокораспределения в инженерных сетях в интерактивном режиме ТашИИТ, Материалы конференции магистров и бакалавров по итогам научных исследований. Ташкент, 2010, с. 3.

9. Ахунов Х.Г., Жалилов У. Диалоговый подход к решению задач гидравлического расчета при управлении городскими инженерными сетями. - В сб.: Управление большим городом.-Тез.докл.III республиканской конференции. ТАСИ.: 2000 г.

10. Басс Г.М. и др. Водоснабжение. Технико-экономические расчеты. - Киев: Вища школа, 1977.

11. Батыщев Д.И., Бедная Р.И. Особенности организации пакетов программ оптимизации, используемых в системах автоматизированного проектирования. - В сб. Автоматизация проектирования в электронике и приборостроении.-Л.:ЛЭТИ, 1998, с 12-29.

12. Башмаков И.А., Саркисян А.П. Развитие диалоговых средств в человеко-машинных системах обработки данных. - Труды Московского энергетического института, 2000, вып. 485, с. 47-53.

13. Баясанов Д.Б., Быкова З.Я. Расчет и проектирование городских газовых сетей среднего и высокого давления. - М.:Строй-издат, 2001.

14. Баясанов Д.Б., Гурвич Г.М. Автоматическое регулирование и управление в городских газовых сетях.:Стройиздат, 1998 г.

15. Белан А.Е. Универсальный метод гидравлического увязочного расчета кольцевых водопроводных сетей.-Известия вузов. Строительство и архитектура, 2005, с. 69-73.

16. Белан А.Е., Хоружий П.Д. Проектирование и расчет устройств водоснабжения. - Киев: Будивельник, 2000. с.

18. Белан А.Е., Хоружий П.Д. Технико-экономический расчет водопроводных систем на ЭВМ. - Киев: Вища школа, 2009. - 192 с.

Размещено на Allbest.ru