MODELOWANIE SYSTEMÓW EKSPLOATACJI

W PRZEDSIĘBIORSTWACH WOD-KAN

 

Przedsiębiorstwa wod-kan są jednostkami organizacyjnymi,

których zada niem jest zarządza-nie majątkiem składającym się z
obiektów, urządzeń i insta la cji wodociągowych i kanaliza-cyjnych
przy współudziale ludzi, przy czym te działania są ujmowane w
pewną

całość

zwaną

systemem

eksploatacji.

Natomiast

modelowanie systemów eksploatacji jest połączeniem praktyki,
która jest od zwier ciedleniem rzeczywistości eksploatacyjnej z nauką
zajmującą się bada nia mi modelowymi. Można to ująć w postaci
pewnego schematu przepływów:

•praktyka

(rzeczywistość

eksploatacyjna,

problemy

eksploatacyjne),

•modelowanie systemów eksploatacyjnych wod-kan,

•nauka (badania modelowe),

•rozwiązywanie

problemów

eksploatacyjnych

(decyzje

eksploatacyjne). 

Modelowanie

jest

pewną

formą

idealizacji

rzeczywistości

eksploatacyjnej i od grywa ważną rolę w badaniach modelowych, w
których rzeczywistość eks ploa tacyjna jest obiektem mode-lowanym
w odniesieniu do modelu badawczego, posiadającego optymalne
parametry i za-pewniającego osiągnięcie maksymalne go efektu.
Systemy eksploatacji funkcjonujące w prak-tyce lub będącymi przed
miotami badań naukowych są różnorodne, niemniej jednak ze
wzglę-du na pew ne cechy ogólne mogą być opisywane za pomocą
modeli. Jest to bardzo istotny z praktycznego punktu widzenia
walor,

dzięki

któremu

można

identyfikować,

pro jektować,

usprawniać lub audytować istniejące systemy.

1

Podstawowe założenia procesu modelowania systemów eksploatacji

wod-kan:

•identyfikacja poszczególnych elementów systemu,

•okreslenie relacji między elementami oraz z otoczeniem,

•wyodrębnienie systemu z rzeczywistości eksploatacyjnej,

•uporządkowanie struktury systemu,

•umiejscowienie systemu w nadsystemie (otoczeniu),

•budowa modelu w ujęciu systemowym. 

Zastosowanie ujęcia systemowego do budowy modelu systemu

eksploatacji wod-kan powin-no spełniać następujące warunki:

•system musi być ściśle określony,

•podział na podsystemy musi być zupełny,

•system powinien mieć strukturę hierarchiczną oraz posiadać
możliwość koordynowania,

•system powinien składać się z określonej liczby podsystemów, przy
czym ich optymalna liczba powinna być w przedziale od 7 do 12,

•system powinien należeć do systemów złożonych lub być systemem
pro jek to wanym,

•przyporządkowanie podsystemów i elementów w systemie może
być zmien ne w zależności od spełnianych funkcji,

•system funkcjonuje w powiązaniu z innymi systemami technicznymi
(np. systemem energe-tycznym, drogowym, telekomunikacji itp.).
 

 

2

W niniejszych rozważaniach eksploatacja wod-kan rozpatrywana jest
jako system składający się z podsystemów i elementów, przy
podsystemem może być pojedynczy element lub pojedyncza
czynność w zależności od zamierzonej skali badań. Systemowe
modelowanie eksploatacji wod-kan pozwala na:

•dogłębne poznanie rzeczywistości eksploatacyjnej, w szczególności
rela cji między poszczególnymi elementami, wzajemnych powiązań
(sprzężeń prostych i zwrotnych),

•dokładne zbadanie możliwości usprawnienia ich funkcjonowania.

W dalszym ciągu wykładów modele systemów eksploatacji wod-kan
są przed sta wiane w kon-wencji schematów blokowych. Takie
podejście do modelowania systemu eksploatacji wod-kan gwarantuje
osiągnięcie podstawowego celu, ja kim jest uzyskanie umiejętności
racjonalnego

i

efektywnego

gospodarowania

ma jąt kiem

przedsiębiorstw wod-kan.
 

Standard eksploatacyjny można zdefiniować jako zbiór cech,
zasad i kry te riów, jakim powi-nien odpowiadać system eksploatacji
wod-kan. Oznacza to, że standardy eksploatacyjne w po-staci cech
eksploatacyjnych, zasad i kryteriów eks ploatacyjnych stanowią
uzupełnienie

modelu

eksploatacji

wod-kan.

Do

cech

eksploatacyjnych wod-kan można zaliczyć:

• niezawodność i

bezpieczeństwo,

• trwałość i

nieuszkadzalność,

• obsługiwalność i

odnawialność,

• jakość i ekologiczność,

• skuteczność i

efektywność,

• dostępność i technologiczność,

• ergonomiczność i estetyczność,

• odporność i adaptowalność,

• podatność i kompatybilność,

• ciągłość i pewność,

• innowacyjność i

kompleksowość.

3

Podstawowe zasady eksploatacyjne określono w oparciu o warunki
prawi dło wej praktyki eks-ploatacyjnej i obejmują one:

•kompletność dokumentacji powykonawczej (inwentaryzacja,
parametry tech niczne, profile, pomiary, itp.),

•oznakowanie obiektów i urządzeń zgodnie z przepisami,

•udokumentowany stan prawny terenu, na którym zlokalizowane są
obiek ty i urządzenia,

•instrukcje procesów i czynności oraz dokumentację rozruchu
obiektów i urządzeń,

•książki obiektów,

•ewidencję środków trwałych (obiekty, urządzenia, środki
transportu, sprzęt specjalistyczny, narzędzia, itp.),

•szkolenie personelu (kierowników i realizatorów eksploatacji),

•nadzorowanie procesów eksploatacyjnych (przeglądy, kontrole,
eksper ty zy),

•monitorowanie procesów eksploatacji (stany techniczne, przebieg
proce sów, itp.),

•rozpoznawanie i eliminowanie zagrożeń eskplotacyjnych,

•usprawnienie i innowacyjność procesów eksploatacyjnych.

4

Kryteria eksploatacyjne w odniesieniu do systemów wod-kan
obejmują:

•kryteria techniczne i technologiczne (np. ciśnienie wody, ilość
wody, wska źniki gotowości, wskaźniki awaryjności, czas usuwania
awarii, od bu dowa nawierzchni asfaltowej lub z płyt chodnikowych,
odtworzenie zie leni, jakość wody, jakość ścieków, częstotliwość
pracy przelewów bu rzo wych, wydawanie warunków technicznych,
przerwy w dostawie wody, kontrola stanu technicznego i
sprawności urządzeń, czyszczenie kanałów itp.),

•kryteria ekonomiczne (np. okresy rozliczeniowe za świadczone
usługi, ok re ślenie wartości niezbędnych przychodów, kalkulacja
taryf za dostawę wody i odprowadzanie ścieków itp.),

•kryteria organizacyjne (struktura organizacyjna, podział
eksploatowanego obszaru itp.),

•kryteria ekologiczne (np. zagospodarowywanie odpadów
eksploatacyj nych, utylizacja odpadów niebezpiecznych jak
azbestocementu, stosowa nie materiałów i technologii przyjaznych
środowisku itp.).

Na podstawie przedstawionego opisu standardów eksploatacyjnych
dotyczących wod-kan można stwierdzić, że są one niewątpliwie
uzupełnieniem modelu sy ste mu eksploatacji i w jakimś stopniu
wyznacznikiem jego celów.

5

Dogodność stosowaniu ujęcia systemowego polega między innymi
na tym, że poszczególne czynności (np. Usuwanie uszkodzeń,
płukanie przewodów, pobór próbek wody, itp.) Mogą być
przedstawione jako pewna całość opisana wej ściem i wyjściem
(model „skrzynki”). Jest więc ujęcie monoblokowe, jak przykładowo
poniżej:

X

Y

SUUU

Przykładami systemowego ujęcia elementów składowych systemu
eksploatacji mogą być:

•system usuwania uszkodzeń (SUU),

•system pomiaru ciśnienia wody (SPCW),

•system pomiaru napełnienia kanałów (SPNK),

•system poboru próbek wody do badań (SPPWB),

•system przywracania jakości wody (SPJW) itp.

Powyższe przykłady należą do modeli systemu eksploatacji i
przyjmując pew ne uogólnienia w/w systemy można traktować jako
elementy dowolnego sy stemu eksploatacji wyodrębnionego z
otoczenia i spełniającego podane po niżej wa run ki:

•wejścia X są nośnikiem pewnego oddziaływania otoczenia na roz
pat ry wany element,

•wyjścia Y są nośnikiem oddziaływania elementu na otoczenie,

•zbiór wejść i wyjść stanowi zbiór rozłączny.

 

6

Uwzględniając w modelach monoblokowych pojęcie czasu (T), który
jest w procesie eksploa-tacji niezmiernie ważny oraz występujące
zakłócenia, schemat monoblokowego modelu sy-stemu eksploatacji
można przedstawić następująco:

X

Y

SPCW

Modele

monoblokowe

umożliwiają

dokładną

identyfikację

poszczególnych ele mentów syste-mu eksploatacji, a w szczególności
czynności realizowane w pro ce sie eksploatacji systemów wod-kan.
 

Modele wieloblokowe systemu eksploatacji powstają w wyniku

dekompo zy cji systemu na elementy składowe, które w modelu
przedstawiane są za pomocą odrębnych bloków, przy czym opisane
są w nich relacje (np. sprzężenia proste lub zwrotne) pomiędzy
poszczególnymi elementami składowymi. Modele te nazywane są
również modelami strukturalnymi. Przy-kładem modelu wieloblo ko
wego może być proces eksploatacji składający się z elementów jak:

•użytkowanie,

•nadzorowanie,

•obsługiwanie,

•odnawianie.
W/w elementy nazywane są również stanami eksploatacyjnymi.

 

7

Proces eksploatacji sieci wodociągowych opisuje czterostanowy
model, nato miast procesowi eksploatacji sieci kanalizacyjnych
przyporządkowany jest trój stanowy model eksploatacji. W dalszej
części wykładów zostaną przedstawione połączenia, sprzężenia oraz
struktury modeli wieloblokowych systemu eks ploa tacji.

W modelach monoblokowych i wieloblokowych systemu eksploatacji

wod-kan mogą wystę-pować różnorodne połączenia i sprzężenia, w
których bloki re prezentują poszczególne elemen-ty, natomiast
relacje między nimi opisywane są połączeniami oraz sprzężeniami.
We wspom-nianych wyżej modelach mogą występować różnorodne
połączenia między elementami syste-mu, jak poniżej:

E1

E2

E1

E2

E3

E
2

E
3

E1

E1

E2

b)

a)

c)

d)

8

Oddziaływanie między elementami systemu eksploatacji opisane są
sprzę że nia mi. Oddziały-wanie jednostronne nosi nazwę sprzężenia
prostego

(oddzia ły wanie

jednokierunkowe),

nato-miast

oddziaływanie wzajemne nazywa się sprzę że niem zwrotnym.
Przykłady sprzężeń przed-stawia poniższy rysunek (wyko rzy stanie
metody grafów).

S
1

S
3

S
4

S
1

S
3

S
2

S
4

S1 – stan użytkowania;
S2 – stan postoju;
S3 – stan oczekiwania na
odnowę;
S4 – stan odnowienia

W zakresie tworzenia modeli wieloblokowych systemu eksploatacji
mogą wystąpić następu-jące rodzaje struktur:

•hierarchiczna,

•równoległa,

•szeregowa,

•równoległo-szeregowa,

•szeregowo-równoległa,

•mieszana.
Są one rozwinięciem modeli monoblokowych i wieloblokowych w
zależności od stopnia szczegółowości badanego obiektu i
odwzorowują liczbę elementów składowych, relacje mię-dzy
elementami bądź działaniami. Przykładowy uprosz czony model
wieloblokowego sytemu eksploatacji przedstawia poniższy rysu nek
(metoda bloków).

9

UŻYTKOWANIE

NADZOROWANIE

OBSŁUGIWANI
E

ODNAWIANIE

SP

SZ

Obie metody, grafów i bloków, umożliwiają przekazywanie
oddziaływania po mię dzy elementa-mi systemu eksploatacji. Przykład
struktury hierarchicznej jest przedstawiony poniżej (K – kierownik; .R
– realizator eksploatacji; BM

i

– bry gady mistrzowskie).

K

R2

R1

R3

BM
1

BM
N

BM
1

BM
N

BM1

BMN

10

Przykładem struktury równoległej może być strumień informacji
napływający z zewnątrz.

OTOCZENIE

SYSTEM EKSPLOATACJI WOD-KAN

obserwacje

eksploatacy

jne

Dane

eksploatacy

jne

Wiadomoś

ci

Komunikat

y

Informacje

X

Struktury szeregowe w systemach eksploatacji występują w
przypadku wyko ny wa nia zabie-gów eksploatacyjnych zgodnie z dana
technologią lub w przypad ku działań (np. planowania, odnawiania).

ZABIEG

EKSPLOATACYJNY

A

ZABIEG

EKSPLOATACYJN

Y

B

ZABIEG

EKSPLOATACYJN

Y

N

Y

X

11

W strukturach mieszanych występuje połączenie struktur
równoległych i sze re go wych:

ZE-1

ZE-2

ZE-3

ZE-4

ZE-8

ZE-7

ZE-6

ZE-5

X

Y

Modele decyzyjne

 

Ogólna koncepcja modeli decyzyjnych oparta jest na strukturze

szeregowo-równoległej zbudowanej z elementów działaniowych:

SYSTEM EKSPLOATACJI WODOCIĄGÓW I KANALIZACJI

OBSER WA-
CJE
EKSPLOATA
CYJNE

INFORMACJ
E I DANE
EKSP-
LOATACYJN
E

WNIOSKOW
A NIE EKSP-
LOA
TACYJNE

DECYZJE
EKSPLOAT
A-CYJNE

KOSZ-TY
EKSPLOTA
-CYJNE

CECHY

EKSPLOATA-

CYJNE

STANY EKSPL.
CZASY EKSPL.
ZDARZENIA
EKSPL.

ANALIZY
EKSPL.
ZADANIA
EKSPL.
DZIAŁANIA
EKSPL.

STRATEGI
E
EKSPLOA-
TACYJNE

12

W zaprezentowanej koncepcji modelu eksploatacyjnego na
szczególne wyróż nie nie zasługują następujące elementy:

•obserwacje, informacje i dane eksploatacyjne,

•decyzje eksploatacyjne,

•koszty eksploatacyjne,

Bezpośrednie obserwacje cech eksploatacyjnych obiektów, urządzeń
i instalacji oraz informa-cje i dane dotyczące ich podstawowych
właściwości, takich jak: sta ny, czasy oraz zdarzenia eksploatacyjne,
są podstawą do wnioskowania, a na stępnie wyboru decyzji
eksploatacyjnych.
 

Miernikiem jakościowym i ilościowym w sensie pozytywnym lub
negatyw nym są ponoszone koszty eksploatacyjne, które świadczą o
efektywności i ja ko ści eks ploatacji. Zaprezentowany model
decyzyjny w systemie eksploatacji wo do ciągów i kanalizacji może
być przydatny w po-szukiwaniu rozwiązań opty mal nych. Na
podkreślenie zasługuje fakt, że w procesie eksploa-tacji, który
cechuje dy namika, występuje duża liczba problemów decyzyjnych i
zastosowanie tego mo delu pozwala na uzyskiwanie rozwiązań w
miarę racjonalnych i efektyw nych.

Ważniejsze cechy modeli systemów eksploatacji wod-kan

W modelach systemów eksploatacji wod-kan występują wspólne
cechy i włas ności, jak np.:

• złożoność,

• hierarchiczność,

• dekompozycyjność,

• dynamiczność,

• bezwładność,

• destrukcyjność,

• różnorodność zdarzeń,

• losowość zdarzeń,

• niepewność.

13

Systemy eksploatacji wod-kan są systemami złożonymi, gdyż
obejmują dużą liczbę elementów. Powoduje to wzrost liczby i rodzaju
relacji (sprzężenia proste i zwrotne, zróżnicowany tryb połączeń
między elementami – równoległe, sze regowe i mieszane itp.). Są to
systemy o dużym stopniu automatyzacji i kompu teryzacji, w których
występują różne stany (wielostanowość) oraz różnorodne zdarzenia.
Posiadają również szereg funkcji (dostawa wody o wymaganych pa
rametrach, odprowadzanie i unieszkodliwianie ścieków oraz
unieszkodliwianie

osadów

ścieko-wych).

Omawiane

systemy

zmieniają swoje działanie pod wpły wem zakłóceń napływających z
otoczenia oraz oddziaływują na środowisko. Ich funkcjonowanie
przebiega w sposób stocha-styczny, gdyż liczba możliwych sta nów
jest ogromna. Powoduje to zasadnicze trudności w analizie i opisie
zacho wań systemów.

Następną cechą systemów eksploatacji wod-kan jest hierarchiczność,
która jest wynikiem złożoności i wielkości tychże systemów.
Charakteryzuje się ok re śloną liczbą pionów w postaci podsystemów i
jest wielopoziomowa. Taka struk tura funkcjonalna zapewnia
stabilizację działa-nia systemu, gdyż piony i pozio my posiadają
odmienne struktury, wzajemnie ze sobą powią-zane i współzależne.
Stąd też systemy eksploatacji wod-kan, które posiadają strukturę
hierar-chiczną

wymagają

koordynowania

działań

pomiędzy

poszczególnymi podsystemami i elemen-tami systemu. Potwierdza
to praktyka eksploatacyjna, gdzie np. podsy stemy maja mocne po-
wiązania (organizacja, planowanie, zarządzanie, kontrola kosz tów
itp.) Oraz relacje wzajem-nego współdziałania elementów i podsyste
mów dla spełniania zadanych funkcji i celów.

14

Pojęcie dekompozycyjności systemu dotyczy strukturalnego modelu
hierar chicznego eksploa-tacji wod-kan i polega na wyróżnieniu jego
elementów skła do wych – podział na podsystemy i elementy. Zgodnie
z tą procedurą system eks ploatacji traktowany jako całość podlega
po-działowi na elementy i dzięki tej właściwości można dokonać
pełnej identyfikacji elementów składowych syste mu eksploatacji
wod-kan.

Dynamiczność jest cechą złożonych systemów, do których zalicza
się sy ste my eksploatacji wod-kan, w których warunki ich
funkcjonowania są zmienne w czasie (np. ciśnienie wody,
napełnienie kanałów, natężenie przepływów wody lub ścieków itp.).
Wymagają ciągłego nadzoru i dostosowywania ich pracy do
warunków wewnętrznych systemu oraz otoczenia.
 

Kolejną specyficzną cechą systemu eksploatacji wod-kan jest
bezwładność, któ ra polega na tym, że zmiany występujące w
jednym z elementów systemu po wodują zmiany w pozostałych oraz
na powolnych zmianach zachowania się systemu (szczególnie w
przypadkach awaryj-nych). Rozróżnia się bezwładność lokalną
dotyczącą fragmentu procesu eksploatacji oraz globalną, odnoszącą
się do całego systemu. Przykładami lokalnej bezwładności systemu
eks-ploatacji wod-kan może być lokalne pogorszenie jakości wody,
natomiast w przypadku za-nieczyszczeń wody na ujęciach mamy do
czynienia z globalną bezwładnością systemu eks-ploatacji,
objawiającą się w wydłużeniu czasu zmiany jego zacho wa nia. Efekty
podejmo-wanych działań są możliwe do stwierdzenia po dłuższym
okresie czasu. Ta cecha jednak istotnie obniża sprawność i
efektywność funk cjo nowania systemu eksploatacji wod-kan.

15

Destrukcyjność systemów eksploatacji wod-kan polega na
stopniowym wy czer paniu się orga-nizacyjnym systemów w wyniku
stopniowego rozluźniania i rozregulowania powiązań w struk-turach
funkcjonalnych. Powodem może być da leko posunięta rutyna
działalności. W końco-wym etapie funkcjonowanie sy ste mu staje się
gorsze, co w konsekwencji powoduje narasta-jące niezadowolenie
odbiorców ze świadczonych usług. Dlatego też ważnym elementem w
syste mach eksploatacji jest stała kontrola jego działania i bieżące
eliminowanie nie pra-widłowości występujących w systemie.

W

systemie

eksploatacji

występują

różnorodne

zdarzenia

eksploatacyjne, ta kie jak: zakłócenia wewnętrzne i zewnętrzne,
wszystkie rodzaje uszkodzeń – nagłe, stopniowe, dające się zlo-
kalizować, trudno wykrywalne, poważne awarie itp. Wymaga to
podejmowania systematy-cznych działań profilaktycznych lub przy
wracających zdatność elementów.

Losowość jest specyficzną cechą i w złożonych, dynamicznych
systemach, ja kimi są systemy eksploatacji wod-kan, zajmuje czołowe
miejsce. Zdarzenia eks ploatacyjne występują w sposób losowy i
badane są metodami probabi li sty cznymi (np. Teoria niezawodności,
teoria

odnowy).

Zapewnienie

trwałości

i

nie uszkadzalności

elementów w procesie ich eksploatacji staje się w aspekcie lo so wości
występowania zdarzeń eksploatacyjnych zagadnieniem ważnym i
powin no być rozwiązywane na etapie projektowania i budowy wod-
kan, a następnie w procesie eks-ploatacji poprzez stosowanie
nowoczesnych materiałów i techno lo gii.
 

16

Ostatnia specyficzną cechą systemów eksploatacji wod-kan jest
niepewność wynikającą głównie ze złożoności (duża liczba
elementów, wielostanowość, dy namiczność, wielofunk-cyjność, duża
bezwładność). Powyższa cecha wynika z braku możliwości pełnego
odwzoro-wania systemów i określenia wszystkich mo ż li wych stanów,
relacji i połączeń oraz oddziały-wania otoczenia. Dlatego też sta łe
monitorowanie pracy systemu eksploatacji zmniejsza w sposób
istotny po ziom niepewności w ich funkcjonowaniu.

Oprócz

opisanych

dotychczas

ważniejszych

cech

systemu

eksploatacji wod-kan na podkreślenie zasługuje to, ze systemy te
podlegają stałemu rozwojowi (np. następuje zwiększenie stopnia
złożoności, liczby elementów itp.) I adap to waniu się do warunków
zmieniającego się również otoczenia.

17