1

KOMPUTERYZACJA SIECI WODOCIĄGOWYCH I OCZYSZCZALNI ŚCIEKÓW

Jan Studziński

1. Wstęp

W Instytucie Badań Systemowych PAN są od 10 lat prowadzone prace dotyczące

szeroko pojętej komputeryzacji przedsiębiorstw wodociągowych. Prace mają charakter
badawczo-rozwojowy i są realizowane częściowo w ramach badań statutowych i częściowo w
ramach projektów badawczych KBN. W okresie od 1993 r. do 2004 r. zrealizowano trzy a
obecnie są w fazie realizacji dwa projekty badawcze KBN, przy czym w dwóch przypadkach
dotyczy to grantów a w trzech przypadkach tak zwanych projektów celowych.

Prowadzone badania wymagają dużego interdyscyplinarnego zespołu i dlatego są

wykonywane we współpracy z innymi ośrodkami badawczymi krajowymi i zagranicznymi a
także w ścisłych kontaktach z wyspecjalizowanymi firmami komputerowymi. Partnerzy
współpracujący dotychczas z Instytutem przy realizacji prac badawczych, to między innymi
Politechnika Wrocławska, Akademia Rolnicza we Wrocławiu, Brandenburgische Technische
Universitaet z Cottbus, oraz firmy Infoprod z Poznania, Intergraph z Warszawy i REUS z
Berlina. Obecnie jest również nawiązywana współpraca z uniwersytetami w Leeds i
Oxfordzie.

Ponieważ prace mają w dużym stopniu charakter zastosowaniowy, więc istotnym

warunkiem ich powodzenia jest dobra współpraca z wybranymi obiektami badawczymi,
będącymi źródłem danych pomiarowych i odbiorcą wyników badań. Takimi partnerskimi
obiektami są krajowe przedsiębiorstwa wodociągowe w Gdyni, Lublinie i Rzeszowie, przy
czym szczególnie ścisła współpraca ma miejsce z Miejskim Przedsiębiorstwem Wodociągów
i Kanalizacji w Rzeszowie.

Docelowym zadaniem prowadzonych badań jest opracowanie kompleksowego

systemu komputerowego zarządzania i sterowania miejskim systemem wodno-ściekowym dla
miasta średniej wielkości. Taki system składa się z następujących podsystemów:

− stacja poboru i uzdatniania wody

− sieć wodociągowa
− sieć kanalizacyjna

− oczyszczalnia ścieków.
Wymienione podsystemy są połączone szeregowo i wyjście jednego podsystemu jest

jednocześnie wejściem następnego podsystemu. W przyjętej koncepcji systemu
komputerowego kluczową rolę pełnią modele matematyczne poszczególnych podsystemów.
Na podstawie tych modeli są realizowane zadania zarządzania i sterowania systemem wodno-
ściekowym.

Wynikiem dotychczasowych prac jest wykonanie i częściowe wdrożenie systemów

komputerowych zarządzania i sterowania dla dwóch podsystemów miejskiego systemu
wodno-ściekowego: sieci wodociągowej i oczyszczalni ścieków. Badania były prowadzone
przede wszystkim na podstawie danych pomiarowych z obiektów w Rzeszowie.

Opracowanie systemów komputerowych dla pozostałych dwóch podsystemów

systemu wodno-ściekowego oraz utworzenie kompleksowego systemu komputerowego

2

sterującego wszystkimi obiektami wchodzącymi w skład miejskich wodociągów jest
planowane w programie przyszłych badań i znajduje się w fazie częściowej realizacji.

2.

Komputeryzacja miejskiej sieci wodociągowej w Rzeszowie

2.1. Opis

obiektu

Sieć wodociągowa w Rzeszowie charakteryzuje się następującymi własnościami:
− istnieją dwa ujęcia powierzchniowej wody z rzeki Wisłok przepływającej przez

Rzeszów

− łączna długość sieci wynosi 544 km

− struktura sieci ma w 80% układ pierścieniowy
− produkcja wody wynosi średnio 46.000 m

3

/d

− w sieci znajduje się pięć zbiorników retencyjnych o łącznej pojemności 15.600 m

3

,

co stanowi ok. 30 % dobowego zużycia wody

− sieć wodociągowa jest budowana od 1929 r.
− fakt, że sieć jest stosunkowo stara powoduje duże zróżnicowanie sieci ze względu

na rodzaj i wiek stosowanych rur

− to zróżnicowanie rodzajowe i wiekowe sieci powoduje w konsekwencji jej dużą

awaryjność, wynoszącą około 500 awarii rocznie.

Wymienione własności, charakterystyczne dla wielu miejskich sieci wodociągowych

w Polsce, decydowały o potrzebie komputeryzacji sieci, co miało usprawnić i ułatwić jej
sterowanie i projektowanie. Na rys. 1 pokazano fragment badanej sieci wodociągowej w
Rzeszowie.

Rys. 1. Miejska sieć wodociągowa w Rzeszowie.

2.2. System

komputerowy

Dla sieci wodociągowej w Rzeszowie opracowano koncepcję systemu

komputerowego do wspomagania decyzji operatora sieci. Podstawowe zadania systemu
komputerowego są następujące:

3

− usprawnienie prac projektowych wykonywanych przy modernizacji i rozbudowie

sieci

− zmniejszenie kosztów eksploatacji sieci poprzez optymalizację napełniania i

opróżniania zbiorników retencyjnych umieszczonych w sieci

− obsługa stanów awaryjnych poprzez wskazanie fragmentów sieci wymagających

odcięcia zasilania dla redukcji strat wody.

Poziom funkcji

Wizualizacja Obliczenia Kalibracja Projektowanie Sterowanie
& hydrauliczne modelu sieci
Informacja



Poziom modułów

GIS Model System Optymalizacja Algorytmy
matematyczny monitoringu sterowania



Poziom danych
Branżowa
Baza
Danych

Rys. 2. Koncepcja systemu komputerowego dla sieci wodociągowej.

Planowany system komputerowy pokazano na rys. 2. Ma on budowę modułową a

poszczególne moduły realizują następujące funkcje:

− Branżowa Baza Danych – stanowi zbiór danych technicznych, technologicznych i

eksploatacyjnych o sieci

− Mapa numeryczna – służy do wizualizacji sieci
− Model hydrauliczny – wykonuje obliczenia rozkładu ciśnień i przepływów w

węzłach i odcinkach sieci

− System monitoringu – służy do aktualizacji Branżowej Bazy Danych oraz kalibracji

i weryfikacji modelu hydraulicznego

− Algorytm optymalizacji – dokonuje optymalnego doboru średnic rur sieci ze

względu na wymagane ciśnienia w węzłach końcowych sieci i jest
wykorzystywany przy projektowaniu, modernizacji i rozbudowie sieci

− Algorytm sterowania – wyznacza scenariusze pracy pomp w pompowniach i

przepompowniach sieci oraz napełniania zbiorników retencyjnych

− Algorytm stanów awaryjnych – generuje eksploatowany graf sieci z wyłączonym z

zasilania fragmentem z miejscem wystąpienia awarii.

Dokładniejszy opis wybranych modułów systemu jest następujący:

4

Mapa numeryczna generuje na podstawie zwektoryzowanych map geodezyjnych

miasta trzy następujące grafy sieci:

− graf geodezyjny odzwierciedlający rysunek sieci z map geodezyjnych

− graf topologiczny będący rysunkiem sieci z poprawioną topologią, bez nieciągłości

występujących na mapach geodezyjnych

− graf hydrauliczny stanowiący rysunek sieci z podziałem na odcinki i węzły sieci;

graf hydrauliczny jest podstawa obliczeń hydraulicznych sieci.

Rys. 3. Realizacja systemu komputerowego.

Branżowa baza danych zawiera następujące zdefiniowane obiekty sieci:
− odcinki
− źródła: pompownie, hydrofornie, zbiorniki retencyjne

− węzły odbiorcze

− węzły montażowe
− węzły pomiarowe

− zasuwy

− reduktory
− zawory zwrotne,

oraz następujące zdefiniowane atrybuty obiektów:

− długości i średnice odcinków

− charakterystyki pracy pomp
− wymiary geometryczne zbiorników retencyjnych

− stany pracy i charakterystyki zasuw, reduktorów i zaworów

− zadane średnie ciśnienia i rozbiory wody w węzłach.
Model hydrauliczny jest programem napisanym w języku Delphi z własnym edytorem

graficznym. Dane obliczeniowe do programu są dostarczane za pomocą specjalnych plików
buforowych. Opcjonalne funkcje modelu są następujące:

− możliwość zadawania rozbiorów węzłowych w węzłach odbiorczych sieci i

rozbiorów odcinkowych w odcinkach sieci

GEOMEDIA

(edytor graficzny)

PPD – PASZPORTOWA

BAZA DANYCH SIECI

WODOCĄGOWEJ

DANE Z GE

ODEZJI

(po

k

on

we

rsj

i)

BRANŻOWA

BAZA DANYCH (BBD)

Wariant stanu

rzeczywistego i warianty

do symulacji stanów

awaryjnych

MODEL

hydrauliczny

sieci

OPTYMALIZACJA

MONITORI

NG

STEROWANIE

siecią wodociągową

5

− możliwość wykonywania obliczeń statycznych dla zadanych średnich dobowych

obciążeń sieci w węzłach odbiorczych

− możliwość wykonywania obliczeń dynamicznych dla zadanych godzinowych

charakterystyk obciążeń sieci w węzłach odbiorczych.

System monitoringu dokonuje transmisji pomiarów z punktów pomiarowych

zlokalizowanych w sieci wodociągowej do komputera operatora sieci za pomocą telefonii
komórkowej GSM.

Na rys. 3 pokazano schemat systemu komputerowego dla sieci wodociągowej, który

został ostatecznie zrealizowany i uruchomiony w wodociągach rzeszowskich.

3.

Komputeryzacja miejskiej oczyszczalni ścieków w Rzeszowie

3.1. Opis

obiektu:

Mechaniczno-biologiczna oczyszczalnia w Rzeszowie składa się następujących

obiektów (rys. 4:

− kanał dopływu ścieków surowych

− piaskowniki
− osadniki wstępne

− komory z osadem czynnym (napowietrzania)

− osadniki wtórne.
− układ recyrkulacji zewnętrznej (osadu)

− kanał odpływowy ścieków oczyszczonych.

Rys. 4. Schemat oczyszczalni ścieków w Rzeszowie.

Proces technologiczny realizowany w oczyszczalni jest dwustopniowy, złożony z

oczyszczania mechanicznego, które zachodzi w piaskownikach, osadnikach wstępnych i
wtórnych, oraz z oczyszczania biologicznego zachodzącego w komorach z osadem czynnym.

Ś cieki suro w e

P o m p o w nia
ściekó w

Ś cieki
o czyszczo ne

D o p ły w

w stęp ne

P iasko w niki

O sad niki

R zeka

O sad nad m iern y

O sad rec yrk ulo w an y

O sad suro w y

K o m o ry

o sad u

cz yn ne go

O sad niki

w tó rne

Z a gęszczacz

W K F

W K F

P o letka

o sad o w e

6

Oczyszczanie biologiczne jest wynikiem działania bakterii tworzących tak zwany osad
czynny. Podstawowe procesy oczyszczania biologicznego dotyczą redukcji związków
organicznych oraz nitryfikacji, czyli częściowej redukcji związków azotowych. Na te procesy
oczyszczania biologicznego decydujący wpływ mają stężenie tlenu rozpuszczonego oraz ilość
i wiek osadu czynnego w komorach z osadem czynnym. Stężenie tlenu rozpuszczonego jest
wynikiem napowietrzania ścieków, natomiast ilość i wiek osadu zależą od stopnia
recyrkulacji osadu w układzie recyrkulacji zewnętrznej. Stężenie tlenu w komorach
napowietrzania i stopień recyrkulacji osadu są dlatego podstawowymi zmiennymi sterującymi
procesem oczyszczania ścieków.

3.2. System

komputerowy

Dla

oczyszczalni

ścieków w Rzeszowie opracowano koncepcję systemu

komputerowego do wspomagania decyzji operatora oczyszczalni. Podstawowe zadania
wykonywane przez system komputerowy są następujące (rys. 5):

Rys. 5.Schemat systemu komputerowego dla oczyszczalni ścieków.

− parametry procesu są mierzone w sposób ciągły za pomocą systemu monitoringu

oraz częściowo laboratoryjnie

− dane pomiarowe zapisuje się w Branżowej Bazie Danych
− natężenie dopływu ścieków surowych do oczyszczalni oraz ilość i skład

podstawowych zanieczyszczeń w ściekach surowych są prognozowane za pomocą
modeli prognostycznych

− parametry sterujące procesem wyznacza się za pomocą modelu sterowania

− obliczone sterowania weryfikuje się za pomocą obliczeń symulacyjnych modelu

fizykalnego oczyszczalni

− w przypadku weryfikacji pozytywnej obliczone sterowania uwzględnia się w

procesie technologicznym

− w przypadku weryfikacji negatywnej następuje brak akceptacji wyznaczonych

sterowań i operator oczyszczalni steruje procesem samodzielnie.

W dalszym ciągu zostaną omówione podstawowe modele matematyczne stanowiące

podstawę działania systemu komputerowego.

Model sterowania Model fizykalny

Modele prognostyczne

Baza danych +/-

Monitoring Pomiary laboratoryjne

Wejście

Wyjście

Oczyszczalnia ścieków

7

Modele prognostyczne są to modele różnicowe typu ARMA oraz w postaci sieci

neuronowych. Służą one do prognozowania ilości i składu dopływających ścieków surowych.
Przyjęty w modelach czas prognozowania wynosi 1 godz. Wyznaczono model różnicowy
piątego rzędu (AR[5]) i dla porównania dwa modele neuronowe zbudowane z trzech warstw o
następującej strukturze: pięć neuronów na warstwie wejściowej, jeden neuron na warstwie
wyjściowej oraz siedem względnie sześć neuronów na warstwie ukrytej (NNAR[5] i NNBP).

Przykładowe wyniki modelowania są pokazane na rys. 6 i 7.

1 0 0

1 0 5

1 1 0

1 1 5

1 2 0

1 2 5

1 3 0

1 3 5

1 4 0

1 4 5

1 5 0

0

1 0 0 0

2 0 0 0

3 0 0 0

In

flo

w

(

m

3

/h

)

- A R [ 5 ]

1 0 0

1 0 5

1 1 0

1 1 5

1 2 0

1 2 5

1 3 0

1 3 5

1 4 0

1 4 5

1 5 0

0

1 0 0 0

2 0 0 0

3 0 0 0

In

flo

w

(

m

3

/h

)

- N N A R [ 5 ]

1 0 0

1 0 5

1 1 0

1 1 5

1 2 0

1 2 5

1 3 0

1 3 5

1 4 0

1 4 5

1 5 0

0

1 0 0 0

2 0 0 0

3 0 0 0

T i m e ( h )

In

flo

w

(

m

3

/h

)

- N N - B P

Rys. 6.Wyniki modelowania dla modelu ARMA i dwóch modeli neuronowych.

1 0 0

1 0 5

1 1 0

1 1 5

1 2 0

1 2 5

1 3 0

1 3 5

1 4 0

1 4 5

1 5 0

0

1 0 0 0

2 0 0 0

3 0 0 0

In

flo

w

(

m

3

/h

)

- A R [ 5 ]

1 0 0

1 0 5

1 1 0

1 1 5

1 2 0

1 2 5

1 3 0

1 3 5

1 4 0

1 4 5

1 5 0

5 0 0

1 0 0 0

1 5 0 0

2 0 0 0

In

flo

w

(

m

3

/h

)

- N N A R [ 5 ]

1 0 0

1 0 5

1 1 0

1 1 5

1 2 0

1 2 5

1 3 0

1 3 5

1 4 0

1 4 5

1 5 0

0

1 0 0 0

2 0 0 0

T i m e ( h )

In

flo

w

(

m

3

/h

)

- N N - B P

Rys. 7. Wyniki prognozowania dla modelu ARMA i dwóch modeli neuronowych.

Model sterowania jest w postaci sieci neuronowej z trzema warstwami. Model

uwzględnia następujące parametry procesu technologicznego:

− BZT

5

(Biologiczne Zapotrzebowanie Tlenu w okresie pięciodniowym), stężenie

azotu i zawiesiny w dopływie ścieków surowych

− natężenie dopływu

8

− stężenie tlenu i osadu czynnego oraz opadalność osadu w komorach napowietrzania

− stopień recyrkulacji i stężenie osadu zawracanego w układzie recyrkulacji

zewnętrznej

− BZT

5

, stężenie azotu i zawiesiny w odpływie z oczyszczalni.

Sieć ma 16 neuronów na warstwie wejściowej, 2 neurony na warstwie wyjściowej i 16

neuronów na warstwie ukrytej. Funkcje przejścia między pierwszą i drugą warstwą są
nieliniowymi funkcjami logistycznymi, natomiast funkcje przejścia do trzeciej warstwy są
funkcjami liniowymi tożsamościowymi. Zmiennymi sterującymi obiektu i jednocześnie
zmiennymi wyjściowymi modelu są stężenie tlenu rozpuszczonego w komorach
napowietrzania i stopień recyrkulacji zewnętrznej osadu czynnego.

Przykładowe wyniki modelowania są pokazane na rys. 9 i 10.

0

5 0

1 0 0

1 5 0

2 0 0

0

0 .5

1

0 .0 0 3 6 6 5

0

5 0

1 0 0

1 5 0

2 0 0

0

0 .5

1

0 .0 0 2 2 3 1

Rys. 9. Wyniki trenowania sieci neuronowej dla dwóch zmiennych sterujących.

0

5 0

1 0 0

1 5 0

2 0 0

0

0 .5

1

0 .0 1 7 4 7

0

5 0

1 0 0

1 5 0

2 0 0

0

0 .5

1

0 .0 0 7 0 2 6

Rys. 10. Wyniki testowania sieci neuronowej dla dwóch zmiennych sterujących.

Model fizykalny oczyszczalni jest modelem typu Activated Sludge Model No. 1,

uwzględniającym proces nitryfikacji w komorach z osadem czynnym w warunkach
napowietrzenia ścieków. Oszacowanie parametrów w modelu odbywa się ręczną metodą
kalibracji na podstawie pomiarów uzyskanych z oczyszczalni w wyniku przeprowadzonych
tam eksperymentów pomiarowych. Model oczyszczalni składa się z następujących
autonomicznych modeli jej poszczególnych obiektów:

− osadników wstępnych

− komór napowietrzania

9

− osadników wtórnych

− układu recyrkulacji zewnętrznej.

Modele poszczególnych obiektów opisują idealne mieszanie cieczy w osadnikach wstępnych
i komorach napowietrzania, procesy sedymentacji w osadnikach wstępnych i wtórnych oraz
proces nitryfikacji w komorach napowietrzania.

Częściowe wyniki kalibracji modelu fizykalnego w odniesieniu do komór

napowietrzania przedstawiono w tab. 1.

Tab. 1. Wyniki kalibracji dla komór napowietrzania

Parametr Jednostka

Pomiary Model

Błąd [%]

Biomasa g/

m

3

3815 3890

2

BZT

5

g

O

2

/ m

3

18

18.3

2

Amoniak g

N/

m

3

26.3 24.2

8

Całkowity N

g N/ m

3

32.1 26.1

12

Zasadowość Val/m

3

7.9 7.7

3

4. Zakończenie

Przedstawiono wyniki badań prowadzonych w Instytucie Badań Systemowych PAN w

zakresie modelowania i sterowania wybranymi elementami miejskiego systemu wodno-
ściekowego. Prace te prowadzą docelowo do opracowania złożonego systemu
komputerowego do zarządzania i sterowania miejskim systemem wodno-ściekowym.
Prowadzone badania są oryginalnym wkładem Instytutu w dziedzinę zastosowań informatyki
i analizy systemowej w inżynierii i ochronie środowiska.

Do szczególnie interesujących wyników należy zaliczyć:
− opracowanie i kalibrację modelu fizykalnego rzeczywistej mechaniczno-

biologicznej oczyszczalni ścieków

− opracowanie koncepcji systemu komputerowego sterowania oczyszczalnią na

podstawie zróżnicowanych funkcjonalnie modeli matematycznych

− opracowanie modeli matematycznego sieci wodociągowej umożliwiającego

statyczne i dynamiczne obliczenia hydrauliczne sieci

− opracowanie koncepcji i uruchomienie zintegrowanego systemu komputerowego

sterowania siecią wodociągową, złożonego z systemu GIS, systemu monitoringu
oraz modelu hydraulicznego sieci.