Inteligentny system zarządzania siecią w Wodociągach Miasta Krakowa

Dzięki temu zarządzanie przesuwa się z reakcji na wystąpienie incydentu w stronę prognozowania i uprzedzania ryzyka, innymi słowy zamiast odpowiadać na zdarzenia, przedsiębiorstwo wodociągowe potrafi je wyprzedzać. W efekcie maleje liczba zakłóceń dostaw, ograniczane są straty wody i energii, lepiej planuje się przestoje remontowe, a decyzje inwestycyjne można oprzeć na symulacjach obejmujących rozległy zestaw wariantów.

Najważniejsze elementy tej architektury to warstwa akwizycji i walidacji danych z czujników oraz systemów telemetrycznych zintegrowanych z modelami hydrodynamicznymi i bazą GIS oraz zasobami eksploatacyjnymi, a na końcu są interfejsy dla użytkowników, czyli operatorów, inżynierów, dyspozytorów, którzy na co dzień porządkują wyniki obliczeń i przekładają je na scenariusze operacyjne.

Wodociągi Miasta Krakowa SA (WMK SA) stanowią dobry przykład, jak taką architekturę wdrożyć w praktyce. Na bazie wieloletnich inwestycji w monitoring, modelowanie i integrację powstał spójny zestaw narzędzi. Obejmuje on szczegółowe modele sieci wodociągowej i kanalizacyjnej zasilane danymi z telemetrii i meteorologii, modele predykcyjne oraz system ostrzegania przed powodziami błyskawicznymi. Przyjęty sposób rozbudowy i integracji modeli z innymi już działającymi systemami oraz pracy w trybie online i real time przesądza o ich charakterze operacyjnym, a nie wyłącznie planistycznym.

Rozbudowa i zwiększenie funkcjonalności posiadanych modeli sieci wodociągowej i kanalizacyjnej

Dobrze skalibrowany model hydrauliczny pełni równocześnie funkcję mapy wiedzy o systemie i laboratorium do bezpiecznego testowania zmian. Z takiego laboratorium można korzystać zarówno w trybie offline, analizując warianty rozbudowy, jak i w trybie online, oceniając skutki nagłych zdarzeń lub planowanych wyłączeń. W praktyce to nie tylko przewidywanie wartości liczbowych, ale przekładanie symulacji na działania terenowe, które minimalizują skutki uciążliwe dla odbiorców i środowiska. W WMK SA tę logikę zastosowano konsekwentnie dla obu sieci: model wodociągowy służy do analizy pracy sieci wodociągowej, wydzielonych stref zasilania/ciśnienia, wieku wody, analizy skutków awarii/wyłączeń planowych, możliwości przyłączania nowych odbiorców, a model kanalizacyjny – do analizy pracy sieci kanalizacyjnej, określania jej przepustowości, oceny ryzyka podtopień i planowania rozwoju retencji. Oba są spięte z systemem informacji przestrzennej GIS, tak aby wyniki można było analizować w odniesieniu do konkretnej lokalizacji i infrastruktury.

Szczegółowy model wodociągowy

Szczegółowy model wodociągowy budowano etapami, rozpoczynając od wiernego odwzorowania topologii sieci, która obecnie znajduje się w systemie GIS WMK SA. Kluczowym krokiem była kampania pomiarowa i kalibracja na szerokim zbiorze punktów pomiarowych ciśnienia i przepływu, co zapewniło odpowiednią zgodność modelu z rzeczywistym zachowaniem sieci. Sieć zamodelowano jako układ obejmujący ponad 120 tys. węzłów oraz odcinków z uwzględnieniem średnic DN 32–1800. Całkowita długość odzwierciedlonej sieci wodociągowej to ponad 2000 km, 62 zbiorniki wodociągowe, 166 urządzeń pompowych/hydroforowych. Na potrzeby realizacji projektu z uwagi na różny charakter odbiorców za pomocą przepływomierzy wyznaczono 142 strefy o zmiennej dobowej charakterystyce poboru, a operacyjna logika sterowania została zapisana w regułach i nastawach, w tym w odwzorowaniu pracy falowników. Model obliczeniowy zasilono danymi bilingowymi i strefowymi histogramami zużycia ze SCADA, rozróżniając charakterystykę dni roboczych i wolnych, tak aby odzwierciedlić rytm życia miasta. W ramach kampanii pomiarowej zrealizowano pięć cykli, a każdy z nich składał się z dwóch etapów. Pomiary zostały przeprowadzone z podziałem na rejony Krakowa: Nowa Huta, Podgórze, Centrum. Największą trudnością było oddzielenie strefy Centrum od pozostałych źródeł w celu miarodajnego zbilansowania napływów w tym rejonie. Wymagało to zamknięcia szeregu zasuw w lokalizacjach, gdzie dochodzi do łączenia się kierunków przepływu (zanikanie prędkości). Taka metodyka umożliwiła odcięcie strefy Centrum bez znaczących zmian reżimu pracy sieci (zmiany kierunków przepływu), które mogłyby skutkować wydzielaniem się osadów wraz z czasowym pogorszeniem jakości wody.

Stabilność hydrauliczna wymagała sporych korekt, m.in. wprowadzenia zróżnicowanych współczynników chropowatości zależnych od materiału i wieku przewodu, a także korekty średnic obliczeniowych dla przewodów z tworzyw sztucznych według normatywów producentów. Wielkość współczynnika oparto na wartościach tablicowych zawartych w oprogramowaniu i zróżnicowano je, stosując cztery podstawowe przedziały wieku przewodów: młodsze niż 10 lat, pomiędzy 11 a 20 lat, 21 a 30 lat oraz starsze niż 30 lat. W poniższych przedziałach najczęściej występujące przewody/współczynniki chropowatości to żeliwo < 10 lat oraz tworzywa sztuczne < 10 lat.

Kalibrację wsparto testami hydrantowymi i pomiarami przepływu oraz ciśnienia, co łącznie dało zbiór porównawczy obejmujący ponad 450 punktów ciśnienia oraz przepływu wraz z realizacją testów hydrantowych. Dopiero po osiągnięciu zadanych wskaźników zgodności narzędzie uznano za wystarczająco wiarygodne do zastosowań planistycznych i operacyjnych. Wyniki z modelu są udostępniane w przeglądarce GIS, dzięki czemu użytkownicy wewnętrzni mogą przeglądać m.in. przedziały ciśnień, prędkości i przepływy, a także strefy zasilania – to pierwsza w kraju tak szeroka integracja danych hydraulicznych z GIS.

Z praktycznego punktu widzenia obliczenia na modelu hydraulicznym sieci wodociągowej są dziś warunkiem koniecznym przed większymi zamknięciami magistral. Pozwalają określić skalę i zasięg potencjalnych wahań ciśnienia, zaplanować płukanie, sprawdzić rozkład wieku wody oraz zasymulować wpływ alternatywnych scenariuszy. W obszarze inwestycji umożliwiają przygotowanie wariantów rozbudowy wraz z oceną wpływu na zasilanie poszczególnych stref i odbiorców hurtowych. W eksploatacji wspierają optymalizację nastaw, co wpływa na energochłonność układów pompowych. Po stronie informacji dla odbiorców obecność wyników w GIS pozwala odpowiadać na pytania o parametry hydrauliczne w konkretnym punkcie sieci bez długotrwałych analiz ad hoc. Wszystkie te zastosowania wynikają z jednej cechy: zaufania do kalibracji, na które zapracowano kampanią pomiarową i rygorem porównawczym. Za utrzymanie poprawności działania modelu w ramach WMK SA odpowiedzialny jest Dział Modelowania Systemów. Obecnie aktualizacja modelu odbywa się raz na kwartał, a następnie dane hydrauliczne integrowane są systemem PWD oraz GIS w przeglądarce.

Szczegółowy model kanalizacyjny 

Szczegółowy model kanalizacyjny opracowano jako układ zintegrowany, łączący reprezentację sieci sanitarnej i ogólnospławnej (1D) z numerycznym modelem terenu wraz z przeszkodami terenowymi, jak np. budynki, krawężniki, mury (2D), w którym w kanałach i urządzeniach odwzorowuje się warunki przepływu, a na powierzchni – spływy, akumulację w miejscach bezodpływowych i powroty do systemu. Dzięki temu dla określonych scenariuszy można śledzić rozwój zjawisk podczas deszczu, w tym wylewy na teren zurbanizowany, oraz analizować, jak zmienia się obciążenie przepompowni czy wykorzystanie retencji. 

W kalibracji wykorzystano rozbudowaną bazę pomiarową. Długość sieci kanalizacyjnej zaimplementowanej w modelu to ponad 71 tys. odcinków o łącznej długości ponad 1800 km, dla których wykonano 400 niestandardowych przekrojów kanalizacyjnych. Ponadto wykorzystano ponad 260 urządzeń pomiarowych używanych do kalibracji modelu, ponad 250 agregatów pompowych z zasadami sterowania i krzywymi wydajności pomp, 89 tys.zlewni hydrologicznych, 1100 specjalnie zaprojektowanych komór i zbiorników odwzorowanych na podstawie krzywych objętości, 163 urządzenia odprowadzające z uwzględnieniem szczegółów konstrukcji i ponad 60 tys. punktów bilingowych przypisanych do prawie 170 krzywych nieregularności przepływu. 

Tak przygotowane narzędzie umożliwia miarodajne badanie przepustowości oraz planowanie działań ograniczających ryzyko podtopień. Wyniki modelowania zasilają system informacji przestrzennej GIS, gdzie publikowane są m.in. wypełnienia i przepływy dla pogody bezdeszczowej oraz dla epizodów opadowych syntetycznych, a także potencjalne strefy zagrożenia powodziowego według zadanych prawdopodobieństw. Sposób udostępniania informacji ułatwia racjonalne planowanie nowych podłączeń i koordynację inwestycji w retencję. Co istotne, równolegle rozwijana jest sieć deszczomierzy, która dostarcza danych do kalibracji i oceny zdarzeń rzeczywistych. To rozwiązanie WMK SA zaczęły budować lata temu, dzięki czemu dysponują długą serią pomiarową. Sieć deszczomierzy to 32 obiekty rozmieszczone w zlewni miejskiej Krakowa, a odczyty wykorzystuje się nie tylko do integracji z modelami, ale także do współpracy z IMGW – PIB przy doskalowaniu prognoz: dane z prognoz pogody IMGW trafiają do systemu WMK SA, a dane z deszczomierzy do systemu IMGW.

Zastosowanie modelu 1D+2D ułatwia testowanie rozwiązań technicznych przed ich wejściem w fazę realizacji. Można sprawdzić efekty budowy zbiorników, wprowadzenia regulatorów przepływu, przekierowywania przepływów pomiędzy strefami czy sterowania retencją kanałową, zanim poniesie się koszty. Dodatkowo integracja z modułem ostrzegania przed powodziami błyskawicznymi pozwala operacyjnie reagować na prognozy krótkoterminowe.
Algorytmy real time sprawdzają prognozy pod kątem przekroczenia wartości progowych dla stref i wysyłają ostrzeżenia w przypadku spodziewanego naruszenia, a wyniki obliczeń są aktualizowane cyklicznie, aby objąć horyzont od 7 do 48 godzin do przodu.

Wprowadzenie dodatkowych pomiarów online w sieci wodociągowej i kanalizacyjnej 

Rozszerzenie monitoringu jest zawsze testem dojrzałości systemu. W krakowskiej spółce rozbudowa infrastruktury pomiarowej to nie tylko zwiększenie liczby punktów zbierających dane, ale i uspójnienie sposobu, w jakim dane trafiają do modeli, są walidowane i agregowane, a następnie wykorzystywane w decyzjach operacyjnych. Źródła obejmują m.in. system telemetryczny, dane z deszczomierzy i prognozy meteorologiczne, a także informacje bilingowe, które pomagają precyzyjnie rozłożyć pobory wody w czasie i przestrzeni. W warstwie organizacyjnej zbudowano procesy pozwalające na autokalibrację modeli online w trakcie rozpoczynania każdej kolejnej symulacji oraz definiowanie progów alarmowych, które przekładają wyniki symulacji na zrozumiałe komunikaty dla operatorów i dyspozytorów. Integracja obejmuje dane SCADA w bieżącym lub zadanym kroku czasowym oraz prognozy AROME i MERGE z systemu IMGW, jak również dane z wodowskazów na rzekach, a odczyty deszczomierzy są scalane w krótkich interwałach. 

W podejściu WMK SA charakterystyczne jest to, że pomiary nie działają w próżni. Trafiają do modułów modelowania w czasie rzeczywistym, do repozytoriów modeli i do platformy decyzyjnej. W praktyce oznacza to, że nowe urządzenie instalowane w terenie niemal od razu pracuje na wynik końcowy działania systemu. Takie spięcie znacząco skraca czas od zbierania danych do wnioskowania, a to w gospodarce wodociągowo-kanalizacyjnej decyduje o skuteczności. Jeśli prognoza przewiduje wzrost intensywności opadów w konkretnej strefie, system może zasymulować obciążenia jeszcze przed pojawieniem się czoła opadu, a służby terenowe otrzymują wskazówki, gdzie spodziewać się problemów z przepustowością. W części wodociągowej analogicznie można zawczasu oszacować wpływ planowanego wyłączenia na parametry w wybranych strefach i przygotować płukanie lub korekty nastaw.

Modele predykcyjne sieci wodociągowej i kanalizacyjnej 

Predykcja zmienia codzienność działów eksploatacji. W trybie online narzędzie nie tylko pokazuje stan bieżący, ale cyklicznie, w określonych interwałach czasu, uruchamia obliczenia dla horyzontu najbliższych godzin i dni. W Krakowie funkcje predykcyjne uwzględniają prognozy pogody, zasilają się danymi ze SCADA i korzystają z mechanizmów autokalibracji dla wybranych zdarzeń. Przekłada się to na wypełnienia kanałów i przewidywane podtopienia w horyzoncie kilku godzin. Dla sieci wodociągowej przewiduje się zmiany parametrów, łącznie z zachowaniem ciśnienia, przepływów i wybranych wskaźników jakościowych. Moduły ostrzegawcze analizują, czy spodziewane odchylenia przekroczą ustalone progi i w razie potrzeby generują powiadomienia. Predykcja dla kanalizacji skaluje się do 7 godzin, natomiast model wodociągowy pracuje online z prognozą do 7 dni. Prognozy meteorologiczne wprowadzane są w określonych oknach czasowych: AROME – 30 godzin co 8 godzin i MERGE – 8 godzin co 10 min, a dane z deszczomierzy integrowane są w krótkich, dwuminutowych interwałach, co zwiększa rozdzielczość i wiarygodność obliczeń.

Algorytmy uczenia maszynowego w sterowaniu retencją kanałową odpowiadają za dobór działań łagodzących skutki opadów. W praktyce polega to na analizie wielu scenariuszy testowych na historycznych i syntetycznych opadach, wyborze optymalnych ustawień i przeniesieniu wyników do operacyjnych reguł sterowania. Dzięki temu system nie tylko sygnalizuje zagrożenie, ale również proponuje reakcję w ramach przyjętych ograniczeń technicznych. Analizy online i offline łączą się w jednym środowisku, a wyniki symulacji można przeglądać przestrzennie, co ułatwia ocenę konsekwencji nie tylko na poziomie pojedynczego kolektora, ale całej strefy.

Predykcja wspiera także gospodarkę zasobami i energią. Jeżeli w najbliższych godzinach spodziewany jest spadek poboru wody w określonych strefach, model optymalnie ustawia pracę pomp i reduktorów, aby uniknąć nadmiernych wahań ciśnienia i niepotrzebnych strat. Jeżeli planowane jest wyłączenie, można przeprowadzić symulacje rozpięte na typowym rytmie dobowym i sprawdzić, jak zmieniają się prędkości w newralgicznych odcinkach, aby zapobiec zaleganiu i wtórnemu pogorszeniu jakości wody. W przypadku kanalizacji przewidywanie fali dopływu daje czas na wdrożenie działań rozkładających obciążenie, co z jednej strony zmniejsza ryzyko wylewów, a z drugiej chroni obiekty przed przeciążeniem. Ta sama logika odnosi się do komunikacji: im wcześniej wiadomo, gdzie i kiedy pojawią się odchylenia od normy, tym precyzyjniej można informować służby i odbiorców.

Coraz większa amplituda zjawisk atmosferycznych, od długich okresów niskich opadów po krótkie, bardzo intensywne epizody deszczowe, powoduje, że infrastruktura zaprojektowana do warunków średnich częściej styka się z warunkami skrajnymi. Odpowiedź techniczna nie może polegać wyłącznie na rozbudowie przekrojów. Musi obejmować inteligentne sterowanie, lepszą dystrybucję retencji, aktywne wykorzystanie danych i scenariuszy oraz integrację z planowaniem przestrzennym. W tym sensie przedstawiane tu rozwiązania wpisują się w kierunki rozwoju branży, gdzie wykorzystuje się modele 1D+2D, predykcję w horyzoncie operacyjnym i własne zasoby pomiarowe do podejmowania decyzji. Włączenie przez WMK SA własnej, rozbudowanej sieci deszczomierzy do procesu kalibracji i ostrzegania jest przykładem praktyki o wysokiej wartości dodanej. Jest to też zgodne z trendami europejskimi, gdzie rysują się dwie tendencje: postępująca integracja narzędzi inżynieryjnych i eksploatacyjnych w jednej platformie dostępnej dla dyspozytorów, służb terenowych, planistów oraz właśnie włączanie informacji klimatycznych do operacyjnego zarządzania, zwłaszcza w obszarze deszczy nawalnych i długotrwałych okresów bezopadowych.

Platforma Wspierania Decyzji

Na szczycie całej architektury jako najnowsze narzędzie wdrożone przez spółkę działa Platforma Wspierania Decyzji. Jej rola polega na tym, że udostępnia skończone, użyteczne funkcje użytkownikom o różnych potrzebach: dyspozytorowi, który śledzi stan sieci i prognozy, zespołowi operacyjnemu, który przygotowuje reakcje na zdarzenia, inżynierowi planującemu odciążenia, analitykowi odpowiadającemu na zapytania o warunki przyłączenia. Platforma agreguje wyniki modeli wodociągowych i kanalizacyjnych pracujących online, gromadzi cyfrowe scenariusze inwestycyjne, prezentuje analizy offline i online, a także pełni funkcję repozytorium modeli i interfejsu do danych zewnętrznych. Działają tu moduły ostrzegania, monitorowania strat wody, integracji danych SCADA i panel administratora do definiowania reguł alarmów. Wszystko to działa w trybie cyklicznych obliczeń, których wyniki są wizualizowane przestrzennie i udostępniane zgodnie z rolami użytkowników.

W odniesieniu do kanalizacji ważna jest funkcja ostrzegania przed powodziami błyskawicznymi, oparta na prognozach pogody i danych radarowych, która sprawdza przewidywany opad względem wcześniej obliczonych progów dla stref i wysyła ostrzeżenia w razie przekroczeń. W połączeniu z modułem sterowania retencją kanałową daje to możliwość nie tylko ostrzeżenia, ale podjęcia działań minimalizujących skutki. Ważna jest także funkcja symulowania rzeczywistych zdarzeń opadowych zarejestrowanych przez deszczomierze oraz autokalibracji modelu dla danego epizodu, co podnosi jakość prognoz i wniosków operacyjnych.

W części wodociągowej platforma pełni rolę panelu synoptycznego sieci. Operator widzi bieżące parametry, wyniki symulacji i prognozy, a moduł monitoringu strat wylicza wskaźniki i sygnalizuje odchylenia. System generuje raporty okresowe, archiwizuje obliczenia i sygnalizuje przekroczenia progów, także tych powiązanych z finansowymi wskaźnikami efektywności, co splata perspektywę techniczną z kontrolą kosztów. W codziennej pracy liczy się fakt, że służby terenowe mogą szybko ocenić konsekwencje proponowanych manewrów armaturą i informować mieszkańców, opierając się na symulacjach, a nie tylko na doświadczeniu.

Wreszcie platforma porządkuje wiedzę o koncepcjach rozwojowych. Repozytorium modeli umożliwia gromadzenie wariantów modernizacji i rozbudowy, nadawanie im statusów, grupowanie i porównywanie. Dzięki temu dyskusja o inwestycjach toczy się na wspólnych danych: można równolegle badać kilka ścieżek, mierzyć ich efekty w tych samych warunkach brzegowych i wybrać rozwiązanie najlepiej dopasowane do ograniczeń technicznych i finansowych. Pomocne są mechanizmy wyszukiwania i filtrowania scenariuszy oraz integracja repozytorium z modelami online, tak aby wyniki analiz offline były łatwo porównywalne z zachowaniem sieci w bieżącej eksploatacji.

Skala przedsięwzięcia ma znaczenie. Jak już powiedziano, model wodociągowy obejmuje ponad 2 tys. km sieci i szeroki zestaw obiektów technologicznych, model kanalizacyjny – ponad 1800 km wraz z opisanymi przepompowniami, regulatorami i zlewniami. Rozbudowana miejska sieć deszczomierzy oraz realizacja programu budowy narzędzi do pracy online i real time przekłada się na jakość kalibracji i wiarygodność prognoz. A im większa i lepiej opisana baza, tym szerszy zestaw decyzji można bezpiecznie oprzeć na wynikach modeli.

Podsumowując, system inteligentnego zarządzania siecią wodociągowo-kanalizacyjną w Krakowie łączy trzy poziomy: starannie skalibrowane modele szczegółowe, mechanizmy predykcyjne oparte na prognozach i danych rzeczywistych oraz platformę, która przekłada obliczenia na działania operacyjne i decyzje inwestycyjne. Wpisuje się to w europejski kierunek budowy smart water management, w którym dane, model i eksploatacja działają w jednym środowisku. Efektem jest większa odporność infrastruktury na zjawiska skrajne, lepsza efektywność energetyczna i bardziej adekwatne planowanie rozwoju. W praktyce oznacza to mniej zaskoczeń i więcej przewidywalności – cechy, które w branży wodociągowo-kanalizacyjnej są dziś kryterium profesjonalizmu.

https://wodociagi.krakow.pl