Статья

Гидравлические расчеты инженерных сетей как объектов геоинформационных систем

Основным этапом анализа режимов тепловых, газовых, водопроводных и напорных канализационных сетей является гидравлические расчеты. Страны СНГ и Прибалтики, в основном, используют гидравлические расчеты для тепловых сетей, что определяется принципами построения и правилами их эксплуатации. Исключительно все информационные системы по тепловым сетям будут ограничены в применении и не смогут рассматриваться серьезно, если в них нет гидравлических расчетов.

Раньше гидравлические расчеты муниципальных газовых, водопроводных и канализационных сетей использовали только проектные и научные организации, но на сегодняшний день немало внимания моделированию гидравлических режимов уделяют и эксплуатирующие организации.

Эксплуатационные службы инженерных сетей столкнулись с необходимостью создания единых баз данных, которые бы решают задачи создания электронных планов (ГИС верхнего уровня) и задачи технологические (гидравлические расчеты сетей). Только данный подход к информационному наполнению систем, сочетающийся с методами и алгоритмами прикладной математики позволяет рассматривать цифровую модель инженерных коммуникаций как объекте ГИС.

Гидравлический расчет. Что это?

Несомненно, в данной статье не будет идти речь о строгой математической задаче гидравлического расчета. Эти данные можно отыскать во многих источниках литературы данной предметной области. Более понятно и грамотно, чем в современной теории гидравлических цепей, написать просто невозможно. Для нас основным является то, результатом всякого гидравлического расчета всегда является потокораспределение. То есть по каждому участку сети находится расход транспортируемого продукта, а по каждому узлу сети - давление. А способы задания исходных данных могут достаточно сильно отличаться между собой. К примеру, при отсутствии в сети регуляторов (давления, расхода или температуры) задача гидравлического расчета сводится к системе нелинейных уравнений большой размерности. А линеаризация данной системы приводит к разреженной системе линейных уравнений со специфической структурой.  При наличии регуляторов задача значительно усложняется, так как к системе уравнений необходимо добавить еще и неравенства.

Для решения задач гидравлического расчета существует не так уж много методов, и они достаточно хорошо освещены и известны. Но развитие прогресса не остановить и уже три десятка лет ученые-конкуренты в данной области пытаются разработать более качественные алгоритмы и программною реализацию гидравлического расчета.

План инженерных коммуникаций и расчетная схема

Еще 30 лет назад были разработаны первые программы гидравлического расчета. Это произошло задолго до возникновения и массового распространения геоинформационных систем.

С появлением надежных и эффективные процедуры гидравлического расчета возникла необходимость разработки удобных пользовательских оболочек. Которые бы смогли выполнить следующие функции:

- первоначальный ввод исходных данных;

- контроль правильности исходных данных;

- отображение и анализ результатов расчета;

- корректировка исходных данных.

Изначально, чтобы получить требуемые результаты, необходимо было на бумаге начертить расчетную схему, затем составить таблицы участков, потребителей, насосных станций и регуляторов, ввести эти таблицы в компьютер, получить расчетные таблицы, нанести результаты расчета на расчетную схему, опять же на бумаге. Этот длительный процесс всегда сопровождался трудностями и допускался ряд ошибок, для устранения которых нужно было потратить массу времени и сил. Ситуация кардинально изменилась с появлением персональных компьютеров. Изменения произошли по двум направлениям:

1.                Хранение исходных и расчетных данных в стандартных реляционных базах данных, а не в различных двоичных файлах;

2.                Главным источником исходных данных и средством анализа результатов расчета стала расчетная схема, изображаемая теперь с помощью компьютера.

Практически одновременно с внедрением систем гидравлического расчета с графическим представлением расчетной схемы появляются и возможности разработки и использования систем паспортизации инженерных коммуникаций на основе электронных планов.

А так как любая из этих систем связана с огромными трудозатратами на создание и актуализацию базы данных, сразу же появились проблемы взаимодействия этих систем.

Методы отображения результатов гидравлического расчета

Для удобного предоставления результатов гидравлического расчета используются технологии, принятые в геоинформационных системах, хотя существует и ряд оригинальных методов визуализации. Основными вариациями являются:

1. Гидравлические справки об узлах и участках сети. На схеме сети отмечается нужный объект и в окне отображается справка, которая содержит гидравлические и технологические характеристики узла. Виды справок по необходимости можно настроить самостоятельно.

2. Генератор отчетов, содержащих гидравлические режимы узлов и участков. Зачастую, данные отчеты отображаются в виде таблиц, строками которой являются узлы, участки, потребители или насосные станции, а колонками - технологические и гидравлические параметры (расходы, давления, скорости и т.д.). Перечень колонок и условия отбора объектов настраиваются самостоятельно.

3. Тематические карты (схемы). Объекты сети выделяются с помощью разных графических средств (к примеру, цветом) в зависимости от задаваемых условий. К примеру, сети раскрашиваются по зонам давления, выделяются гидравлические нарушения, зоны застоя воды, отображаются направления потоков стрелками и пр.

4. Подписи результатов расчета на основной схеме сети. Доступны способы создания специальных надписей, связанных с объектами инженерной сети. Перечень выводимых параметров можно настроить самостоятельно. Такие надписи помещают в специальный слой, который может быть в любой момент отключен, чтобы не загромождать схему.

5. Построение пьезометрических графиков. Пьезометрический график отображает график изменения давления вдоль заданного пути. Для того чтобы построить пьезометрический график необходимо отметить на схеме сети необходимые узлы. При этом программа автоматически находит путь, соединяющий эти узлы, и формирует специальный документ - график, содержащий в очень удобной форме необходимую информацию о гидравлических режимах. Вдоль выбранного пути могут быть сформированы с помощью генератора отчетов произвольные таблицы, дополняющие пьезометрический график.