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Systems Research InstitutePolish Academy of Sciences

KÖLPINSEE 2011

Rechnerunterstützte Endscheidungshilfe für kommunale Wasserwerke mittels mathematischer Modelle, Krigingsapproximation und Optimierung

Jan Studzinski

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IBS PAN Warszawa

Inhalt:

•Einführung

•Konzept des rechnergestützten Wassernetzmanagements

•Bausteine des entwickelten Informationssystems

•Rechnerprogramme in den Informationssystemsbausteinen

•Kooperation von Rechnerprogrammen

•Entwickelte mathematische Modelle

•Ausgewählte Aufgaben vom System ausgeführt

•Schlussfolgerungen

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1. Einführung

Welttrend – Inbetriebnahme von integrierten Informationssystemen zum komplexen Management von kommunalen Wasserwerken, u.a. auch Wassernetzen

Integriertes System – besteht aus den zusammenarbeitenden Programmen, wodurch der Synergieeffekt entsteht

Komplexes Management – Ausführung durch das System der Aufgaben von der technischen wie auch organisatorischen Art

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Aktuelle und gemeine Praxis der Wasserwerksinformatisierung

Mangel an kompakten Systemen

Mangel an Programmintegrierung

Mangel an Handlungskomplexität der laufenden Programme

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Zustandsursachen

•Angst der Unternehmen vor den Forschungsarbeiten

•Ungewissheit hinsichtlich der zukünftigen Nutzen

•Hohe Kosten der geplanten Forschungsarbeiten

•Organisatorische Probleme

•Mangel an der erforderlichen Erfahrung

•Mangel an den geeigneten Förderprogrammen

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Struktur des integrierten Informationssystems

2. Konzept des rechnergestützten Wassernetzmanagements

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vv

Mathematische Modelle

Optimierungsalgorithmen

Approximationsalgorithmen

GIS-Datenbank

GIS CIS SCADA

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3. Bausteine des entwickelten Informationssystems

Das Informationssystem:

• hat eine offene Modularstruktur

• besteht aus den folgenden Bausteinen:

o GIS (Geographical Information System) – zur Herstellung der numerischen Karte des Wassernetzes

o SCADA (System of Control And Diagnostic Analysis) – zum Monitoring des Wassernetzes

o CIS (Customers Information System) – zur Erfassung der Daten von dem verkauften Trinkwasser

o mathematische Modelle und Algorithmen zur Simulation-, Optimierung-, Vorhersage- und Approximationsberechnungen

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4. Rechnerprogramme in den Informationssystemsbausteinen

Baustein: GIS • Rechnervisualisierung des Wassernetzes• Räumlich-tematische Analysen des Wassernetzes• Berechnung der Hochkoordinaten von Wassernetzknotenpunkten• Export von Wassernetzgraphen zum Wassernetzmodel

Baustein: SCADA• Visualisierung und Registrierung der Messdaten vom Wassernetz• Ausfindung von Wasserausläufen

Baustein: CIS• Registrierung von Wassernetzbenutzern und vom Wasserverkauf

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Baustein: Modelle und Rechenalgorithmen

• Hydraulische Modellierung (Mosuw-H)

• Kalibrierung des hydraulischen Models (Mosuw-K)

• Optimierung und Planung des Wassernetzes (Mosuw-O)

• Pumpensteuerung (Mosuw-P)

• Vorhersage der hydraulischen Wassernetzbelastung (IDOL)

• Planung des Monitoringssystems (Mosuw-M)

• Ausfindung und Lokalisierung von Havariefällen (Mosuw-A)

• Berechnung der Hochkoordinaten von Wassernetzknotenpunkten (Kripog)

• Herstellung der Karten von Fluss- und Druckverteilungen im Wassernetz (Kripow)

• Herstellung der Karten der Wassernetzempfindlichkeit gegen Havariefälle (Kripom)

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Programmsatz MOSUW

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Programmsatz Krigingsapproximation

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Programmsatz Prozessmodellierung

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5. Kooperation von Rechnerprogrammen

• Monitoring von Fluss- und Druckwerten des Wassers in bestimmten Wassernetzpunkten (SCADA)

• Hydraulische Berechnungen des Wassernetzes (GIS, CIS, Mosuw-H)

• Kalibrierung des hydraulischen Models (GIS, CIS, SCADA, Mosuw-K)

• Rechnervisualisierung des Wassernetzes (GIS)

• Ausfindung und Lokalisierung von Havariefällen (GIS, SCADA, CIS, Mosuw-A)

• Optimierung und Planung des Wassernetzes (GIS, CIS, Mosuw-O)

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• Steuerung des Wassernetzes (GIS, CIS, Mosuw-P)

• Registrierung von Wassernetzbenutzern und vom Wasserverkauf (CIS)

• Durchführung von räumlich-tematischen Analysen (GIS)

• Optimale Planung des Monitoringssystems (GIS, Mosuw-M, Kripom)

• Herstellung der Karten von Fluss- und Druckverteilungen des Wassers im Wassernetz (GIS, CIS, Mosuw-H, Kripow)

• Export von Wassernetzgraphen (GIS, CIS, Mosuw-H)

• Registrierung von Havariefällen (GIS)

• Berechnung von Hochkoordinaten der Wassernetzknotenpunkten

(GIS, CIS, Mosuw-H, Kripog)

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Synergieeffekt: Verbindung von mehreren Elementen gibt einen größeren Handlungseffekt als die einfache Summe von Effekten der einzelnen Elemente

Beispiele:

• Model-H: Hydraulische Berechnung des Wassernetzes• Optimierung: Berechnung von Min/Max einer Zielfunktion• Model-H + Optimierung: Hydraulische Wassernetzberechnung +

Optimierung und Planung des Wassernetzes + Wassernetzsteuerung + Kalibrierung des hydraulischen Models des Wassernetzes

• SCADA: Monitoring von Fluss- und Druckwerten des Wassers in bestimmten Messpunkten des Wassernetzes

• Model-H: Hydraulische Berechnung des Wassernetzes• SCADA + Model-H: Monitoring von Fluss- und Druckwerten + Hydraulische

Wassernetzberechnung + Ausfindung und Lokalisierung von Havariefällen

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6. Entwickelte mathematische Modele

• Hydraulische Modelle des Wassernetzes

• Modelle zur Vorhersage der hydraulischen Wassernetzbelastung

• Modelle zur Vorhersage der Wasseraufnahme in typischen Wassernetzknoten

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Model OHIO mit der Markierung von Wasserdruckwerten in den Wassernetzknoten

Hydraulische Modelle des Wassernetzes

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Model Mosuw-H mit der Markierung von Flussrichtungen in den Wassernetzleitungen

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Neuronalmodel MLP 7-10-1

30000,00

32000,00

34000,00

36000,00

38000,00

40000,00

42000,00

1 6 11 16 21 26 31 36 41 46 51 56 61 66 71 76 81 86 91 96 101 106 111 116

Zm.zal

1. MLP 7-10-1

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Modelle der hydraulischen Belastung des Wassernetzes

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Fuzzysatzmodel

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Zeitreihenmodel

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7. Ausgewählte Aufgaben vom System ausgeführt

Numerische Visualisierung des Wassernetzes

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GIS

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Visualisierung der Messpunkte des Monitoringssystems

SCADA

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Export des Wassernetzgraphes von GIS zum Wassernetzmodel

GIS + Mosuw-H

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Angegebene Zielfunktionen zur Optimierung des Wassernetzes

GIS + Mosuw-O (Optimierung und Planung)

26Resultate der Optimierung

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Festsetzung von Strängen zur Kalibrierung des Wassernetzmodels

GIS + SCADA + Mosuw-K (Modelkalibrierung)

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Angegebene Zielfunktionen zur Modelkalibrierung

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Verteilung des Wasserdruckes im Wassernetz

GIS + Mosuw-H + Kripow (Herstellung von Karten der Wasserdruckverteilung)

30Deckung des Wassernetzbereiches mit den Dreiecken

GIS + Mosuw-H + Kripog (Berechnung von Hochkoordinaten der Wassernetzknoten)

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Vergleich der Resultate von den Dreieck- und Krigingsalgorithmen

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8. Schlussfolgerungen

Ø Die Entwicklung von integrierten IT-Systemen zum komplexen Management von Wasserwerken ist zweckmäßig ( + / - )

Ø Die Anknüpfung einer engen Zusammenarbeit zwischen den Unternehmen und Forschungsanstalten ist erforderlich ( + / - )

Ø Die Anknüpfung einer engen Zusammenarbeit zwischen den Forschungsanstalten und IT-Firmen ist ratsam ( - )

Ø Der Austausch von Erfahrungen zwischen den Wasserwerken ist ratsam (+ / - )

Ø Die Unterstützung der Entwicklung von IT-Systemen für Wasserwerke und insbesondere für KMU mit passenden Förderprogrammen auf der nationalen, internationalen und europäischen Ebene ist erforderlich und notwendig (+ / - )

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Ich bedanke michfür Ihre Aufmerksamkeit