Статья: К вопросу оснащения пунктов водоучета средствами телеметрии

Научный журнал Российского НИИ проблем мелиорации, № 3(39), 2020 г., [140-153]

Российский научно-исследовательский институт проблем мелиорации

К вопросу оснащения пунктов водоучета средствами телеметрии

А.П. Васильченко, А.Е. Шепелев, А.М. Кореновский

Наиболее важным аспектом решения проблем ресурсосбережения, в частности водосбережения, выступает создание единой информационной системы, позволяющей вести автоматический учет водопотребления и осуществлять автоматическое регулирование режимов работы систем [1].

В настоящее время для решения проблем водосбережения разрабатываются и внедряются программы по установке средств телеметрии воды на пунктах водоучета на мелиоративных системах [2, 3]. В целях осуществления диспетчеризации в различных областях интенсивно применяются SCADA-системы [4].

SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition) - диспетчерское управление и сбор данных [5]. SСАDА-системы позволяют реализовать все основные функции визуализации измеряемой и контролируемой информации, передачи данных и команд системе контроля и управления. Поэтому в настоящее время SСАDА-системы являются основным и наиболее перспективным методом автоматизированного управления технологическими процессами [6, 7].

С помощью программных средств телеметрии возможно не только оперативно, но и в долгосрочной перспективе осуществлять анализ динамики измеряемых процессов, в т. ч. с подготовкой необходимых отчетов. При этом наглядное отображение значений всех измеряемых параметров выводится непосредственно на монитор компьютера [8, 9].

Появляется возможность непосредственно с рабочего места диспетчера управлять объектами, в режиме реального времени наблюдать за изменениями в результате оперативного вмешательства, круглосуточно записывать показания приборов. Кроме того, полученные корреляционные зависимости изменения контролируемых параметров можно использовать для дальнейшего анализа.

Преимущества введения системы телеметрии и комплексной информатизации диспетчерской службы проявляются уже на начальном этапе практической эксплуатации. Поэтому внедрение таких разработок (в совокупности с современными технологическими достижениями в области измерительной техники и метрологии) позволит реализовать качественно новый подход к мониторингу пунктов водоучета на мелиоративных системах.

Целью данной работы является выбор оптимального варианта оснащения пунктов водоучета средствами телеметрии на основе информационной и имитационной моделей функционирования этих пунктов водоучета с использованием целевой функции.

Материалы и методы. Проведенные исследования строятся на применении информационно-аналитических методов, математических зависимостей и вероятностно-экономических расчетов.

К исходным переменным информационной модели функционирования пунктов водоучета при оснащении их средствами телеметрии относятся расход воды, прошедший по каналу в пункте водоучета, площадь сечения русла канала, скорость и глубина потока, время, коэффициенты расхода и шероховатости канала, а также величина открытия затвора на пункте водоучета [8].

Общая зависимость информационной модели [10] может быть представлена в виде:

,

где - расход воды, м3/с;

- площадь сечения русла, м2;

- скорость потока, м/с;

- глубина потока, м;

- время, с;

- коэффициент расхода;

- коэффициент шероховатости;

- величина открытия затвора, м.

В соответствии с зависимостью (1) модели функционирования пунктов водоучета при их эксплуатации должны выполняться следующие соотношения:

- по расходу воды:

, ;

- по площади сечения русла:

, ;

- по скорости потока:

, ;

- по глубине потока:

, ;

- по времени:

, 10…30 с;

- по коэффициенту расхода:

, ;

- по коэффициенту шероховатости:

, ;

- по величине открытия затвора:

, ,

где - функция эффективности функционирования по соответствующим показателям;

и - расчетный и заданный проектный расход воды, м3/с;

и - расчетная и заданная проектная площадь сечения русла, м2;

и - расчетные и заданные проектные скорости потока, м/с;

и - расчетные и проектные глубины потока, м;

- время между измерениями. Задается 10-30 с;

и - расчетное и проектное значение коэффициента расхода;

и - расчетное и проектное значение коэффициента шероховатости;

и - расчетные и проектные величины открытия затвора, м;

, , , , , , - коэффициенты допустимого снижения нормативных показателей.

Оценив факторное пространство рядом кодируемых переменных, можно построить модель эффективности оценки количественных и качественных факторов второго порядка (расход, уровень, скорость и др.), воздействующих на факторы первого порядка (техническое состояние пункта водоучета, способ водоизмерения и др.) [11, 12].

Для поиска оптимального решения вопроса безопасного функционирования пункта водоучета данную классификацию факторов можно считать более удобной по сравнению с общепринятым делением их на управляемые и неуправляемые. На основе иерархической модели нами был получен список управляемых факторов, максимальные и минимальные значения которых являются критериями.

Как имитационная модель многокритериальная задача [10] может быть задана следующим видом:

где - векторная функция векторного аргумента , которую можно представить как , где - скалярные функции векторного аргумента , каждая из которых является математическим выражением одного критерия оптимальности;

- множество допустимых решений.

В связи с тем, что используется векторная целевая функция при применении данной модели, она может именоваться как задача векторной оптимизации [13].

Суть данной задачи заключается в определении такого ее вероятного решения, т. е. , которое позволит в этом или же ином значении максимизировать (минимизировать) значения всех целевых функций . Найти решение, которое будет максимизировать все целевые функции, возможно только в исключительно редких случаях. Таким образом, при решении подобных задач следует акцентировать внимание на предварительном определении параметров самого предпочтительного решения, т. е. используемом принципе оптимальности [10].

При этом задача векторной оптимизации не имеет строго математического решения. Поэтому при решении той или иной задачи следует пользоваться вспомогательной информацией, полученной от эксперта, имеющего познания в данной области. Этого эксперта принято называть decision maker, что в переводе с английского означает «лицо, принимающее решение» (ЛПР). Из этого следует, что каждый эксперт при использовании разных источников информации для решения поставленной задачи в целом будет получать разные результаты [11, 14, 15].

Если проанализировать функции и входящие в них переменные, многокритериальная задача построения имитационной модели эффективности функционирования пунктов водоучета, оснащенных средствами телеметрии, может быть сформулирована в виде:

где - прибыль, млн руб.;

- сумма годовой прибыли от эксплуатации пунктов водоучета, млн руб./год;

- индекс соответствующих затрат, прибылей и ущербов в границах расчетного варианта;

- затраты, млн руб.;

- сумма годовых приведенных затрат на эксплуатацию пунктов водоучета для каждого варианта расчета, млн руб./год;

- сумма возможного ущерба от вероятных рисков, связанных с точностью водоизмерения на пунктах водоучета, млн руб.;

- риски, связанные с уменьшением точности измерений из-за неудовлетворительного технического состояния пунктов водоучета;

- ущербы, связанные с уменьшением точности измерений из-за неудовлетворительного технического состояния пунктов водоучета, млн руб.;

- сумма затрат на оснащение пунктов водоучета средствами телеметрии, млн руб.;

- сумма затрат на проектирование реконструкции пунктов водоучета для оснащения средствами телеметрии, млн руб.

Бесспорно, все входящие в данную систему переменные имеют положительный знак. водоучет телеметрия имитационный целевой

Из всего этого следует, что многокритериальная задача построения имитационной модели сводится к двум задачам, которые описываются соответствующими функциями: определение оптимального варианта оснащения пунктов водоучета средствами телеметрии с максимумом прибыли и минимумом затрат.

Результаты и обсуждение. Для выбора оптимального варианта оснащения пунктов водоучета средствами телеметрии возможно использование следующей общей зависимости при условии ее максимизации:

.

При расчете по зависимости (2) для оснащения пунктов водоучета средствами телеметрии возможны следующие варианты:

- строительство пунктов водоучета, оборудованных современными средствами телеметрии;

- полная замена средств телеметрии на пунктах водоучета;

- частичная замена средств телеметрии на пунктах водоучета;

- реконструкция пунктов водоучета;

- эксплуатация пунктов водоучета без использования средств телеметрии.

В качестве примера расчета оснащения пунктов водоучета средствами телеметрии нами было условно принято 10 пунктов водоучета на Райгородской оросительной системе ФГБУ «Управление «Волгоградмелиоводхоз».

Рассматривалось пять вариантов оснащения пунктов водоучета средствами телеметрии:

- вариант 1 - без оснащения;

- вариант 2 - оснащено три пункта водоучета;

- вариант 3 - оснащено пять пунктов водоучета;

- вариант 4 - оснащено семь пунктов водоучета;

- вариант 5 - оснащение всех 10 пунктов водоучета.

План водопользования нами был принят равным 168,77 млн м3.

Стоимость поданного 1 м3 воды - 1,56 руб.

Сумма годовых приведенных затрат на эксплуатацию для всех вариантов была равна 0,18 млн руб./год.

Риски, связанные с уменьшением точности измерений из-за неудовлетворительного технического состояния пунктов водоучета, рассчитывались по формуле:

,

где - количество пунктов водоучета, оснащенных системой телеметрии, шт.;

- общее количество пунктов водоучета, шт.

Ущербы, связанные с уменьшением точности измерений из-за неудовлетворительного технического состояния пунктов водоучета, условно были приняты в размере 1,5 млн руб./год.

Каждый пункт водоучета, оснащенный системой телеметрии, уменьшает ущербы на 0,1 млн руб./год.

Средняя сумма затрат на оснащение одного пункта водоучета системой телеметрии условно принималась равной 0,16 млн руб.

Сумма затрат при проектировании одного пункта водоучета при оснащении системой телеметрии равна 25 % от суммы затрат на его оснащение.

Пример расчета по зависимости (2) представлен в таблице 1. Расчетный период эксплуатации оросительной системы нами был принят равным одному году.

Из данных графика видно, что оптимальным вариантом оснащения пунктов водоучета средствами телеметрии является вариант 4, т. е. экономически целесообразно оснащение семи пунктов водоучета из 10 планируемых при сроке окупаемости данного мероприятия, составляющем один год.

Таблица 1 - Пример выбора оптимального варианта оснащения пунктов водоучета средствами телеметрии

По полученным данным таблицы 1 нами был построен график выбора оптимального варианта оснащения пунктов водоучета средствами телеметрии (рисунок 1).

Рисунок 1 - График выбора оптимального варианта оснащения пунктов водоучета средствами телеметрии

Выводы

Многокритериальная задача построения имитационной модели сводится к определению оптимального варианта оснащения пунктов водоучета средствами телеметрии с максимумом прибыли и минимумом затрат.

Для принятия правильного решения об оснащении пунктов водоучета средствами телеметрии в каждом конкретном случае необходимо: