Koncepcja budowy systemu GIS i modelu hydraulicznego sieci wodociągowej
Zamawiający: Przedsiębiorstwo Komunalne w Czarnej Białostockiej sp. z o.o.
Wersja 1.1 Aktualność: 30 października 2015 r. Metryka Dokumentu
Zawartość dokumentu:
Koncepcja budowy systemu GIS i modelu hydraulicznego sieci wodociągowej na zlecenie Przedsiębiorstwa Komunalnego w Czarnej Białostockiej sp. z o.o. zgodnie z umową nr 1/GIS/2015 z dnia 19 października 2015 r.
Podmiot opracowujący:
Zespół GIS i modelowania matematycznego AquaRD sp. z o.o. ul. Złota 61/100, 00-819 Warszawa tel.: 222578774, fax:222578776 www: http://aquard.pl, e-mail: [email protected]
Spółka wpisana do Rejestru Przedsiębiorców prowadzonego przez Sąd Rejonowy dla m. st. Warszawy, XII Wydział Gospodarczy Krajowego Rejestru Sądowego pod numerem KRS 0000159597
NIP 525-22-62-044, REGON 015445911 kapitał zakładowy 687 500,00 zł w całości opłacony
Historia zmian:
Wersja Data wydania Autor zmian Opis zmian
1.0 2015-10-21 Jakub Bobrowski Utworzenie dokumentu
1.1 2015-10-30 Jakub Bobrowski Przegląd i uzupełnienie dokumentu
Zatwierdzenie dokumentu:
………………………………………….. ………………………………………… ……………………………………………. data podpis pieczęć firmowa
Strona 2 z 26 Spis treści
I. Informacje wstępne ...... 4 1.1. Cel powstania koncepcji ...... 4 1.2. Zakres koncepcji ...... 4 1.3. Skrócona charakterystyka Zamawiającego ...... 5 1.3.1. Podstawy działania ...... 5 1.3.2. Skrócony opis infrastruktury ...... 5
II. Logiczny model danych ...... 7 2.1. Model danych przestrzennych ...... 7 2.1.1. Podstawy teoretyczne ...... 7 2.1.2. Modelowanie obiektów ...... 7 2.2. Model danych do obliczeń hydraulicznych ...... 13 2.2.1. Podstawy teoretyczne ...... 13 2.2.2. Modelowanie obiektów ...... 13 2.3. Powiązanie modelu GIS i modelu matematycznego ...... 15
III. Zakres danych ...... 16 3.1. Zakres danych źródłowych i koncepcja zasilenia systemu danymi ...... 16 3.1.1. Zakres danych źródłowych ...... 16 3.1.2. Założenia do procesu zasilenia systemu GIS danymi ...... 16 3.1.2. Minimalne wymagania w zakresie danych do modelu matematycznego ...... 17 3.2. Rzeczywiste pomiary na sieci oraz kalibracja i weryfikacja wyników ...... 18 3.2.1. Kampania pomiarowa ...... 18 3.2.2. Kalibracja i weryfikacja wyników ...... 18
IV. Opis oprogramowania ...... 20 4.1. Opis oprogramowania GIS ...... 20 4.2. Opis oprogramowania do modelowania ...... 21
V. Architektura systemu ...... 24
VI. Szkolenia użytkowników...... 26
Strona 3 z 26 I. Informacje wstępne
1.1. Cel powstania koncepcji
Celem powstania niniejszej koncepcji jest wskazanie danych (o sieci wodociągowej i kanalizacyjnej oraz ich obiektach), metod i procedur, a następnie zdefiniowanie sposobu ich wykorzystania przez Przedsiębiorstwo Komunalne w Czarnej Białostockiej sp. z.o.o (zwanej dalej Zamawiającym): do podejmowania decyzji (z wykorzystaniem oprogramowania GIS) do nadzoru, planowania i reagowania kryzysowego (na podstawie obliczeń modelu komputerowego sieci).
1.2. Zakres koncepcji
Koncepcja prowadząca do budowy systemu informacji przestrzennej (zwanego dalej: GIS) i modelu hydraulicznego sieci wodociągowej obejmujących w swym zakresie zagadnienia związane z zebraniem i usystematyzowaniem danych o sieci wodociągowej i kanalizacyjnej oraz ich obiektach zakładała opis, wymaganych przez zamawiającego, następujących zagadnień: a. Zebranie i wprowadzenie danych do baz danych GIS, b. Dostarczenie oprogramowania, wykonanie modelu, przeprowadzenie kampanii pomiarowej w celu uzyskania danych referencyjnych, kalibracja i weryfikacja modelu, c. Zakres szkolenia pracowników Zamawiającego; d. Dostarczenie oprogramowania do modelowania sieci wodociągowej, ewentualnego oprogramowania pomocniczego, jeżeli nie jest w nie wyposażona standardowo aplikacja do modelowania (np. do obróbki danych, edycji, porównywania oraz analizowania ciągów pomiarowych). e. Zakres założeń analizy pracy sieci wodociągowej na podstawie opracowanego modelu komputerowego systemu dystrybucji wody wraz z wytycznymi odnośnie działań inwestycyjnych i eksploatacyjnych, skutkujących poprawą jakości wody, usprawnieniem hydrauliki sieci, minimalizacją kosztów eksploatacyjnych i wskazaniem planowanych działań inwestycyjnych (np. doposażenie sieci wodociągowej w reduktory ciśnienia, stacje hydroforowe). Dodatkowo w ramach prac nad dokumentem koncepcja została uzupełniona o niezbędne elementy dopełniające wyżej wymienione zagadnienia obligatoryjne.
Strona 4 z 26 1.3. Skrócona charakterystyka Zamawiającego
1.3.1. Podstawy działania
Przedsiębiorstwo Komunalne w Czarnej Białostockiej działające na zasadzie Zakładu Budżetowego zostało powołane uchwałą nr XIX/59/91 Rady Miejskiej w Czarnej Białostockiej z dnia 7 maja 1991 r. na podstawie art. 18 ust. 2 pkt. 9 lit. i ustawy z dnia 8 marca 1990 roku o samorządzie terytorialny (Dz.U. nr 16 poz. 95). Na podstawie art. 23 Ustawy z dnia 20 grudnia 1996 roku o gospodarce komunalnej (Dz. U. nr 9 poz.43 z późn. zm.) oraz uchwał XI/79/03 z dnia 30.09.2003 r. i XV/112/04 z dnia 27 stycznia 2004 r. Rady Miejskiej w Czarnej Białostockiej Przedsiębiorstwo Komunalne Zakład Budżetowy Gminy Czarna Białostocka zostało przekształcone w jednoosobową spółkę z ograniczoną odpowiedzialnością. Z dniem 31 marca 2004 roku Spółka została zarejestrowana w Sądzie Gospodarczym Krajowego Rejestru Sądowego w Białymstoku pod numerem KRS 0000202586 i prowadzi działalność pod nazwą „Przedsiębiorstwo Komunalne” w Czarnej Białostockiej Spółka z ograniczoną odpowiedzialnością. Celem działania spółki jest m.in. realizacja obowiązków gminy w zakresie zbiorowego zaopatrzenia w wodę i odprowadzania ścieków komunalnych.
1.3.2. Skrócony opis infrastruktury
Na istniejącą infrastrukturę Gminy Czarna Białostocka składają się: system uzdatniania wody, sieć wodociągowa, oczyszczalnia ścieków, sieć kanalizacyjna. Gmina Czarna Białostocka zasilana jest z ujęcia w Czarnej Białostockiej, w Czarnej Wsi Kościelnej i w Niemczynie. System sieci wodociągowych jest podzielony na trzy strefy, które są zasilane z wyżej wymienionych ujęć wody. Ujęcie miejskie w Czarnej Białostockiej zasila w wodę sieć wodociągową w mieście Czarna Białostocka. Na terenie stacji wodociągowej zlokalizowane są dwie studnie głębinowe, budynek technologiczny oraz zbiorniki naziemne wody uzdatnionej. Woda po uzdatnieniu kierowana jest do dwóch zbiorników wyrównawczych. Ze zbiorników woda jest pobierana zestawem hydroforowym składającym się z sześciu pomp i kierowana do miejskiej sieci wodociągowej. Ujęcie wiejskie w Czarnej Wsi Kościelnej zaopatruje w wodę sieć wodociągową obejmującą: wieś Czarna Wieś Kościelna – ulice: Wesoła, Stawowa, Górna, Okrężna, Ustronie, Ratowiecka; wsie
Strona 5 z 26 Klimki, Ruda Rzeczka, Wólka Ratowiecka, Złotoria i Złota Wieś. Na terenie stacji wodociągowej zlokalizowane są dwie studnie głębinowe oraz budynek stacji uzdatniania wody wraz ze zbiornikami hydroforowymi. Ujęcie wiejskie w Niemczynie zaopatruje w wodę mieszkańców następujących miejscowości: Niemczyn, Oleszkowo, Chmielnik, Brzozówka Strzelecka, Brzozówka Ziemiańska, Brzozówka Koronna, Łapczyn, Zdroje, Jezierzysk, Osierodek, Kosmaty Borek, Karczmisko, Czarna Wieś Kościelna ulice: Szkolna, Piękna, Świętojańska, Szapela, Cicha, Sosnowa, Wierzbowa; Czarna Białostocka ulice: Wrzosowa i Fabryczna do Parku Maszynowego. Na terenie stacji wodociągowej zlokalizowane są dwie studnie głębinowe oraz budynek stacji uzdatniania wody z hydrofiltrem. Sieć wodociągowa na terenie gminy na koniec 2014 r. miała długość 95 789 m. Na terenie gminy Czarna Białostocka wiele odcinków sieci wodociągowej, jak i kanalizacyjnej znajduje się w złym stanie technicznym, co powoduje awarie i przerwy w dostawie wody, jak również problemy z odbiorem ścieków od mieszkańców i przedsiębiorstw funkcjonujących na omawianym terenie. Część mieszkańców nadal zasila swoje domy w wodę ze studni kopanych lub wierconych. Sieć kanalizacyjna na terenie gminy na koniec 2014 r. miała długość 50 420 m. Na terenie gminy Czarna Białostocka znajduje się 27 przepompowni ścieków i 4 tłocznie. Wszystkie ścieki kierowane są na oczyszczalnię ścieków zlokalizowaną w Czarnej Białostockiej przy ul. Fabrycznej. Jest to oczyszczalnia typu SBR o przepustowości technologicznej Qdmax = 2 500 m3/d, Qhmax = 150 m3/h.
Strona 6 z 26 II. Logiczny model danych
2.1. Model danych przestrzennych
2.1.1. Podstawy teoretyczne
Model danych przestrzennych określa sposób odwzorowania obiektów świata rzeczywistego w aspekcie ich specyficznego kształtu, położenia w przestrzeni, a także istniejących między nimi relacji. Bazą do realizacji modelu jest użycie podstawowych elementów geometrycznych dających się wyróżnić ze względu na kryterium ilości ich wymiarów w przestrzeni. Dla zastosowań podstawowych przyjęło się korzystać z elementów zerowymiarowych (punktów), jednowymiarowych (linii) oraz dwuwymiarowych (obszarów) tworząc z nich obiekty proste – punktowe, liniowe lub powierzchniowe lub ze względu na specyficzne uwarunkowania obiekty złożone stanowiące zmultiplikowane obiekty typów podstawowych, np. obiekty powierzchniowe złożone z kilku rozłącznych obszarów oraz obiekty powierzchniowe zawierające w sobie inne obiekty powierzchniowe, których granice się nie przecinają. Ze względu na fakt, iż w świecie rzeczywistym obiekty tworzą miedzy sobą różne konfi- guracje zjawisk przestrzennych, istotnym elementem jest odwzorowanie wzajemnych relacji przestrzennych (topologicznych) pozwalające na znalezienie logicznych zależności pomiędzy obiektami i wyciąganie na ich podstawie wniosków. W przypadku modelu logicznego niezbędnego do odwzorowania sieci wodociągowej lub kanalizacyjnej niezbędne jest zastosowanie modelu wektorowego, który z definicji pozwala na jawne określenie geometrii obiektów sieci (opisane współrzędnymi wierzchołków obiektu) oraz ich bezpośrednie połączenie z atrybutami opisującymi ich charakterystyczne parametry. Opisywane wdrożenie wymaga ponadto, głównie do celów referencyjnych, zastosowania danych zapisanych w modelu rastrowym (zapisującego dane w postaci regularnych elementów powierzchniowych zwanych pikselami) – głównie dla materiałów pochodzących ze skanowania papierowych map i planów, a także zdjęć lotniczych, czy produktów powstałych w wyniku skanowania laserowego.
2.1.2. Modelowanie obiektów
Model danych GIS powinien składać się z klas (typów definiujących strukturę i zachowanie obiektów) pozwalających na odwzorowanie obiektów świat rzeczywistego, z podziałem na klasy modelu wektorowego i rastrowego. Model powinien definiować słowniki, punkty integracji z systemami informatycznymi Zamawiającego (baza danych wodomierzy, system SCADA, informacje o awariach) oraz zależności topologiczne pomiędzy obiektami.
Strona 7 z 26 1. Atrybuty klas obiektów Sposób pozyskania danych 1.1. Sieć wodociągowa Źródło danych 1.1.1. Przewód wodociągowy Status Rodzaj sieci 1.1.4. Armatura regulacyjna Funkcja przewodu Rodzaj armatury Długość Nastawa [m słupa wody] Długość obliczeniowa Średnica Materiał Sterowanie Średnica Napęd Grubość ścianki Stan Producent Producent Rok budowy Typ Sposób pozyskania danych Rok budowy Źródło danych Krzywa strat Status Opis dodatkowy 1.1.2. Przyłącze wodociągowe Sposób pozyskania danych Rodzaj sieci Źródło danych Długość Status Długość obliczeniowa 1.1.5. Punkt rozbioru wody Materiał Lokalizacja Średnica Numer eksploatacyjny Grubość ścianki Typ lokalizacji Producent Opis dodatkowy Rok budowy Sposób pozyskania danych Sposób pozyskania danych Źródło danych Źródło danych Status Status 1.1.6. Wodomierz 1.1.3. Armatura zaporowa Numer punktu rozbioru wody Rodzaj armatury Identyfikator w systemie Średnica bilingowym Materiał 1.1.7. Stacja hydroforowa Napęd Rodzaj sieci Stan Rodzaj stacji Producent Łączna wydajność pomp Typ Wydajność stacji Rok budowy Wydajność maksymalna stacji
Strona 8 z 26 Ciśnienie gwarantowane Poziom wody Ciśnienie rzeczywiste Poziom wody maksymalny Tryb pracy Producent Numer eksploatacyjny Numer eksploatacyjny Producent Minimalny poziom pracy Numer katalogowy Rzędna przelewowa Nastawa Rzędna dna Sposób pozyskania danych Rzędna góry Źródło danych Kształt zbiornika Status Armatura sterująca 1.1.8. Ujęcie wody Armatura upustowa Rodzaj sieci Krzywa objętości Rodzaj ujęcia Rok budowy Liczba studni głębinowych Sposób pozyskania danych Zatwierdzone zasoby Źródło danych Wydajność wg Pozwoleń Status wodnoprawnych 1.1.10. Hydrant Wydajność nominalna ujęcia Rodzaj hydrantu Numer eksploatacyjny Średnica Data ważności decyzji Producent pozwolenia wodno-prawnego Zasuwa Głębokość Numer eksploatacyjny Numer katalogowy Wydajność hydrantu Producent Pomierzone ciśnienie Rzędna zwierciadła statycznego Data pomiaru Rzędna zwierciadła Rok budowy dynamicznego Wysokość nasady Sposób pozyskania danych Uwagi Źródło danych Sposób pozyskania danych Status Źródło danych 1.1.9. Zbiornik Status Rodzaj sieci 1.2. Sieć kanalizacyjna Rodzaj zbiornika 1.2.1. Przewód kanalizacyjny Materiał Stan władania Metoda wykonania Rodzaj sieci Pojemność Długość
Strona 9 z 26 Długość obliczeniowa Rzędna włazu Materiał Rzędna dna Typ rury - połączeń Nawierzchnia Rodzaj przekroju Klasa włazu Szerokość (średnica) Rodzaj włazu Rzędna początku przewodu Data ostatniej wymiany włazu [m n.p.m.] Producent Rzędna końca przewodu Materiał studzienki [m n.p.m.] Funkcja studzienki Spadek w ‰ Geodezyjny numer studni Spadek wg projektu w ‰ Rok budowy Producent Sposób pozyskania danych Rok budowy Źródło danych Sposób pozyskania danych Status Źródło danych 1.2.4. Inne urządzenia kanalizacyjne Status Rodzaj sieci 1.2.2. Przyłącze kanalizacyjne Rodzaj urządzenia Numer eksploatacyjny Numer katalogowy Rodzaj sieci Producent Długość Numer eksploatacyjny Długość obliczeniowa Stan władania Średnica Data zainstalowania Producent Rok budowy Materiał Sposób pozyskania danych Stan władania Źródło danych Numer studzienki włączeniowej Status Ilość studzienek pośrednich 1.3. Inne obiekty Rok budowy 1.3.1. Pompa Sposób pozyskania danych Wydajność Źródło danych Wysokość podnoszenia Status Moc 1.2.3. Studzienka kanalizacyjna Obroty Numer eksploatacyjny Zasilanie Rodzaj sieci Numer eksploatacyjny Kształt studzienki Falowniki Rodzaj studzienki Monitoring pracy
Strona 10 z 26 Charakterystyka pompy Rodzaj AKP Sposób pozyskania danych Producent Źródło danych Miejsce instalacji Status Numer eksploatacyjny 1.3.2. Komora Numer węzła pomiarowego Rodzaj sieci Identyfikator systemu SCADA Kształt studzienki Sposób pozyskania danych Funkcja studzienki Źródło danych Materiał komory Status Rzędna włazu 1.3.4. Zdarzenie Rzędna dna Stan zdarzenia Długość Rodzaj sieci Szerokość (średnica) Typ zdarzenia Wysokość robocza Klasyfikacja zdarzenia Klasa włazu Opis zdarzenia Materiał włazu Numer zdarzenia Producent Treść zgłoszenia Numer eksploatacyjny Zgłaszający Umiejscowienie Data zgłoszenia Wyposażenie Przyjmujący zgłoszenie Rodzaj Klasyfikacja naprawy Typ Opis naprawy Numer Numer zlecenia Rok budowy Data interwencji Sposób pozyskania danych Wykonawca Źródło danych Data zakończenia naprawy Status Sposób pozyskania danych 1.3.3. Aparatura kontrolno-pomiarowa Źródło danych Rodzaj sieci
1.2. Zależności topologiczne Obiekt 1.3.4. Zdarzenie może być zależny od dowolnego obiektu. Pozostałe zależności opisano w tabeli nr 1.
Strona 11 z 26
Tabela nr 1: zależności topologiczne klas obiektów
Obiekt Obiekt zależny Typ zależności
1.1.1. Przewód wodociągowy 1.1.2. Przyłącze wodociągowe nadrzędny-podrzędny
1.1.1. Przewód wodociągowy 1.1.3. Armatura zaporowa nadrzędny-podrzędny
1.1.1. Przewód wodociągowy 1.1.4. Armatura regulacyjna nadrzędny-podrzędny
1.1.1. Przewód wodociągowy 1.1.7. Stacja hydroforowa nadrzędny-podrzędny
1.1.1. Przewód wodociągowy 1.1.8. Ujęcie wody nadrzędny-podrzędny
1.1.1. Przewód wodociągowy 1.1.9. Zbiornik nadrzędny-podrzędny
1.1.1. Przewód wodociągowy 1.1.10. Hydrant nadrzędny-podrzędny
1.1.1. Przewód wodociągowy 1.3.3. Aparatura kontrolno-pomiarowa nadrzędny-podrzędny
1.1.2. Przyłącze wodociągowe 1.1.3. Armatura zaporowa nadrzędny-podrzędny
1.1.2. Przyłącze wodociągowe 1.1.4. Armatura regulacyjna nadrzędny-podrzędny
1.1.2. Przyłącze wodociągowe 1.1.5. Punkt rozbioru wody nadrzędny-podrzędny
1.1.2. Przyłącze wodociągowe 1.1.10. Hydrant nadrzędny-podrzędny
1.1.5. Punkt rozbioru wody 1.1.6. Wodomierz nadrzędny-podrzędny
1.1.4. Armatura regulacyjna 1.3.3. Aparatura kontrolno-pomiarowa nadrzędny-podrzędny
1.1.8. Ujęcie wody 1.3.1. Pompa nadrzędny-podrzędny
1.1.8. Ujęcie wody 1.3.3. Aparatura kontrolno-pomiarowa nadrzędny-podrzędny
1.1.7. Stacja hydroforowa 1.3.1. Pompa nadrzędny-podrzędny
1.2.1. Przewód kanalizacyjny 1.2.2. Przyłącze kanalizacyjne nadrzędny-podrzędny
1.2.1. Przewód kanalizacyjny 1.2.3. Studzienka kanalizacyjna nadrzędny-podrzędny
1.2.1. Przewód kanalizacyjny 1.2.4. Inne urządzenia kanalizacyjne nadrzędny-podrzędny
1.2.2. Przyłącze kanalizacyjne 1.2.3. Studzienka kanalizacyjna nadrzędny-podrzędny
1.2.2. Przyłącze kanalizacyjne 1.2.4. Inne urządzenia kanalizacyjne nadrzędny-podrzędny
Strona 12 z 26 2.2. Model danych do obliczeń hydraulicznych
2.2.1. Podstawy teoretyczne
Sieć wodociągowa stanowi układ zależności, mający charakter grafu matematycznego składającego się z wielu krawędzi (połączeń pomiędzy obiektami) oraz wierzchołków (węzłów) dający się opisać układem nieliniowych równań algebraicznych. Elementami składowymi modelu są: źródła ciśnienia lub przepływu (pompy zasilające, przepompownie), sieć rurociągów o określonej strukturze przestrzennej i topologii, łącząca źródła wody z odbiorcami, oraz samych odbiorców determinujących zmienne w czasie zapotrzebowanie na wodę. W związku z faktem iż graf modelu hydraulicznego ma charakter przestrzenny, a atrybuty opisujące poszczególne rodzaje obiektów modelu występują w modelu GIS wprost (np.: topologia sieci, długość, wiek oraz średnice przewodów, a także parametry obiektów sterujących) lub pośrednio (np.: chropowatość zastępcza) wskazane jest tworzenie grafu na podstawie danych systemu GIS.
2.2.2. Modelowanie obiektów
Model matematyczny powinien składać się z klas (typów definiujących strukturę i zachowanie obiektów) pozwalających na odwzorowanie obiektów świat rzeczywistego w formie grafu matematycznego. Istotnym elementem modelu jest wskazanie relacji pozwalających na tworzenia grafu w sposób zautomatyzowany. Model powinien być zgodny ze specyfikacją formatu wykorzystywanego do zasilania wejściowego aplikacji EPANET2. Model zgodny z EPANET musi definiować klasy obiektów fizycznych (dających się odwzorować na mapie) jak i obiektów nie fizycznych obejmujących dane projektowe i operacyjne. Obiekty można sklasyfikować w następujący sposób: 1. Węzły (Nodes) a. Złącza (Junctions) b. Rezerwuary (Reservoirs) c. Zbiorniki (Tanks) 2. Połączenia (Links) a. Rury (Pipes) b. Pompy (Pumps) c. Zawory (Valves) 3. Etykiety (Map Labels) 4. Wzorce czasowe (Time Paterns) 5. Krzywe (Curves)
Strona 13 z 26 6. Sterowanie (Controls) a. Proste (Simple Control) b. Oparte na regułach (Rule-based controls) Plik eksportowany z systemu GIS do aplikacji modelowania matematycznego musi być zgodny ze specyfikacją opisaną w Rozdział C.2 Dodatku C dokumentu Instrukcja obsługi programu EPANET 2 (EPANET 2 Users Manual). Aktualna wersja dokumentu dostępna jest na stronie internetowej pod adresem: http://www2.epa.gov/water-research/epanet Wymagane do integracji aplikacji relacje pomiędzy obiektami modelu GIS i modelu matematycznego zestawiono w Tabeli nr 2.
Tabela nr 2: Wymagane relacje pomiędzy modelami danych Nazwa typu Atrybuty obiektu Źródłowe obiekty modelu GIS obiektu Złącza Rzędna Przewód wodociągowy (geometria) (Junctions) Rozbiór wody Hydrant (geometria) Początkowa jakość wody Armatura zaporowa (geometria)
Ujęcia Wysokość hydrauliczna Ujęcie (geometria) (Reservoirs) Początkowa jakość Rzędna dna Średnica (lub kształt) Zbiorniki Początkowy poziom wody Zbiornik (geometria) (Tanks) Minimalny poziom wody Zbiornik (atrybuty: krzywa objętości) Maksymalny poziom wody Początkowa jakość wody Węzeł początkowy Węzeł końcowy Przewód wodociągowy (geometria) Średnica Rury (pipes) Przewód wodociągowy (atrybuty: Długość średnica, długość, wiek, materiał, stan) Współczynnik chropowatości Stan (otwarty, zamknięty) Węzeł początkowy Pompa (geometria) Pompy Węzeł końcowy Pompa (atrybuty: charakterystyka (pumps) Charakterystyka pompy pompy) Węzeł początkowy Węzeł końcowy Armatura zaporowa (geometria) Zawory Średnica Armatura zaporowa (atrybuty: typ, (Valves) Ustawienie średnica, ustawienie, stan, krzywa strat) Stan Pompa (atrybuty: charakterystyka Charakterystyka wydajności pompy pompy, krzywa sprawności) Krzywe Krzywa sprawności Zbiornik (atrybuty: krzywa objętości) (Curves) Krzywa objętości Armatura zaporowa (atrybuty: krzywa Krzywa strat strat)
Strona 14 z 26 2.3. Powiązanie modelu GIS i modelu matematycznego
Model danych GIS powinien uwzględniać konieczność eksportu przechowywanych danych do struktury zgodniej z modelem matematycznym opisanym w punkcie 2.2. Koncepcji. Eksport powinien mieć formę grafu sieci uzupełnionego o dodatkowe informacje niezbędne do działania modelu matematycznego: ciągi pomiarowe obiektów monitoringu (baza danych SCADA) z wybranego przez użytkownika okresu informacje o zużyciu wody w poszczególnych punktach rozbioru (baza danych systemu rozliczeń) z wybranego przez użytkownika okresu charakterystyki obiektów (parametry zbiorników, pomp, układów sterowania itp.) Schemat powiązań modelu zaprezentowano na Rysunku nr 1.
Rysunek nr 1: Schematyczne powiązanie modeli danych w ramach koncepcji
Baza pomiarów (SCADA)
Model Matematyczny System GIS
Baza zużycia wody
Strona 15 z 26 III. Zakres danych
3.1. Zakres danych źródłowych i koncepcja zasilenia systemu danymi
3.1.1. Zakres danych źródłowych
Źródłem danych przestrzennych i opisowych dla systemu informacji przestrzennej są: wektorowe mapy sieci wodociągowej i kanalizacyjnej znajdujące się w zasobach Zamawiającego, warstwy informacji przestrzennej w zakresie uzbrojenia terenu znajdujące się na mapie zasadniczej prowadzonej przez Powiatowy Ośrodek Dokumentacji Geodezyjnej i kartograficznej w Białymstoku, archiwa Zamawiającego zawierające papierową dokumentację z odebranych robót, protokoły awarii i napraw oraz inne dokumenty o charakterze mapowym w tym dokumentacja z przeprowadzonej inwentaryzacji aktywów wodociągowych, dane z istniejącej bazy danych Zamawiającego dotyczące zbytu wody oraz monitoringu parametrów sieci (SCADA), dokumentacja parametrów i charakterystyk urządzeń wykorzystywanych do sterowania działaniem sieci (zbiorniki, pompy itp.).
3.1.2. Założenia do procesu zasilenia systemu GIS danymi
Wykonawca zgromadzi informacje o sieci wodociągowej i kanalizacyjnej oraz ich obiektach pozyskanej ze źródeł wskazanych w punkcie 3.1.1. Koncepcji. Na podstawie zebranych danych, utworzy właściwe warstwy sieci uzbrojenia zgodne ze wskazanym modelem z uwzględnieniem poniższych czynności: uzupełnienie przebiegu brakujących segmentów sieci i lokalizacji obiektów punktowych; utworzenie warstwy punktów rozbioru wody; przypisanie do każdego punktu rozbioru, obiektu z systemu bilingowego Zamawiającego oraz punktu adresowego lub numeru działki ewidencyjnej zgodnego z ewidencją gruntów i ewidencją numeracji adresowej. zapewnienie odpowiedniego podziału odcinków sieci wodociągowej i kanalizacyjnej, np. miejsc rozgałęzień przewodów i w miejscach lokalizacji zasuw, na podstawie dokumentacji źródłowej; utworzenie węzłów poprzez nadanie odpowiedniego, niepowtarzalnego identyfikatora; zachowanie topologii połączeń (dociąganie) pomiędzy obiektami i węzłami sieci;
Strona 16 z 26 Identyfikacja obszarów niezgodności w topologii sieci i ich korekta wraz z opisem rodzaju problemu; Wykorzystanie dokumentacji technicznej do wprowadzenia atrybutów opisowych obiektów sieci opisanych w modelu danych zgodnie ze słownikami przyjętymi w modelu danych
3.1.2. Minimalne wymagania w zakresie danych do modelu matematycznego
Dane zawarte w bazie danych GIS, stale aktualizowane, są źródłem zasilenia modelu matematycznego. Z pełnego zakresu danych znajdujących się w bazie GIS eksport do modelu powinien umożliwiać automatyczne przeniesienie a. następujących typów obiektów: średnice przewodów wodociągowych (od 80 mm i większe) - nominalne i wewnętrzne; materiał oraz chropowatość przewodów; długości przewodów (między poszczególnymi węzłami) w układzie trój- wymiarowym; a. uzbrojenia magistralnych przewodów wodociągowych: zasuwy (przepustnice), reduktory ciśnień, odwodnienia; b. uzbrojenia rozbiorczych przewodów wodociągowych: zasuwy, hydranty, reduktory ciśnień, zawory odwadniające na końcówkach przewodów wodociągowych; c. rzędnych terenu wzdłuż przewodów wodociągowych (w węzłach); d. rzędnych osi przewodów wodociągowych i magistralnych (w węzłach); e. miejsc włączeń przyłączy wodociągowych wraz z zagregowaną informacją o wielkości zużycia wody przez odbiorców podłączonych do tych przyłączy; f. przypisanych rozbiorów i strat wody, g. zamkniętych zasuwy na granicy stref zasilania, h. istniejące punkty monitoringu i. utworzenia warstwy projektowanych przewodów. Ponadto eksport danych powinien odwzorowywać Stacje Uzdatniania Wody, w zakresie następujących parametrów: wydajności poszczególnych SUW, charakterystyki poszczególnych pomp, wraz z reżimami, ciśnienie wyjściowe, pojemności i współpraca zbiorników wody czystej, poziomy wody w zbiornikach, zasady współpracy poszczególnych SUW. Eksport w zakresie zasuw i przepustnic powinien uwzględniać następujące parametry:
Strona 17 z 26 numer identyfikacyjny, średnica, stan otwarcia, współczynnik oporów lokalnych przepływu itp.
3.2. Rzeczywiste pomiary na sieci oraz kalibracja i weryfikacja wyników
3.2.1. Kampania pomiarowa
W celu zweryfikowania obliczeń modelu matematycznego niezbędne jest przeprowadzenie początkowej kalibracji modelu. Również po zmianach związanych z rozbudową lub istotną renowacją sieci należy dokonywać jego podobnej rekalibracji. Dane do kalibracji powinny być dostarczane do modelu z systemu monitoringu, a także powinny być pozyskane w wyniku kampanii pomiarowej przeprowadzonej na sieci wodociągowej (szczególnie w przypadku obszarów o niewystarczająco zagęszczonej sieci monitoringu. Dla pomiarów ciśnienia sugeruje się zastosowanie autonomicznych, programowalnych rejestratorów mikroprocesorowych zapewniających sekwencyjny pomiar i rejestrację ciśnienia oraz temperatury oraz ich zapis na nośniku pamięci. Urządzenia muszą posiadać stopień ochrony zapewniany przez obudowę na poziomie IP68 (zgodnie z normą: PN-EN 60529:2003). Wbudowany w urządzenie przetwornik ciśnienia musi zapewniać pomiar ciśnienia w zakresie od 0 do 16 bar z dokładnością ≤ 0,5% zakresu pomiarowego. Do pomiarów przepływu sugeruje się stosowanie istniejącej infrastruktury pomiarowej (przepływomierzy) lub w przypadku ich braku uzupełnienie najmniej ingerującymi w strukturę sieci przepływomierzy ultradźwiękowych podłączonych do rejestratorów mikroprocesorowych zapewniających sekwencyjny pomiar i rejestrację przepływu oraz zapis na nośniku pamięci. Rejestracja danych powinna odbywać się trybie cyklicznym lub liniowym z interwałem czasowym konfigurowalnym w zakresie 1 s do 31 dni z rozdzielczością 1 s. Urządzenia muszą zapewniać możliwość zapisu przynajmniej 86 400 rekordów. Do celów kalibracyjnych niezbędne jest dostarczenie danych ciśnienia i przepływu w wyznaczonych obszarach sieci, zbieranych w stałym interwale 10-minutowym, przy jednoczesnej synchronizacji czasu wszystkich urządzeń pomiarowych.
3.2.2. Kalibracja i weryfikacja wyników
Kalibracyjne ciągi pomiarowe wraz z opisem atrybutowym zgodnym z modelem danych powinny zostać zapisane w bazie danych oraz być dostępne z poziomu aplikacji GIS a za jego pośrednictwem umożliwiać tworzenie plików kalibracyjnych dla aplikacji do modelowania matematycznego.
Strona 18 z 26 Szacuje się, że liczba ciągów kalibracyjnych dla obszaru funkcjonalnego powinna pochodzić z nie mniej niż 30 punktów pomiarowych. Przyjmuje się, że maksymalna rozbieżność pomiędzy wartością wyliczoną a pomierzoną w ramach kampanii pomiarowej nie powinna być większa niż 5 % dla przynajmniej 80 % punktów kalibracyjnych.
Strona 19 z 26 IV. Opis oprogramowania
4.1. Opis oprogramowania GIS
Aplikacja GIS ma dostarczyć narzędzia do prowadzenia ewidencji sieci wodociągowej i kanalizacyjnej oraz ich obiektów. Wymagania funkcjonalne w zakresie oprogramowania GIS powinny uwzględniać: a) dostawę systemu do zarządzania infrastrukturą sieciową i oprogramowania bazodanowego wraz z instalacją i narzędziami do prawidłowego funkcjonowania i eksploatacji systemu, dającego możliwość wykonania pełnej ewidencji uzbrojenia sieci w rozbiciu na wszystkie podstawowe elementy sieci, a także dowolnych innych obiektów zdefiniowanych przez administratora systemu, b) możliwość prezentacji danych wektorowych oraz prezentację danych, mapowych podkładów rastrowych, ortofotomap oraz Numerycznych Modeli Terenu ze wskazanych lokalizacji na serwerze zasobów, c) możliwość prezentacji danych zawartych w podkładzie, w sposób dający się definiować przez użytkownika, d) możliwość prezentacji danych nie podlegających ewidencji geodezyjnej, takich jak: protokoły, plany, schematy, dane techniczne (np. data budowy, rodzaj materiału), e) zbieranie i prezentację danych na temat awarii, f) możliwość tworzenia map tematycznych z opcją wyświetlenia danych według wybranych atrybutów na mapie, g) możliwość wymiany danych z innymi systemami informatycznymi poprzez zastosowanie powszechnego formatu wymiany danych, h) możliwość wydruku map w dowolnym formacie, w dającej się definiować skali. i) wbudowane mechanizmy uzależnienia widoku mapy od skali widoczności oraz indywidualnych potrzeb użytkownika (ukrywanie obiektów), j) wykorzystanie posiadanej biblioteki graficznej z predefiniowaną symboliką gwarantującą prezentacje obiektów oraz pełną możliwość dodawania i edycji nowych elementów przez operatora bez konieczności ingerencji programistycznej i rozbudowy systemu, k) posiadać rozbudowane i łatwe w obsłudze narzędzia do wyszukiwania danych z bazy w oparciu o kryteria przestrzenne, klasyfikacyjne i opisowe, eksport raportów, wyników do aplikacji biurowych, edycję atrybutów oraz geometrii obiektów, l) definiowanie dowolnych etykiet dla obiektów wodno-kanalizacyjnych generowanych automatycznie na podstawie ich atrybutów,
Strona 20 z 26 m) przygotowywanie własnych konfiguracji danych i prezentacji tematycznych, n) możliwość zabezpieczania i udzielania pojedynczemu użytkownikowi (grupie użytkowników) dostępu do wybranego, ograniczonego zbioru na poziomie bazy danych oraz zabezpieczenia przed dostępem do danych osób nieuprawnionych, o) dostarczanie narzędzi edycji obiektów: wstawianie, przesuwanie, usuwanie całych obiektów lub ich wierzchołków, kopiowanie oraz przenoszenie obiektów z jednej warstwy do drugiej, łączenie obiektów, p) odpowiednie zabezpieczenie przed utratą danych, q) występowanie funkcjonalności wbudowanej lub wtyczki (plug-in) umożliwiających eksport grafu sieci do aplikacji modelowania matematycznego
4.2. Opis oprogramowania do modelowania
Model komputerowy musi być wykonany w oparciu o system GIS eksportujący strukturę sieci. Aplikacja do modelowania (klasy EPANET 2) powinna spełniać co najmniej następujące wymagania: a) możliwość wprowadzania dowolnych zmian w grafie sieci przy pomocy interfejsu graficznego użytkownika, b) prezentację wyników symulacji w postaci kolorowych kartogramów, możliwość stosowania kodu kolorów, grubości linii i wielkości punktów (węzłów) w zależności od: średnic rurociągów (kolor i grubość linii), wielkości przepływów (kolor i grubość linii), prędkości przepływu wody (kolor i grubość linii), ciśnień w węzłach (kolor i wielkość punktu-węzła), rozbiorów węzłowych (kolor i wielkość punktu-węzła), strat liniowych ciśnienia (kolor i grubość linii), źródła zasilania (kolor i wielkość punktu-węzła), wysokości ciśnienia (kolor oraz wielkość punktu-węzła), wielkości minimalnych i maksymalnych dla ciśnienia, natężenia przepływu, wieku wody itp. w zadanym przedziale czasowym (np. jednej doby), c) prezentację wyników symulacji w postaci opisowej (etykiet) dla dowolnego elementu sieci (odcinek, węzeł, zbiornik, pompa, itp.) dla dowolnie wybranych parametrów łącznie, np. prędkość przepływu i natężenie przepływu, d) prezentację wyników symulacji w postaci tabelarycznej dla dowolnie wskazanych grup, elementów w formie tabel segregowanych z uwagi na dany parametr, np. wysokość ciśnienia, e) prezentację wyników symulacji w postaci wykresów 2D i 3D,
Strona 21 z 26 f) generowanie dowolnych planów sytuacyjnych i profili przewodów, g) prezentację kierunków przepływu wody, h) lokowanie danych do przeprowadzonych symulacji na wskazanym serwerze w celu, umożliwienia wspólnego dostępu uprawnionych użytkowników, i) możliwość dokonywania zmian z automatyczną aktualizacją bazy danych, j) automatyczne obliczanie długości przewodów w układzie trójwymiarowym, k) eksport uzyskanych wyników lub pozostałych danych zamieszczonych w modelu do arkuszy kalkulacyjnych i baz danych celem dalszej obróbki, włączając w to definiowanie kolumn eksportu, l) możliwość identyfikacji stref zasilania z poszczególnych SUW, m) możliwość zadania zmiennego parametru wzorcowego dla węzła, n) Możliwość sprawdzenia poprawności grafu (topologii) sieci, o) animacja pracy sieci wodociągowej zgodnie z zadanym krokiem czasowym, p) animacja zmian w czasie (na wykresie) podstawowych wielkości wyliczanych przez aplikację, np. zmiana wysokości ciśnienia w czasie jednej doby dla wskazanego ciągu rur (przewodów wodociągowych), q) możliwość ustawienia parametrów pracy uzbrojenia sterującego hydrauliką, np. częściowo przymknięta zasuwa, reduktor (PRV) ze zmienną nastawą w czasie, r) możliwość dokonywania analiz porównawczych poszczególnych scenariuszy (wariantów pracy sieci wodociągowej) w formie graficznej i tabelarycznej, s) aplikacja musi umożliwiać odczytywanie różnych plików graficznych, jako geodezyjny cyfrowy podkład (wektorowe źródła danych - *.dxf, *.shp), jak również umożliwiać wczytanie odpowiednio skanowanych map zasadniczych, planów, ortofotomap w postaci rastrowej (pliki formatu *.bmp, *.jpg, *.tif (tiff), *.png, *.gif), Wynikowy model komputerowy systemu dystrybucji wody powinien umożliwić przede wszystkim: zarządzanie układem dystrybucji wody, podejmowanie właściwych decyzji dotyczących planowania modernizacji i rozwoju układu dystrybucji wody, właściwe działanie w sytuacjach awaryjnych, ustalanie zasięgu stref zasilania, dostęp do wszystkich ważnych dla systemu parametrów poprzez ich wizualizację graficzną i opisową, symulowanie normalnej i awaryjnej pracy systemu z uwzględnieniem prawidłowej i niezawodnej dostawy wody odbiorcom przy zaistniałych różnych warunkach (m.in.
Strona 22 z 26 w pracy awaryjnej, w czasie remontów sieci czy stacji strefowych, w czasie wyłączenia poszczególnych ujęć lub zmiany ich wydajności), modelownie wydzielonych układów dystrybucji wody w tym modelowanie pracy sieci wodociągowej i modelowanie jakościowe pracy sieci wodociągowej.
W ramach realizacji zadania należy przyjąć, że:
a) podstawowy model powinien być wykonany dla stanu istniejącego; b) do struktury sieci należy wprowadzić jako przewody projektowe (inne legendy) przewody uzgodnione na etapie projektu budowlano - wykonawczego oraz przewody projektowane; c) Wykonawca w ramach przedmiotu zamówienia przeprowadzi instruktaż stanowiskowy dla pracowników Zamawiającego; d) po zakończeniu szkoleń, Zamawiający będzie mógł samodzielnie użytkować, aktualizować, rekalibrować i rozbudowywać model w oparciu o przekazaną przez Wykonawcę wiedzę; e) Wykonawca dokona oceny wdrożonych i użytkowanych przez Zamawiającego systemów informatycznych pod kątem wykorzystania ich do rozbudowy, aktualizacji modelu; f) Wykonawca dokona podziału systemu wodociągowego na strefy dla potrzeb: monitoringu pracy sieci z uwzględnieniem bilansowania rozbiorów i strat w każdej ze stref, zarządzania ciśnieniem, zróżnicowania współczynników nierównomierności rozbiorów wody i udziału poszczególnych grup odbiorców.
Strona 23 z 26 V. Architektura systemu
Do działania systemu konieczny jest sprzęt komputerowy, a także sprzęt do przechowywania i udostępniania danych (serwer) połączone ze sobą w sieci komputerowej zapewniającej sprawną komunikację. Ze względu na specyfikę danych zaleca się umożliwienie dostępu do nich jak najszerszemu gronu pracowników, na różnych poziomach uprawnień edycyjnych. Schemat połączeń pomiędzy elementami systemu prezentuje Rysunek nr 2.
Rysunek 2: Połączenia pomiędzy elementami systemu
Strona 24 z 26 Wobec powyższego proponuje się zastosowanie architektury spełniającej poniższe kryteria: a) Dane przestrzenne zgodne z modelem danych powinny być przechowywane w dedyko- wanej bazie danych umożliwiającej na przechowywanie danych geometrycznych oraz powiązanych z nimi danych atrybutowych b) Dostęp do bazy danych określony powinien być na poziomie bazy danych przez administratora posiadającego możliwość ustanowienia odpowiednich poziomów uprawnień dla użytkowników: do odczytu danych do odczytu i edycji danych atrybutowych do odczytu i edycji danych geometrycznych i atrybutowych c) Dane rastrowe o charakterze podkładu mapowego powinny być udostępniane do aplikacji GIS za pośrednictwem usług sieciowych (WMS lub WMTS); źródło danych powinno pochodzić z serwera plików d) Dane o charakterze dokumentacyjnym (skany protokołów, schematów itp.) powinny być przechowywane na serwerze plikowym, a metadane dokumentów w strukturze bazy danych zgodnej z modelem. e) Komputery klienckie i serwer powinny być włączone do sieci komputerowej umożliwiającej swobodną wymianę danych pomiędzy nimi. f) Aplikacje GIS i aplikacja do modelowania zainstalowane na komputerach klienckich powinny mieć dostęp do zasobów serwera bazy danych i serwerowych zasobów plikowych. Aplikacja GIS powinna mieć możliwość łączenia się do zdefiniowanych przestrzennych usług sieciowych (min. WMS, WMTS i WFS) poprzez sieć Internet. g) Aplikacja GIS powinna za pośrednictwem bazy danych móc łączyć się z bazami danych w zakresie informacji o zużyciu wody oraz w zakresie pomiarów telemetrycznych poszczególnych elementów sieci wodociągowej i kanalizacyjnej.
Strona 25 z 26 VI. Szkolenia użytkowników
W ramach wdrożenia systemu niezbędne jest zaplanowanie i przeprowadzenie trzech typów szkoleń dla użytkowników obejmujących swoim zakresem treści minimalne: a) Szkolenie 1: Tworzenie i edycja danych przestrzennych Przegląd funkcjonalności aplikacji Tworzenie i edycja danych Zarządzanie danymi rożnych typów Podstawowe analizy przestrzenne Analizy przestrzenne specyficzne dla przedsiębiorstw wodociągowo- kanalizacyjnych b) Szkolenie 2: Podstawy użytkowania aplikacji do modelowania matematycznego Podstawy działania sieci hydraulicznych i ich odwzorowania w środowisku komputerowym Obsługa programu do modelowania – przegląd funkcji Ustawienie programu i parametrów pracy sieci Analiza funkcjonalności na przykładowych danych Tworzenie map, zestawień i wykresów c) Szkolenie 3: Modelowanie pracy systemów dystrybucji wody Tworzenie scenariuszy zachowania sieci Przygotowanie analiz jakości wody Symulacje zachowania sieci w trakcie pożaru (znaczny pobór z hydrantów) Optymalizacja czasu pracy pomp Obliczanie optymalnych parametrów dla projektowanych odcinków sieci
Strona 26 z 26