Система оценки водопритока
SYSTEM OF WATER INFLOW ESTIMATION

Изобретение относится к раздельным системам водоотведения, а именно к системам оценки баланса подачи и отведения воды, а также обнаружения негерметичности безнапорных трубопроводов систем водоотведения.
Известно «Устройство для автоматизированного обнаружения разрывов трубопроводов в системе канализации» (см. патент на полезную модель №86274, Рос. Федерация: МПК F17D 5/02 / Храменков С.В., Богомолов М.В., Пак В.Н., Зарудин В.М.; опубл. 27.08.2009), содержащее программный логический контроллер, автоматизированное рабочее место в местном диспетчерском пункте на канализационной насосной станции, автоматизированное рабочее место диспетчера в центральном диспетчерском пункте канализационной системы, датчики давления и расхода в трубопроводах, отсекающие задвижки с электроприводами трубопроводов, при этом контроль расхода сточной жидкости осуществляется по двум и более одновременно работающим напорным трубопроводам канализационной насосной станции, а контроль давления в напорных трубопроводах осуществляется при открытых секционных задвижках между напорными трубопроводами, причем датчики расхода и давления устанавливаются в камерах в начале напорных трубопроводов.
Недостатком указанного технического решения является ограниченная область применения, не позволяющая его использовать для обнаружения негерметичности безнапорных трубопроводов систем водоотведения, поскольку оно предназначено для обнаружения разрывов напорных трубопроводов канализационных насосных станций.
Наиболее близким аналогом к заявляемому изобретению служит изобретение по патенту «Система оценки баланса подачи и отведения воды мегаполиса» (см. патент 2 592 611, Рос. Федерация: МПК E03B 1/02, G06F 17/00 / Кармазинов Ф. В., Кинебас А.К., Мельник Е.А., Панкова Г.А., Ильин Ю.А., Игнатчик В. С., Игнатчик С.Ю., Куприянов А.Г.; опубл. 27.07.2016, Бюл. № 21), содержащая множество сетей водоснабжения, в состав которых включены узлы учета воды у абонентов со средствами вывода информации, и сетей водоотведения, в состав которых включены узлы учета расхода сточных вод и датчики количества атмосферных осадков. При этом:
датчики количества атмосферных осадков выполнены с возможностью определения интенсивностей дождей, сети водоснабжения и водоотведения разделены на зоны так, что зоны сетей водоснабжения совпадают с зонами сетей водоотведения, узлы учета расхода сточных вод установлены на выходе из каждой зоны водоотведения и дополнительно снабжены средствами вывода информации,
k
система снабжена блоком определения температуры наружного воздуха, блоком определения фактической производительности, по меньшей мере, одной локальной системы поверхностного стока мегаполиса, блоком определения водопотребления в зонах, к входу которого подключены выходы средств вывода информации узлов учета воды у абонентов, блоком определения водоотведения в зонах, к входу которого подключены выходы средств вывода информации узлов учета расхода сточных вод, блоком оценки объема атмосферных осадков в зонах, к входу которого подключены выходы датчиков количества атмосферных осадков, блоком оценки водоотведения в зонах от индивидуальных источников водоснабжения, по меньшей мере, одним датчиком уровня воды в водоеме мегаполиса, блоком формирования зональных баз данных, содержащих поля данных даты k, водопотребления , водоотведения , водоотведения от индивидуальных источников водоснабжения , уровней воды в водоеме мегаполиса Hk, объема атмосферных осадков, фактической производительности, по меньшей мере, одной локальной системы поверхностного стока, температуры наружного воздуха, к входу которого подключены выходы блока определения температуры наружного воздуха, блока определения фактической производительности, по меньшей мере, одной локальной системы поверхностного стока, блока определения водопотребления в зонах, блока определения водоотведения в зонах, блока оценки объема атмосферных осадков в зонах, блока оценки водоотведения в зонах от индивидуальных источников водоснабжения и, по меньшей мере, одного датчика уровня воды в водоеме мегаполиса, блоком первичной выборки данных из зональных баз данных по условию равенства нулю объема атмосферных осадков, к входу которого подключен выход блока зональных баз данных, блоком вторичной выборки данных из первичной выборки данных по условию положительной температуры наружного воздуха и равенства нулю фактической производительности, по меньшей мере, одной локальной системы поверхностного стока, к входу которого подключен выход блока первичной выборки данных, блоком третичной выборки данных из вторичной выборки данных по условию одновременного понижения/повышения уровня воды в водоеме мегаполиса и понижения/повышения водоотведения, к входу которого подключен выход блока формирования вторичной выборки данных, блоком оценки баланса, к входу которого подключен выход блока третичной выборки данных, при этом блок оценки баланса выполнен с возможностью формирования из третичной выборки данных множества n пар значений V =  -  -  и соответствующих им аргументов Hk, а также определения функции V=ƒ(H) притока воды из водоемов, которая в точках H1, …, Hk, …, Hn принимает значения, как можно более близкие к значениям V1, … Vk, …, Vn или равные этим значениям.
Для указанной системы характерны:
1. Низкая точность оценки баланса, т.к.:
50
100
- водопотребление в зонах определяется в блоке определения водопотребления в зонах путем суммирования информации узлов учета воды у абонентов этой зоны. В условиях больших населённых пунктов количество узлов изменяется от 50 до 1500. Вероятность того, что все они одновременно будут находиться в работоспособном состоянии очень маленькая. Например, если вероятность безотказной работы одного узла учета воды у абонента равна 0.99, то вероятность одновременной безотказной работы 50-ти таких узлов равна 0.99=0.6, а ста узлов – 0.99=0.36. По этой причине оцененное таким образом водопотребление в зонах почти всегда будет меньше суммы водопотребления абонентов;
- фактическое же водопотребление в зонах будет всегда больше суммы водопотребления абонентов, т.к. практически всегда имеют место потери воды при ее транспортировке по сети;
- зональные базы данных перед сведением баланса подвергаются трехкратным выборкам, которые более чем в два раза сокращают ее объем. После этого производится аппроксимация искомой зависимости, достоверность которой снижается при уменьшении количества исходных данных.
2. Ограниченная область применения, т.к. возможности системы ограничены сведением баланса и она не может быть применена при прогнозировании объемов водоотведения накануне неблагоприятных погодных условий (наводнений и нерасчетных дождей).
Задачей настоящего изобретения является повышение точности оценки баланса подачи и отведения воды и расширение области применения системы.
Поставленная задача решена так, что в известной системе, содержащей:
- множество сетей водоснабжения и водоотведения, разделенных на зоны так, что зоны сетей водоснабжения совпадают с зонами сетей водоотведения, в состав которых включены узлы учёта воды со средствами вывода информации;
- узлы учёта расхода сточных вод со средствами вывода информации, установленные на выходе из каждой зоны водоотведения;
- датчики количества атмосферных осадков;
- блок определения водопотребления в зонах, к входу которого подключены выходы средств вывода информации узлов учёта воды;
- блок определения водоотведения в зонах, к входу которого подключены выходы средств вывода информации узлов учёта расхода сточных вод;
- блок оценки объёма атмосферных осадков в зонах, к входу которого подключены выходы датчиков количества атмосферных осадков;
- блок оценки водоотведения в зонах от индивидуальных источников водоснабжения;
- по меньшей мере, один датчик уровня воды в водоёме населенного пункта;
- блок формирования зональных баз данных, содержащих поля данных даты k, водопотребления , водоотведения , водоотведения от индивидуальных источников водоснабжения , уровней воды в водоёме населенного пункта , объёма атмосферных осадков, к входу которого подключены выходы блока определения водопотребления в зонах, блока определения водоотведения в зонах, блока оценки объёма атмосферных осадков в зонах;
- блок оценки баланса, выполненный с возможностью формирования множества n пар значений  и соответствующих им аргументов , а также определения функции  притока воды, которая в точках  принимает значения, как можно более близкие к значениям  или равные этим значениям,
в соответствии с настоящим изобретением:
- узлы учёта воды установлены на входе в каждую зону водоснабжения;
- блок оценки объёма атмосферных осадков в зонах выполнен с возможностью оценки количества осадков  за сутки;
- блок оценки баланса выполнен с возможностью формирования множества n пар значений  и соответствующих им аргументов  из зональных баз данных, с возможностью определения  по зависимости , с возможностью формирования аргументов  в виде функции =;
- система дополнительно снабжена блоком ввода прогнозных значений объёма  атмосферных осадков в зонах, блоком ввода прогнозных значений уровней  воды в водоёме населенного пункта, блоком ввода прогнозных значений водопотребления  в зонах, блоком ввода прогнозных значений водоотведения от индивидуальных источников водоснабжения , блоком прогнозирования водоотведения, выполненным с возможностью оценки прогнозных значений  в зонах в виде , при этом выход блока формирования зональных баз данных соединен с входом блока оценки баланса, выходы блока ввода прогнозных значений объёма  атмосферных осадков в зонах, блока ввода прогнозных значений уровней  воды в водоёме населенного пункта, блока ввода прогнозных значений водопотребления  в зонах, блока ввода прогнозных значений водоотведения от индивидуальных источников водоснабжения  соединены с входом блока прогнозирования водоотведения.
Имеется вариант развития, когда блок оценки баланса выполнен с возможностью формирования аргументов  в виде функции = а*  +b*, где а, b – эмпирические коэффициенты.
Отличительными признаками заявляемой «Системы оценки водопритока» являются:
1. Установка узлов учёта воды на входе в каждую зону водоснабжения;
2. Выполнение блока оценки объёма атмосферных осадков в зонах с возможностью оценки количества осадков за сутки;
3. Выполнение блока оценки баланса с возможностью формирования множества n пар значений  и соответствующих аргументов  из зональных баз данных;
4. Выполнение блока оценки баланса с возможностью определения
;
5. Выполнение блока оценки баланса с возможностью формирования аргументов  в виде функции =;
6. Дополнительное снабжение системы блоком ввода прогнозных значений объёма  атмосферных осадков в зонах;
7. Дополнительное снабжение системы блоком ввода прогнозных значений уровней  воды в водоёме населенного пункта;
8. Дополнительное снабжение системы блоком ввода прогнозных значений водопотребления  в зонах;
9. Дополнительное снабжение системы блоком ввода прогнозных значений водоотведения от индивидуальных источников водоснабжения ;
10. Дополнительное снабжение системы блоком прогнозирования водоотведения;
11. Выполнение блока прогнозирования водоотведения с возможностью оценки прогнозных значений  в зонах в виде ;
12. Соединение выхода блока формирования зональных баз данных с входом блока оценки баланса;
13. Соединение выхода блока ввода прогнозных значений объёма  атмосферных осадков в зонах с входом блока прогнозирования водоотведения;
14. Соединение выхода блока ввода прогнозных значений уровней  воды в водоёме населенного пункта с входом блока прогнозирования водоотведения;
15. Соединение выхода блока ввода прогнозных значений водопотребления  в зонах с входом блока прогнозирования водоотведения;
16. Соединение выхода блока ввода прогнозных значений водоотведения от индивидуальных источников водоснабжения  с входом блока прогнозирования водоотведения;
17. Выполнение блока оценки баланса с возможностью формирования аргументов  в виде функции = а*  +b*, где а, b – эмпирические коэффициенты.
Совместное применение в заявляемой системе указанных отличительных признаков позволяет получить положительный эффект, заключающийся в том, что:
1. Повышается точность оценки баланса подачи и отведения воды, т.к.:
- водопотребление в зонах определяется путем суммирования информации узлов учета воды на входе в каждую зону водоснабжения. При этом количество узлов снижается до 2-3, а вероятность одновременной безотказной работы по сравнению с прототипом поднимается до 0.97-0.98 (0.993-0.992). Это достигается благодаря наличию отличительного признака №1;
- повышается достоверность оценки водопотребления в зонах, т.к. в нем, кроме водопотребления абонентов, учитываются потери воды при ее транспортировке по сети, которые в конечном счете попадают в сети водоотведения. Это достигается благодаря наличию отличительного признака №1;
- повышается достоверность аппроксимаций искомой зависимости , т.к. более чем в два раза увеличивается количество n пар значений  и соответствующих им аргументов  за счет отказа от выборок. Это достигается благодаря наличию отличительных признаков № 3, 4 и 5.
2. Расширяется область применения, т.к. появляется возможность прогнозировать объемы водоотведения накануне неблагоприятных погодных условий (наводнений и нерасчетных дождей). Это достигается благодаря наличию отличительных признаков № 6 – 17.
Предлагаемая авторами система отличается от прототипа конструктивно.
На фиг. 1 представлена схема системы оценки водопритока, на фиг. 2 - результаты и особенности работы блока оценки баланса, на фиг. 3 - результаты и особенности работы блока прогнозирования водоотведения.
Система содержит (см. фиг. 1):
- множество сетей водоснабжения 1, в состав которых включены узлы 2 учета воды со средствами вывода информации 3, расположенными на входах 4 в зону водоснабжения. В настоящем изобретении под сетями водоснабжения понимаются сети холодного и/или горячего водоснабжения, обеспечивающие водой абонентов 5.
- множество сетей водоотведения 6, в состав которых включены узлы 7 учета расхода сточных вод, снабженные средствами вывода информации 8 и датчики количества атмосферных осадков 9. Все сети водоснабжения и водоотведения населенного пункта разделены на зоны. На фиг. 1 в качестве примера показана одна зона, в которой, так же как и во всех остальных (на фиг. 1 не показаны), зона сетей водоснабжения совпадает с зоной сетей водоотведения;
- блок 10 определения водопотребления в зонах, к входу которого подключены выходы средств вывода информации 3 узлов 2 учета воды, расположенных на входах 4 в зону водоснабжения;
- блок 11 определения водоотведения в зонах, к входу которого подключены выходы средств вывода информации 8 узлов 7 учета расхода сточных вод;
- блок 12 оценки объема атмосферных осадков в зонах, выполненный с возможностью оценки количества осадков за сутки, к входу которого подключены выходы датчиков количества атмосферных осадков 9. На фиг. 1 в качестве примера показан один датчик, наиболее близко расположенный к выбранной зоне;
- блок 13 оценки водоотведения в зонах от индивидуальных источников водоснабжения;
- по меньшей мере, один датчик 14 уровня воды в водоеме 15 населенного пункта;
k
- блок 16 формирования зональных баз данных, содержащих поля данных даты k, водопотребления , водоотведения , водоотведения от индивидуальных источников водоснабжения, уровней H воды в водоеме мегаполиса, объема атмосферных осадков, к входу которого подключены выходы блока 10 определения водопотребления в зонах, блока 11 определения водоотведения в зонах, блока 12 оценки объема атмосферных осадков в зонах, блока 13 оценки водоотведения в зонах от индивидуальных источников водоснабжения и, по меньшей мере, одного датчика 14 уровня воды в водоеме 15 населенного пункта;
k
1
k
n
- блок 17 оценки баланса, выполненный с возможностью формирования из зональных баз данных множества n пар значений и соответствующих им аргументов A, а также определения функции  притока воды из водоемов, которая в точках  принимает значения, как можно более близкие к значениям V, …V, V или равные этим значениям. При этом, блок 17 оценки баланса выполнен с возможностью формирования аргументов  в виде функции =а*  +b*, где а, b – эмпирические коэффициенты.
К входу блока 17 оценки баланса подключен выход блока 16 формирования зональных баз данных;
- блок 18 ввода прогнозных значений объёма  атмосферных осадков в зонах;
- блок 19 ввода прогнозных значений уровней  воды в водоёме населенного пункта;
- блок 20 ввода прогнозных значений водопотребления  в зонах;
- блок 21 ввода прогнозных значений водоотведения от индивидуальных источников водоснабжения ;
- блок 22 прогнозирования водоотведения, выполненный с возможностью оценки прогнозных значений  в зонах в виде .
При этом выходы блока 17 оценки баланса, блока 18 ввода прогнозных значений объёма  атмосферных осадков в зонах, блока 19 ввода прогнозных значений уровней  воды в водоёме населенного пункта, блока 20 ввода прогнозных значений водопотребления  в зонах, блока 21 ввода прогнозных значений водоотведения от индивидуальных источников водоснабжения  соединены с входом блока 22 прогнозирования водоотведения.
Система работает следующим образом.
Вода хозяйственно-питьевого назначения подается в населенный пункт позонно посредством множества сетей водоснабжения 1. При этом в каждой зоне производится учет потребленной воды узлами 2 учета воды со средствами вывода информации 3, расположенными на входах 4 в каждую зону водоснабжения. Настоящим изобретением не исключается возможность учета воды как по расходу, так и по объему, поскольку в конечном счете баланс воды сводится по объему, который можно оценить, как интеграл от расхода.
Одновременно посредством множества сетей водоотведения 6 из зоны, например, за k-е сутки отводится объем сточных вод, который в общем случае по составу включают в себя:
- объем хозяйственно-бытовых стоков от абонентов 5, к которым вода подведена посредством множества сетей водоснабжения 1;
- объем стоков от индивидуальных источников водоснабжения;
- объем поверхностных дождевых стоков со всей территории зоны;
- объем дренажных вод, поступающих в сети водоотведения 6 за счет их недостаточной герметичности. Их объем зависит, в том числе, и от уровня воды в водоеме 15 населенного пункта.
Расход сточных вод из каждой зоны оценивается при помощи узлов 7 учета расхода сточных вод, снабженных средствами вывода информации 8. На фиг. 1 в качестве примера показан вариант, когда из зоны выходит два коллектора, поэтому расход сточных вод измеряется при помощи двух узлов 7 учета сточных вод.
Одновременно:
- в блоке 10 определения водопотребления в зонах определяется текущее водопотребление, получаемое посредством обработки (суммирования) данных от средств вывода информации 3 узлов 2 учета воды, расположенных на входах 4 в зону водоснабжения;
- в блоке 11 определения водоотведения в зонах определяется текущее водоотведение, получаемое посредством обработки (суммирования) данных от средств вывода информации 8 узлов 7 учета расхода сточных вод;
- в блоке 12 оценки объема атмосферных осадков в зонах, выполненном с возможностью оценки количества осадков  за сутки, оценивается объем атмосферных осадков в зонах за текущие сутки, получаемый посредством обработки (суммирования за сутки) данных от датчиков количества атмосферных осадков 9;
- в блоке 13 оценки водоотведения в зонах от индивидуальных источников водоснабжения оценивается объем водоотведения от индивидуальных источников водоснабжения;
k
- при помощи датчика 14 уровня воды оценивается уровень H воды в водоеме 15 населенного пункта;
k
- в блоке 16 формирования зональных баз данных формируются зональные базы данных, содержащие поля данных даты k, водопотребления , водоотведения , водоотведения от индивидуальных источников водоснабжения, уровней H воды в водоеме населенного пункта, объема атмосферных осадков  за текущие сутки, посредством обобщения информации, поступающей от выходов блока 10 определения водопотребления в зонах, блока 11 определения водоотведения в зонах, блока 12 оценки объема атмосферных осадков в зонах, блока 13 оценки водоотведения в зонах от индивидуальных источников водоснабжения и, по меньшей мере, одного датчика 14 уровня воды в водоеме 15 населенного пункта;
- в блоке 17 оценка баланса выполняется в три этапа.
На первом этапе формируются множества n пар значений и соответствующих им аргументов  в виде функции =. Имеется вариант развития изобретения, когда = а*  +b*, где а, b – эмпирические коэффициенты.
1
k
n
1
k
n
На втором этапе определяется функция V=  притока воды из водоемов, которая в точках  принимает значения, как можно более близкие к значениям V, …V, …, V или равные этим значениям. При этом, если сходимость значений V, …V, …, V и вычисленных по функции V= небольшая, то на первом этапе корректируются эмпирические коэффициенты а и b и повторяется второй этап.
Блок 17 оценки баланса на этапе реализации может быть представлен, например, в виде компьютера с программным обеспечением.
k
1
k
n
-5
3
2
Результаты и особенности работы блока 17 оценки баланса проиллюстрированы на фиг. 2. Здесь 18 - множество n пар значений  и соответствующих им аргументов A, 19 – результаты определения функции V=  притока воды из водоемов, которая в точках  принимает значения, как можно более близкие к значениям V, …V, …, V или равные этим значениям. В этом блоке также определено, что при сходимости результатов 0.86  = а*  +b*, где а=3, b = 1.15. При этом, V=  2*10*A + 0.0013*A + 0.0117*A - 2.6468.
Далее:
- в блоке 18 ввода прогнозных значений объёма  атмосферных осадков в зонах осуществляется ввод этих прогнозных значений. Показатель прогноза объёма  атмосферных осадков доступен для понимания специалистами в данной предметной области и официально распространяется, например, метеослужбой;
- в блоке 19 ввода прогнозных значений уровней  воды в водоёме населенного пункта осуществляется ввод этих прогнозных значений. Показатель прогноза уровней  воды в водоёме населенного пункта доступен для понимания специалистами в данной предметной области и официально распространяется, например, метеослужбой;
- в блоке 20 ввода прогнозных значений водопотребления  в зонах осуществляется ввод этих прогнозных значений. Показатель прогноза водопотребления населенного пункта доступен для понимания специалистами в данной предметной области и широко применяется организациями, эксплуатирующими системы водоснабжения и водоотведения, на этапе планирования производства на основании статистических данных;
- в блоке 21 ввода прогнозных значений водоотведения от индивидуальных источников водоснабжения  осуществляется ввод этих прогнозных значений. Показатель прогноза водоотведения от индивидуальных источников водоснабжения доступен для понимания специалистами в данной предметной области и широко применяется организациями, эксплуатирующими системы водоснабжения и водоотведения, на этапе планирования производства на основании статистических данных от владельцев индивидуальных источников водоснабжения;
- в блоке 22 прогнозирования водоотведения, выполненном с возможностью оценки прогнозных значений  в зонах в виде  осуществляется прогноз водоотведения, например, на следующие сутки.
Результаты и особенности работы блока 22 прогнозирования водоотведения проиллюстрированы на фиг. 3. Здесь:
- 23 - прогнозные значения объёма  атмосферных осадков;
- 24 - прогнозные значения уровней  воды в водоёме населенного пункта;
- 25 - прогнозные значения суммы водопотребления  и водоотведения от индивидуальных источников водоснабжения ;
- 26 - прогнозные значения водоотведения  в зоне;
- 27 - фактические значения водоотведения в зоне.
Сравнение прогнозных значений водоотведения и фактических показывает хорошую сходимость с практикой предлагаемой системы оценки водопритока.
Таким образом, предлагаемая система соответствует критерию «промышленная применимость».