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1 Systems Research Institute Polish Academy of Sciences KÖLPINSEE 2011 Rechnerunterstützte Endscheidungshilfe für kommunale Wasserwerke mittels mathematischer.

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1 1 Systems Research Institute Polish Academy of Sciences KÖLPINSEE 2011 Rechnerunterstützte Endscheidungshilfe für kommunale Wasserwerke mittels mathematischer Modelle, Krigingsapproximation und Optimierung Jan Studzinski

2 2 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

3 3 IBS PAN Warszawa 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

4 4 IBS PAN Warszawa Aktuelle und gemeine Praxis der Wasserwerksinformatisierung Mangel an kompakten Systemen Mangel an Programmintegrierung Mangel an Handlungskomplexität der laufenden Programme

5 5 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 IBS PAN Warszawa

6 6 Struktur des integrierten Informationssystems 2. Konzept des rechnergestützten Wassernetzmanagements IBS PAN Warszawa vv

7 7 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 IBS PAN Warszawa

8 8 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 IBS PAN Warszawa

9 9 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) IBS PAN Warszawa

10 10 IBS PAN Warszawa Programmsatz MOSUW

11 11 IBS PAN Warszawa Programmsatz Krigingsapproximation

12 12 IBS PAN Warszawa Programmsatz Prozessmodellierung

13 13 IBS PAN Warszawa 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)

14 14 IBS PAN Warszawa 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)

15 15 IBS PAN Warszawa 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

16 16 6. Entwickelte mathematische Modele Hydraulische Modelle des Wassernetzes Modelle zur Vorhersage der hydraulischen Wassernetzbelastung Modelle zur Vorhersage der Wasseraufnahme in typischen Wassernetzknoten IBS PAN Warszawa

17 17 IBS PAN Warszawa Model OHIO mit der Markierung von Wasserdruckwerten in den Wassernetzknoten Hydraulische Modelle des Wassernetzes

18 18 IBS PAN Warszawa Model Mosuw-H mit der Markierung von Flussrichtungen in den Wassernetzleitungen

19 19 Neuronalmodel MLP IBS PAN Warszawa Modelle der hydraulischen Belastung des Wassernetzes

20 20 Fuzzysatzmodel IBS PAN Warszawa

21 21 IBS PAN Warszawa Zeitreihenmodel

22 22 7. Ausgewählte Aufgaben vom System ausgeführt Numerische Visualisierung des Wassernetzes IBS PAN Warszawa GIS

23 23 IBS PAN Warszawa Visualisierung der Messpunkte des Monitoringssystems SCADA

24 24 IBS PAN Warszawa Export des Wassernetzgraphes von GIS zum Wassernetzmodel GIS + Mosuw-H

25 25 IBS PAN Warszawa Angegebene Zielfunktionen zur Optimierung des Wassernetzes GIS + Mosuw-O (Optimierung und Planung)

26 26 Resultate der Optimierung IBS PAN Warszawa

27 27 IBS PAN Warszawa Festsetzung von Strängen zur Kalibrierung des Wassernetzmodels GIS + SCADA + Mosuw-K (Modelkalibrierung)

28 28 Angegebene Zielfunktionen zur Modelkalibrierung IBS PAN Warszawa

29 29 IBS PAN Warszawa Verteilung des Wasserdruckes im Wassernetz GIS + Mosuw-H + Kripow (Herstellung von Karten der Wasserdruckverteilung)

30 30 Deckung des Wassernetzbereiches mit den Dreiecken GIS + Mosuw-H + Kripog (Berechnung von Hochkoordinaten der Wassernetzknoten)

31 31 Vergleich der Resultate von den Dreieck- und Krigingsalgorithmen IBS PAN Warszawa

32 32 8. Schlussfolgerungen ØDie Entwicklung von integrierten IT-Systemen zum komplexen Management von Wasserwerken ist zweckmäßig ( + / - ) ØDie Anknüpfung einer engen Zusammenarbeit zwischen den Unternehmen und Forschungsanstalten ist erforderlich ( + / - ) ØDie Anknüpfung einer engen Zusammenarbeit zwischen den Forschungsanstalten und IT-Firmen ist ratsam ( - ) ØDer Austausch von Erfahrungen zwischen den Wasserwerken ist ratsam (+ / - ) ØDie 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 (+ / - ) IBS PAN Warszawa

33 33 Ich bedanke mich für Ihre Aufmerksamkeit


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