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

Konzept des rechnergestützten Wassernetzmanagements 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

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

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

Zustandsursachen Angst der Unternehmen vor den Forschungsarbeiten IBS PAN Warszawa 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

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

3. Bausteine des entwickelten Informationssystems IBS PAN Warszawa 3. Bausteine des entwickelten Informationssystems Das Informationssystem: hat eine offene Modularstruktur besteht aus den folgenden Bausteinen: GIS (Geographical Information System) – zur Herstellung der numerischen Karte des Wassernetzes SCADA (System of Control And Diagnostic Analysis) – zum Monitoring des Wassernetzes CIS (Customers Information System) – zur Erfassung der Daten von dem verkauften Trinkwasser mathematische Modelle und Algorithmen zur Simulation-, Optimierung-, Vorhersage- und Approximationsberechnungen

4. Rechnerprogramme in den Informationssystemsbausteinen IBS PAN Warszawa 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

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

IBS PAN Warszawa Programmsatz MOSUW

Programmsatz Krigingsapproximation IBS PAN Warszawa Programmsatz Krigingsapproximation

Programmsatz Prozessmodellierung IBS PAN Warszawa Programmsatz Prozessmodellierung

5. Kooperation von Rechnerprogrammen 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)

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

Model-H: Hydraulische Berechnung des Wassernetzes 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 SCADA + Model-H: Monitoring von Fluss- und Druckwerten + Hydraulische Wassernetzberechnung + Ausfindung und Lokalisierung von Havariefällen

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

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

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

IBS PAN Warszawa Modelle der hydraulischen Belastung des Wassernetzes Neuronalmodel MLP 7-10-1

IBS PAN Warszawa Fuzzysatzmodel

IBS PAN Warszawa Zeitreihenmodel

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

Visualisierung der Messpunkte des Monitoringssystems SCADA IBS PAN Warszawa Visualisierung der Messpunkte des Monitoringssystems 23

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

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

Resultate der Optimierung IBS PAN Warszawa Resultate der Optimierung

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

Angegebene Zielfunktionen zur Modelkalibrierung IBS PAN Warszawa Angegebene Zielfunktionen zur Modelkalibrierung

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

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

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

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

für Ihre Aufmerksamkeit Ich bedanke mich für Ihre Aufmerksamkeit