Результат интеллектуальной деятельности: СИСТЕМА ОЦЕНКИ БАЛАНСА ПОДАЧИ И ОТВЕДЕНИЯ ВОДЫ МЕГАПОЛИСА

Изобретение относится к системам водоснабжения и 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 полезная модель «Система управления комплексом подачи воды и отведения сточных вод» (см. патент на полезную модель №80468, Рос. Федерация: МПК Е03В 1/02 (2006.01), G06F 17/00 (2006.01) / Кармазинов Ф.В., Безденежных А.Г.; опубл. 10.02.2009, Бюл. №4), включающая множество сетей и сооружений водоснабжения и водоотведения, контролируемых по каналам связи, содержащая средство для ввода и ввода-вывода информации и средство для исполнения множества программ. При этом в состав сети и сооружений водоснабжения включены узлы регулирования подачи и учета расхода воды у абонентов, а в состав сети и сооружений водоотведения включены узлы учета расхода сточных вод у абонента.

Имеется вариант развития, когда в состав узлов регулирования подачи и учета расхода воды у абонентов включены средство ввода-вывода информации и подключенные к нему датчики давления, подачи и расхода воды, датчики положения регулирующей арматуры, связанные со средством выполнения команд, датчик водопотребления, датчик регулирования гидравлических режимов водопроводной сети, автоматический пробоотборник, вход которого соединен с выходом датчика качества воды.

Имеется вариант развития, когда в состав узлов учета расхода сточных вод у абонентов включены средство ввода информации, подключенное к датчикам уровня мокрых отделений НС, расходов электроэнергии, уровня наполнения коллекторов и количества атмосферных осадков.

Для указанной системы характерна узкая область применения, т.к.:

- ее можно применять для управления системами водоснабжения и водоотведения только небольших городов, поскольку по структуре она является централизованной системой управления, не учитывающей отличия в режимах работы отдельных зон этих систем;

- она не позволяет диагностировать объемы притоков в системы водоотведения грунтовых вод.

Задачей настоящего изобретения является расширение области применения известной системы.

Поставленная задача решена так, что в известной системе, содержащей 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, в соответствии с настоящим изобретением:

- 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.

Кроме того, система дополнительно 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 H_k, 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 вторичной выборки данных;

- блоком оценки баланса, выполненного с возможностью формирования из третичной выборки данных множества n пар значений и соответствующих им аргументов H_k, а также определения функции V=f(H) притока воды из водоемов, которая в точках H₁, …, H_k, H_n принимает значения, как можно более близкие к значениям V₁, …V_k, …, V_n или равные этим значениям.

Отличительными признаками заявляемой «Системы оценки баланса подачи и отведения воды мегаполиса» являются:

1. Выполнение датчиков количества атмосферных осадков с возможностью определения интенсивностей дождей;

2. Разделение сетей водоснабжения и водоотведения на зоны так, что зоны сетей водоснабжения совпадают с зонами сетей водоотведения;

3. Установка узлов учета расхода сточных вод на выходе из каждой зоны водоотведения;

4. Дополнительное снабжение узлов учета расхода сточных вод средствами вывода информации;

5. Дополнительное снабжение системы блоком определения температуры наружного воздуха;

6. Дополнительное снабжение системы блоком определения фактической производительности, по меньшей мере, одной локальной системы поверхностного стока мегаполиса;

7. Дополнительное снабжение системы блоком определения водопотребления в зонах, к входу которого подключены выходы средств вывода информации узлов учета воды у абонентов;

8. Дополнительное снабжение системы блоком определения водоотведения в зонах, к входу которого подключены выходы средств вывода информации узлов учета расхода сточных вод;

9. Дополнительное снабжение системы блоком оценки объема атмосферных осадков в зонах, к входу которого подключены выходы датчиков количества атмосферных осадков;

10. Дополнительное снабжение системы блоком оценки водоотведения в зонах от индивидуальных источников водоснабжения;

11. Дополнительное снабжение системы по меньшей мере одним датчиком уровня воды в водоеме мегаполиса;

12. Дополнительное снабжение системы блоком формирования зональных баз данных, содержащих поля данных даты k, водопотребления , водоотведения , водоотведения от индивидуальных источников водоснабжения , уровней воды в водоеме мегаполиса H_k, объема атмосферных осадков, фактической производительности, по меньшей мере, одной локальной системы поверхностного стока, температуры наружного воздуха;

13. Подключение к входу блока формирования зональных баз данных выходов 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;

14. Дополнительное снабжение системы блоком первичной выборки данных из зональных баз данных по условию равенства нулю объема атмосферных осадков, к входу которого подключен выход блока зональных баз данных;

15. Дополнительное снабжение системы 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;

16. Дополнительное снабжение системы 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;

17. Дополнительное снабжение системы блоком оценки баланса, к входу которого подключен выход блока третичной выборки данных, выполненного с возможностью формирования из третичной выборки данных множества n пар значений и соответствующих им аргументов H_k, а также определения функции V=f(H) притока воды из водоемов, которая в точках Н₁, …, H_k, H_n принимает значения, как можно более близкие к значениям V₁, …V_k, V_n или равные этим значениям.

По сведениям, имеющимся у авторов, отличительные признаки №1, 4, 7, 8 в технической литературе известны, а остальные - нет, что отвечает условию патентоспособности «новизна».

Совместное применение в заявляемой системе указанных отличительных признаков позволяет получить положительный эффект, заключающийся в том, что расширяется область применения системы, т.к.:

- она может быть применена для управления системами водоснабжения и водоотведения больших городов (мегаполисов), поскольку предусматривает распределительное управление по зонам, учитывая отличия в режимах их работы. Это достигается благодаря наличию отличительных признаков №2, 3, 7-10, 12-17;

- она позволяет диагностировать объемы притоков в системы водоотведения грунтовых вод. Это достигается благодаря наличию отличительных признаков №1, 4-6, 11, 15, 16-17.

Предлагаемая авторами система отличается от прототипа конструктивно.

На фиг. 1 представлена схема системы оценки баланса подачи и отведения воды мегаполиса, на фиг. 2 - пример расчета (с применением гидравлических методов расчета) объемов поступления дренажных вод в сети водоотведения из водоема мегаполиса через три дренажных отверстия, расположенных на разной высоте, на фиг. 3 - результат вычисления указанных объемов в условиях, когда узлы учета при измерении допускают погрешность от 0 до 20%, распределенную по равномерному закону, на фиг. 4 - результат вычисления указанных объемов в условиях, когда в коллектор сетей водоотведения дополнительно поступает объем неучтенных вод от неизвестных источников, на фиг. 5 - окончательные результаты работы предлагаемой системы в блоке оценки баланса в виде графического представления функции V=f(H), отражающей зависимость от уровня Н воды в водоеме мегаполиса объема дренажных вод, поступающих в сети водоотведения за счет недостаточной их герметичности.

Система содержит (см. фиг. 1):

- множество сетей водоснабжения 1, в состав которых включены узлы 2 учета воды со средствами вывода информации 3, расположенных у абонентов 4. В настоящем изобретении под сетями водоснабжения понимаются сети холодного и/или горячего водоснабжения;

- множество сетей водоотведения 5, в состав которых включены узлы 6 учета расхода сточных вод, снабженные средствами вывода информации 7, и датчики количества атмосферных осадков 8. Все сети водоснабжения и водоотведения мегаполиса разделены на зоны. На фиг. 1 в качестве примера показана одна зона, в которой, так же как во всех остальных (на фиг. 1 не показаны), зона сетей водоснабжения совпадает с зоной сетей водоотведения;

- блок 9 определения температуры наружного воздуха;

- блок 10 определения фактической производительности, по меньшей мере, одной локальной системы поверхностного стока мегаполиса;

- блок 11 определения водопотребления в зонах, к входу которого подключены выходы средств вывода информации 3 узлов 2 учета воды, расположенных у абонентов 4;

- блок 12 определения водоотведения в зонах, к входу которого подключены выходы средств вывода информации 7 узлов 6 учета расхода сточных вод;

- блок 13 оценки объема атмосферных осадков в зонах, к входу которого подключены выходы датчиков количества атмосферных осадков 8. На фиг. 1 в качестве примера показан один датчик, наиболее близко расположенный к выбранной зоне;

- блок 14 оценки водоотведения в зонах от индивидуальных источников водоснабжения;

- по меньшей мере, один датчик 15 уровня воды в водоеме 16 мегаполиса;

- блок 17 формирования зональных баз данных, содержащих поля данных даты k, водопотребления , водоотведения , водоотведения от индивидуальных источников водоснабжения, уровней H_k воды в водоеме мегаполиса, объема атмосферных осадков, фактической производительности, по меньшей мере, одной локальной системы поверхностного стока, температуры наружного воздуха, к входу которого подключены выходы блока 9 определения температуры наружного воздуха, блока 10 определения фактической производительности, по меньшей мере, одной локальной системы поверхностного стока; блока 11 определения водопотребления в зонах, блока 12 определения водоотведения в зонах, блока 13 оценки объема атмосферных осадков в зонах, блока 14 оценки водоотведения в зонах от индивидуальных источников водоснабжения и, по меньшей мере, одного датчика 15 уровня воды в водоеме мегаполиса;

- блок 18 первичной выборки данных из зональных баз данных по условию равенства нулю объема атмосферных осадков, к входу которого подключен выход блока 17 формирования зональных баз данных;

- блок 19 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 18 первичной выборки данных;

- блок 20 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 19 вторичной выборки данных;

- блок 21 оценки баланса, выполненный с возможностью формирования из третичной выборки данных множества n пар значений и соответствующих им аргументов H_k, а также определения функции V=f(H) притока воды из водоемов, которая в точках Н₁, …, H_k, H_n принимает значения, как можно более близкие к значениям V₁, …V_k, V_n или равные этим значениям. К входу блока 21 оценки баланса подключен выход блока 20 третичной выборки данных.

Система работает следующим образом.

Вода хозяйственно-питьевого назначения подается в мегаполис позонно посредством множества сетей водоснабжения 1. При этом у каждого абонента 4 каждой зоны производится учет потребленной воды узлами 2 учета воды. 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 5 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 4, к которым вода подведена посредством множества сетей водоснабжения 1;

- объем стоков от индивидуальных источников водоснабжения;

- объем поверхностных дождевых стоков со всей территории зоны;

- объем поверхностных талых стоков со всей территории зоны, образующиеся в результате таяния снега и льда;

- объем дренажных вод, поступающих в сети водоотведения 5 за счет недостаточной их герметичности. Их объем зависит, в том числе, и от уровня воды в водоеме 16 мегаполиса;

- объем неучтенных вод, поступающих в сети водоотведения 5 от неизвестных источников, например, в результате аварий на тепловых сетях или их сезонной промывке.

Расход сточных вод из каждой зоны оценивается при помощи узлов 6 учета расхода сточных вод, снабженных средствами вывода информации 7. На фиг. 1 в качестве примера показан вариант, когда из зоны выходит два коллектора, поэтому расход сточных вод измеряется при помощи двух узлов 6 учета сточных вод.

Одновременно:

- в блоке 9 определяется текущая t_k температура наружного воздуха, а в блоке 10 - фактическая производительность Q_k, по меньшей мере, одной локальной системы поверхностного стока мегаполиса;

- в блоке 11 определяется текущее водопотребление в зонах, получаемое посредством обработки данных от средств вывода информации 3 узлов 2 учета воды, расположенных у абонентов 4;

- в блоке 12 определяется текущее водоотведение в зонах, получаемое посредством обработки данных от средств вывода информации 7 узлов 6 учета расхода сточных вод;

- в блоке 13 оценивается объем атмосферных осадков в зонах, получаемых посредством обработки данных от датчиков количества атмосферных осадков 8 и характеристик площадей зон, являющимися величинами постоянными и хранящимися в самом блоке 13;

- в блоке 14 оценивается объем водоотведения в зонах от индивидуальных источников водоснабжения;

- при помощи датчика 15 уровня воды оценивается уровень H_k воды в водоеме 16 мегаполиса;

- в блоке 17 формируются зональные базы данных, содержащие поля данных даты k, водопотребления , водоотведения , водоотведения от индивидуальных источников водоснабжения, уровней H_k воды в водоеме мегаполиса, объема атмосферных осадков, фактической производительности, по меньшей мере, одной локальной системы поверхностного стока, температуры наружного воздуха, посредством обобщения информации, поступающей от выходов блока 9 определения температуры наружного воздуха, блока 10 определения фактической производительности, по меньшей мере, одной локальной системы поверхностного стока, блока 11 определения водопотребления в зонах, блока 12 определения водоотведения в зонах, блока 13 оценки объема атмосферных осадков в зонах, блока 14 оценки водоотведения в зонах от индивидуальных источников водоснабжения и, по меньшей мере, одного датчика 15 уровня воды в водоеме мегаполиса;

- в блоке 18 производится первичная выборка данных из зональных баз данных по условию равенства нулю объема атмосферных осадков. Таким образом, из зональных баз данных удаляются суточные записи с мокрой погодой;

- в блоке 19 производится вторичная выборка данных из первичной выборки данных по условию положительной температуры наружного воздуха и равенства нулю фактической производительности, по меньшей мере, одной локальной системы поверхностного стока. Таким образом, из первичной выборки удаляются суточные записи с поступлением в сети водоотведения объемов поверхностных талых стоков, т.к. дождевые стоки предварительно удалены в блоке 18;

- в блоке 20 производится третичная выборка данных из вторичной выборки данных по условию одновременного понижения (повышения) уровня воды в водоеме мегаполиса и понижения (повышения) водоотведения. Таким образом, из вторичной выборки удаляются суточные записи, в которых по сравнению с данными предыдущих суток при одновременном понижении (повышении) уровня воды в водоеме мегаполиса происходит наоборот повышение (понижение) водоотведения. На этом этапе с высокой вероятностью удаляются данные по суткам, в которых объем неучтенных вод больше нуля;

- в блоке 21 оценка баланса выполняется в три этапа.

На первом этапе из третичной выборки данных формируются множества n пар значений и соответствующих им аргументов H_k.

На втором этапе определяется функция V=f(H) притока воды из водоемов, которая в точках H₁, …, H_k, H_n принимает значения, как можно более близкие к значениям V₁, …V_k, …, V_n или равные этим значениям.

На третьем этапе производится анализ функции V=f(H) и ее зависимость от уровня H_k воды в водоеме мегаполиса. Возрастающий характер этой функции свидетельствует о наличии в данной зоне объемов дренажных вод.

Результаты и особенности работы блока 21 оценки баланса проиллюстрированы на фиг. 2, 3, 4 и 5.

В частности, на фиг. 2, с целью подготовки исходных данных, приведены результаты расчета (с применением гидравлических методов расчета) объемов поступления дренажных вод в сети водоотведения 5 из водоема 16 мегаполиса через три дренажных отверстия, расположенных на разной высоте. Зависимости объемов поступления воды от уровней H_k воды в водоеме для разных отверстий показаны позициями 1, 2 и 3. Позицией 4 показана сумма этих объемов. В дополнение к этому, на фиг. 3 представлен результат определения указанных объемов в условиях, когда узлы учета при измерении допускают погрешность от 0 до 20%, распределенную по равномерному закону. Кроме того, на фиг. 4 показан вариант, когда в коллектор сетей водоотведения 5 дополнительно поступает объем неучтенных вод от неизвестных источников (см. позиция 5). В отличие от объемов, поступающих из дренажных отверстий, объем является функцией времени и, как показано на фиг. 4, не зависит от уровня H_k воды в водоеме 16 мегаполиса.

В результате, на фиг. 4 позицией 4 показано изменение объема , т.к. после трех фильтрационных выборок значения стремятся к нулю.

На фиг. 5 позицией 1 в графическом виде представлен результат первого этапа, реализованного в блоке 21 оценки баланса, в виде точек с координатами H_k и V_k. Дополнительно, позицией 2 обозначен результат второго этапа в виде функции V=f(H) притока воды из водоемов, которая в точках Н₁, …, H_k, …, H_n принимает значения, как можно более близкие к значениям V₁, …V_k, …, V_n. Для сравнения позицией 3 обозначена теоретическая функция Vт=f(H), представленная на фиг. 2 позицией 4. Сравнение функций V и Vт и результат их высокой сходимости подтверждает применимость на практике предлагаемой системы.

На третьем этапе в блоке 21 оценки баланса в результате анализа функции V=f(H) и ее зависимости от уровня H_k воды в водоеме мегаполиса устанавливается факт наличия в данной зоне объемов дренажных вод.

Таким образом, предлагаемая система соответствует критерию «промышленная применимость».