Куприяновский В.П., Esri CIS (vpkupriyanovsky@gmail.com, vk@esri-cis.ru),
Тищенко П.А., Esri CIS (ptischenko@esri-cis.ru),
Раевский М.А., Esri CIS (ingiswetrust@gmail.com),
Шилов И.В., IBM (ivan_shilov@ru.ibm.com),
Щичко А.С., IBM (anton.schichko@ru.ibm.com)
Integrated water resources management based on smart technologies from Esri and IBM. “Smart Water”
Проблемы воды носят глобальный характер. Им посвящен большой пласт исследований, выполненных ООН, Юнеско, Мировым банком и другими международными организациями, кроме того, имеется множество работ локального характера для арабских стран, различных штатов США, государств Европы, стран бывшего СССР и т.д. В них рассматриваются как природные водные ресурсы, так и «техногенные» воды. Перечислим основные проблемы, возникающие в процессе эксплуатации водопроводных сетей:
- снижение качества воды;
- рост фактических потерь при транспортировке;
- рост разрыва между спросом и предложением воды;
- возрастание интенсивности и масштабности проблем с перераспределением водных ресурсов внутри региона;
- ухудшение эксплуатационных характеристик системы водоснабжения;
- неадекватность и неадресность инвестирования государственных средств в выведение управления водными ресурсами на необходимый уровень;
- необходимость выявлять утечки и производить ремонт водопроводной сети в реальном масштабе времени;
- фактические потери воды из-за утечек и воровства;
- Неучтённый расход воды (Unaccounted-for Water, UFW).
Иными словами, большинство проблем с водоснабжением сфокусированы на потерях: техногенного характера (утечки), неучтённого расхода воды, необходимости гарантированной доставки воды в нужную точку, в необходимых количествах и требуемого качества. Естественно, качество воды также является весьма критичным.
Так, в Египте исследования на конкретных областях показывают значения UFW более 50 процентов – до 67%. Для небольших муниципалитетов этот показатель обычно выше. В развитых странах UFW обычно колеблется от менее чем 10% для новых систем и до 25% для старых систем. А в некоторых восточноевропейских и африканских странах UFW регулярно достигает 40, 50 или даже 60%.
Значительная часть этих проблем, за исключением собственно реконструкции и строительства, где, впрочем, у компаний IBM и Esri также есть свои очень полезные решения, решается при применении комплекса программного обеспечения “Разумная вода”. В данной сфере особенно ярко проявляются эффекты от сотрудничества двух упомянутых компаний. Дело в том, что использование технологии геоинформационных систем (ГИС) предприятиями водоснабжения/водоотведения, несомненно, является положительным фактором для мониторинга водных ресурсов, однако этого не достаточно для улучшения ситуации с водоснабжением крупного населённого пункта или региона. Для решения задач водоканалов необходимо внедрение комплексных интеграционных решений по управлению и автоматизации систем водозабора, водоочистки, канализации и водоснабжения.
В странах северной Африки, Ближнего Востока и ряде других накоплен богатый опыт реализации смарт-технологий в сфере управления водными ресурсами, как это следует из отчёта Мирового банка. Вот некоторые примеры:
- Марокко: управление конфликтами в распределении водных ресурсов;
- Йемен: укрепление механизмов регулирования водных ресурсов, совместное управление ирригацией и распределением расходов, оценка удовлетворённости пользователей;
- Египет: инновационные технологии, сокращение выбросов CO2 в секторе ирригации и дренажа;
- Саудовская Аравия: ГИС-технологии для управления распределением воды;
- Тунис: мобилизация водных ресурсов и управление ими;
- Япония: опыт по организации учёта воды и управлению санитарными условиями – за счёт применения строгих стандартов и смарт-технологий достигнуты высокие результаты.
Проект «Разумная вода», прежде всего, предполагает применение смарт-объектов для нужд водного хозяйства в сочетании с геоинформационными технологиями. По оценкам экспертов, до 80% информации, необходимой для успешного функционирования смарт-водопроводного предприятия, прямо или косвенно связано с геоданными (данными с географической составляющей). Вот основные задачи, требующие использования «умных» сенсоров:
- изучение приемлемости воды в реках и морях для животного мира и ее пригодности для питья;
- обнаружение присутствия воды вне хранилищ и колебания давления в трубах;
- мониторинг изменения уровня воды в реках, плотинах и водохранилищах;
- измерение давления воды в системах транспортировки воды.
“Разумная вода” базируется на принятых мировых стандартах по этому направлению, включающих модели водоснабжения (структуры баз данных) и гидромоделирование (физических процессов), работающие совместно, описывающие все события, происходящие в системе водоснабжения, правила обработки этих событий и задаваемые ключевые показатели эффективности. Объективные данные о событиях в системе собираются с помощью физических устройств (смарт-объектов), которые, с одной стороны, служат источниками данных о конкретных событиях, а с другой – могут исполнять команды по изменению режимов работы системы водоснабжения. При этом все известные SCADA-системы также интегрируются в рамках решения “Разумная вода”. Коллективными усилиями специалистов отрасли при участии Esri создана соответствующая модель данных для работы в среде ArcGIS (рис. 1).
Рис. 1. Модель данных ArcGIS для предприятий водоснабжения/водоотведения.
Компании IBM и Esri, по мнению большинства независимых экспертов, являются мировыми лидерами по “Разумной воде”. Например, доля Esri в ГИС-решениях по водным системам в мире составляет порядка 80% (а в целом Esri – это порядка 44% мирового рынка ГИС-систем). Совместно IBM и Esri сдали в промышленную эксплуатацию заказчикам сотни систем с технологиями “Разумной воды”, которые позволяют максимально снизить риски заказчиков и значительно повысить эффективность управления своими активами.
Учитывая задачи, стоящие перед водопроводными компаниями и уровень развития современных информационных технологий интеллектуального управления водными ресурсами, можно утверждать, что современная водопроводная смарт-система управления активами – это:
- единая геоинформационная платформа, обеспечивающая визуализацию и интеграцию систем мониторинга и управления, а также зондирование и мониторинг физической инфраструктуры, интегрированной с упреждающим управлением активами;
- использование потоковых данных в режиме реального времени для реакции на ЧС;
- IT-инфраструктура для управления информацией о водных ресурсах, используемой несколькими организациями, и позволяющая принимать решения на системном уровне;
- углубленная аналитика с возможностью прогнозирования, моделирования и поддержки принятия решений.
Это всё позволяет более эффективно выполнять оперативные действия по управлению объектами водопроводной инфраструктуры.
Распределение задач и интеграция продуктов Esri и IBM для целей управления активами предприятий водоснабжения/водоотведения может выглядеть следующим образом. ГИС (Esri ArcGIS) обеспечивает:
- интеграционную геопространственную платформу;
- сбор, обработку, хранение, представление геопространственной информации;
- систематизацию и манипулирование геоданными;
- построение 2D- и 3D-моделей активов и местности;
- учёт пространства при проектировании объектов водопроводной инфраструктуры;
- стоимостной анализ;
- функции инвентаризации;
- проведение зонирования территории;
- анализ расположения потенциальных клиентов;
- оценку возможности роста спроса на услуги;
- возможности многофакторного пространственного анализа средствами ГИС;
- решение задач, связанных с обработкой информации о местности, например: вычисление расстояний, площадей; расчёты зон затопления, видимости, углов наклона и т.д.; ведение кадастра; выбор оптимального маршрута движения, навигация; и др. задачи.
ПО IBM (Tririga, Maximo) берёт на себя:
- управление имуществом;
- материально-техническое снабжение;
- управление складскими запасами;
- управление договорами;
- управление работами по созданию, обслуживанию и ремонту активов;
- управление сервисами;
- управление рисками;
- планирование и учёт затрат;
- управление персоналом;
- др. функции.
Обобщенная схема совместной работы ПО двух компаний показана на рис. 2.
Рис. 2. Взаимодействие ПО Esri и IBM при реализации проектов «Разумная вода».
Модули MQ и MQ Telemetry, входящие в IBM WebShere, позволяют автоматизировать сбор данных со смарт-объектов водопроводной сети, включая геосенсоры. Они обеспечивает гарантированную доставку, транзакционную передачу данных, безопасное их хранение и восстанавливаемость в случае сбоев, асинхронную передачу информации, а также программный интерфейс. Схема взаимодействия данных модулей с ArcGIS приведена на рис. 3.
Рис. 3. Схема сбора данных со смарт-объектов водопроводной сети.
За рубежом всё активнее внедряются решения типа «Разумная вода». Кратко рассмотрим два примера – проекты в г. Валенсия (Испания) и Сан-Франциско (США).
Проект «смарт-вода» в Валенсии для мониторинга гидрологического цикла. Его задача – создание гибридной сенсорной сети между мобильными и стационарными узлами и интеграция специализированных датчиков качества воды. Система «Smart Water» состоит из мобильной беспроводной сенсорной сети, которая может быть быстро развёрнута на определённой территории для контроля качества воды путём измерения таких параметров, как рН, электропроводность, окислительно-восстановительный потенциал (редокс), растворённый кислород (DO) и мутность. Совместное применение технологий Esri и IBM позволила заказчикам легко интегрировать новые датчики.
“Разумная вода”, г. Сан-Франциско. Комиссия по коммунальному хозяйству города Сан-Франциско (San Francisco Public Utilities Commission, SFPUC) использует ПО, разработанное IBM и Esri, для помощи в уменьшении загрязнения воды, которая окружает город с трёх сторон – в заливе Сан-Франциско и Тихом океане. Наряду с ПО IBM Maximo Asset Management, фирма Wastewater Enterprise, принадлежащая SFPUC, использует программное обеспечение ArcGIS для определения местонахождения и пространственного учёта активов. Благодаря программному обеспечению для управления активами IBM Maximo Asset Management и Esri ArcGIS, организация SFPUC теперь значительно лучше осведомлена о своих операциях технического обслуживания и о состоянии физической инфраструктуры, с актуальностью данных о техническом обслуживании и текущем ремонте оборудования на уровне почти реального времени. Примененное ПО также интегрировано с системами городских сервисных служб 311 и 28-CLEAN – справочно-диспетчерскими центрами, в которые люди обращаются с «не аварийными» (не критичными) проблемами, подобно ямам на дорогах, брошенным автомобилям, открытым крышкам смотровых колодцев, засорившимся ливневым стокам и пр.
Значение внедрения проектов «Разумная вода» иллюстрируют результаты исследований, проведённых фондом водных инноваций США. Вот некоторые отмеченные в них ключевые моменты:
- средний счёт для жителя за воду поднялся от $17 (питьевая вода) и $22 (канализация) в 2001 году до соответственно $28 и $36 в 2010 году;
- потребуется 15-20 лет постоянных крупных инвестиций для стабилизации и модернизации водной системы США;
- предположительные затраты на ремонт водной инфраструктуры в США оцениваются в $365 млрд.;
- Smart Water сохранит $102 млрд. (28%);
- затраты на развёртывание Smart Water составят примерно $19,2 млрд.;
- общая экономия составит $82,8 млрд.
Отметим основные экономические и другие эффекты от внедрения совместных решений Esri-IBM по “Разумной воде”:
- улучшение качества воды;
- снижение потерь при транспортировке;
- баланс спроса и предложения воды;
- распределение водных ресурсов по всем областям региона;
- контроль эксплуатационных характеристик систем водоснабжения;
- повышение эффективности ремонтных работ в системе водоснабжения;
- контроль качества обслуживания систем водоснабжения;
- снижение затрат на обслуживание в среднем на 30%;
- контроль и снижение расходов, связанных с противоправными действиями, в среднем на 20%;
- контроль утечек в домах – сохранение 177 млрд. литров в год за счёт сохранения 5% воды в США;
- повышение информированности пользователей о расходах воды – сокращение потребления воды на 10%;
- сокращение времени обслуживания клиентов в среднем на 20%;
- установка интеллектуальных счётчиков воды приводит к сокращению потребления воды в среднем на 10-15%;
- увеличение срока службы оборудования за счет улучшения планирования средствами ГИС;
- гарантия поставки чистой воды – улучшение репутации компании и повышение доверия к ней в глазах потребителей;
- уменьшение времени реагирования на чрезвычайные ситуации;
- повышение безопасности на объектах;
- экономия на затратах на электроэнергию до 40%;
- снижение потерь в сетях распределения воды в среднем на 5-7%;
- прогнозирование и улучшение планирования ремонтных работ, а так же управление ими;
- улучшение структурированности документации, отчетности, автоматическое формирование запросов;
- дистанционный стоимостной анализ, учёт пространства при проектировании позволяет разместить активы эффективнее в среднем на 30%;
- прогнозирование спроса на услуги так же позволяет эффективнее распределить активы;
- и другие эффекты.
Как следствие вышеперечисленных факторов – совместные решения для водоканалов, предлагаемые компаниями IBM и Esri, обеспечивают возможность пересмотра ценообразования, увеличение скорости возврата капитала на объект, снижение стоимости владения активами. Кроме того, они позволяют в заданные сроки и с расчётом финансово-экономических эффектов осуществлять практическую модернизацию сферы ЖКХ в части управления активами сетей водоснабжения/водоотведения. С их помощью обеспечивается встраивание принятых международных и российских стандартов и правил непосредственно в онлайновые решения, обеспечивающие обработку сотен тысяч транзакций в секунду для построения адаптирующихся систем, работающих на любом спектре объективных данных.
Хотя в России проблемы воды и не стоят столь остро, как в других странах, вопрос экономии водных ресурсов становится всё более актуальным. Компании Esri и IBM обладают развитыми методологиями, шаблонами решений и “дорожными картами” перехода к интеллектуальным распределительным водопроводным сетям, которые играют ключевую роль в улучшении водоснабжения населения и экономии воды.
