Задача прогнозування безперебійності функціонування системи водопостачання
Відзначено важливість систем водопостачання в сучасному суспільстві та забезпечення надійного та безперебійного функціонування цих систем. Проведено огляд наявних методів і моделей прогнозування аварій та виявлено низку факторів, що призводять до їхнього виникнення. Сформульовано задачу розробки системи підтримки прийняття рішень для прогнозування надійності водопостачання.
Безперебійність функціонування водопостачання є однією з найважливіших характеристик системи водопостачання. Від неї залежить забезпечення населення питною водою, а також безперебійність роботи промислових підприємств і інших споживачів [1–2].
З метою підвищення рівня безпеки та надійності систем водопостачання проаналізовано низку методів та моделей прогнозування аварій [3]. Це передбачає розгляд причин аварій та їх наслідків, а також розробку методів і моделей прогнозування можливих надзвичайних ситуацій. Авторами також було створено модель прогнозування тривалості ремонтних робіт під час пошкодження водопроводу за наявності статистичних даних про аварії, що сталися раніше на водопроводі даного міста, і тривалості ремонтних робіт у кожному випадку. Цю модель було розраховано методом штучних нейронних мереж [4], але можливість її практичного застосування викликає деякі сумніви.
Аналіз наявних моделей та методів показує, що є багато причин аварій у системах водопостачання: зношення трубопроводів, корозія, нерівномірність тиску та вплив ґрунту. Прогнозування аварій повинно враховувати ці фактори та бути спрямованим на передбачення можливих ризиків та аварійних ситуацій. Необхідно розробити інтегровану модель [5] для прогнозування безперервності водопостачання та інтегрувати її в наявну систему підтримки прийняття рішень [6-7].
При визначенні частоти відмов та інших показників безвідмовності певно оцінюються факти відмов і моменти їх настання. Причини, що визначають тривалість періоду між відмовами, у принципі є невідомими. Однак за сукупним впливом всі вони можуть бути об’єднані у дві групи: властивості зносостійкості ділянки трубопроводу (в першу чергу, якість матеріалів і виконання будівельно-монтажних робіт) і вплив зовнішнього середовища (параметри води в трубопроводі, властивості ґрунтів, наявність блукаючих струмів тощо).
Вочевидь, власні властивості ділянок трубопроводів визначають «потенційну швидкість старіння», тобто форму закону розподілу часу безвідмовної роботи, а зовнішні умови – «прискорення старіння», тобто є масштабним параметром. Ґрунтуючись на досвіді експлуатації, розглядаються можливі значення одного з невідомих параметрів і після визначення кількості відмов, що відбулися на відомому інтервалі часу, обчислюється значення другого невідомого параметра. Таким чином стають відомими характеристики функції розподілу часу безвідмовної роботи ділянок трубопроводів, що дозволяє виконувати подальші розрахунки.
Технічно простіше встановити характеристики зовнішнього середовища – величину та коливання тиску в трубопроводі, кислотність ґрунту, наявність блукаючих струмів тощо. Для спрощення використовуватимемо три групи: помірні умови експлуатації, підвищено агресивні умови та умови експлуатації з низькою агресивністю навколишнього середовища.
Перша група – інформація про саму трубу: M – матеріал (чавун, пластик, кераміка); D – діаметр поперечного перерізу труби; H – товщина стін труби.
Очевидно, що чим міцніший матеріал, менше діаметр і товщі стінки, тим довше час безвідмовної роботи. Припускаємо, що всі матеріали були якісні, а будівельно-монтажні роботи проведені на високому рівні. А якщо ні, то цей параметр об’єктивно оцінити неможливо. Дані цієї групи постійні (тобто задаються одного разу на певну ділянку трубопроводу та не змінюються з часом).
Друга – інформація про зовнішні впливи (вони можуть бути також «зсередини») на трубу: наявність домішок у воді (приводить до відкладень та наростань); перепади тиску води; частота відсутності водопостачання (точніше, факт його відсутності більше однієї години); кислотність ґрунту. Тут можливі як умовні оцінки (1 – умови експлуатації з низькою агресивністю навколишнього середовища; 2 – помірні умови експлуатації; 3 – підвищено агресивні умови), так і номінальні (0/1) чи числові. У другому випадку потрібно знати, що вважається нормою у кожному пункті.
Третя – інформація про відмови в роботі (тобто про аварії) та ремонти. Припускаємо, що в результаті ремонту здійснювався саме ремонт, а не заміна ділянки трубопроводу, тому що завдання «зануляється» – ми отримуємо нову трубу. Враховується не тільки загальна кількість ремонтів на ділянці, а й тимчасові інтервали між ними.
Потрібно спрогнозувати:
- скільки на даній ділянці водопроводу може бути аварій (за певний період часу);
- коли на даній ділянці водопроводу станеться така аварія?
Для другого завдання перший параметр стає вхідним. Далі потрібно внести зміни в наявний додаток для можливості здійснення розрахунків.
Література
- Дегтерєва Л. І., Солодовник М. В. Аналіз довговічності та надійності трубопроводів підземної прокладки в умовах міста // Вода, екологія, суспільство, 2010. [Електронний ресурс]. – URL: http://eprints.kname.edu.ua/31391/1/61.pdf. – Дата звернення: 14.11.2023.
- Frolov A., Bykov A. Design of an automated system for detecting accidents in the water supply network // Sciences of Europe, 2021. – No. 65, vol. 1. – P. 50–54.
- Закабула О.Ю., Мельников О.Ю. Аналіз моделей і методів прогнозування можливості аварій в системі водопостачання // Збірник наукових праць за матеріалами XV Всеукраїнської науково-практичної конференції «Актуальні проблеми комп’ютерних наук АПКН-2023». – Хмельницький, 2023. – С. 99–101.
- Мельников О. Ю., Закабула О. Ю. Застосування нейронних мереж для прогнозування тривалості ремонтних робіт під час пошкодження водопроводу в невеликому місті // Нейромережні технології та їх застосування НМТіЗ-2021: збірник наукових праць XX Міжнародної наукової конференції «Нейромережні технології та їх застосування НМТіЗ-2021» / за заг. ред. С.В.Ковалевського. – Краматорськ: ДДМА, 2021. – С. 99-102.
- Закабула О. Ю., Мельников О. Ю. Створення інтегральної моделі прогнозування безперебійності функціонування водопостачання та уведення її до наявної системи підтримки прийняття рішень // Сучасні комп’ютерні системи та мережі в управлінні: матеріали VI Всеукраїнської наук.-практ. Інтернет-конф. здобувачів вищої освіти та молодих вчених (30 листопада 2023 р., м. Хмельницький, м. Херсон) / за ред. А. А. Григорової. – Херсон: Книжкове видавництво ФОП Вишемирський В. С., 2023. – С. 167–169. – ISBN 978-617-8187-04-0 (електронне видання)
- Olexij Zakabula, Oleksandr Melnykov. Decision Support System for calculating the Optimal Provision of Residents of Small Towns with Drinking Water in Extreme Cases // Central European Researchers Journal. – CERES, 2021. – Volume 7. Issue 1. – С.89-94. – ISSN 2453-7314. – URL: http://ceres-journal.eu/download.php?file=2021_01_10.pdf
- Мельников О. Ю., Закабула О. Ю. Моделювання рівня незадоволення потреб мешканців малих міст при постачанні питної води в екстремальних випадках // Сучасні проблеми моделювання соціально-економічних систем. Матеріали XIV міжнародної науково-практичної конференції 6-7 квітня 2023 р. – Мультимедійне наук. електрон. вид. – Братислава – Харків, ВШЕМ – ХНЕУ ім. С. Кузнеця, 2023. Укр. мова, англ. мова. – [Електронний ресурс] – https://mpsesm.org/book/2023/pages/sections/section05/page05.html