|
КИЇВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
БУДІВНИЦТВА І АРХІТЕКТУРИ
УСЕНКО ІРИНА СЕРГІЇВНА
УДК 628.14
АНАЛІЗ НАДІЙНОСТІ
ТА ПОБУДОВА ТРАСУВАНЬ
КІЛЬЦЕВИХ ВОДОПРОВІДНИХ МЕРЕЖ
05.23.04 — Водопостачання‚ каналізація
АВТОРЕФЕРАТ
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
Київ - 2004
Дисертацією є рукопис.
Робота виконана у Полтавському національному технічному університеті імені Юрія Кондратюка Міністерства освіти і науки України.
Науковий керівник: Новохатній Валерій Гаврилович,
кандидат технічних наук‚ доцент
кафедри гідравліки, водопостачання і
водовідведення
Полтавського національного технічного
університету імені Юрія Кондратюка.
Офіційні опоненти: Прокопчук Іван Тимофійович,
доктор технічних наук‚ професор
кафедри водопостачання
Київського національного університету
будівництва і архітектури.
Чарний Дмитро Володимирович,
кандидат технічних наук‚ старший науковий співробітник
відділу водопостачання і каналізації
Інституту гідротехніки і меліорації УААН.
Провідна установа − Харківський державний технічний університет будівництва і архітектури.
Захист дисертації відбудеться “12 ” травня 2004 р., о 1300 годині, на засіданні вченої ради Д 26.056.07 при Київському національному університеті будівництва і архітектури, 03680, м. Київ, Повітрофлотський проспект, 31, ауд. 466.
З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Київського національного університету будівництва і архітектури за адресою: 03680, м. Київ, Повітрофлотський проспект, 31.
Відгуки на автореферат просимо надсилати у двох примірниках за підписом, завіреним печаткою, на адресу: 03680, м. Київ, Повітрофлотський просп. 31, КНУБА, Вчена рада.
Автореферат розісланий “ 8 ” квітня 2004 р.
Вчений секретар
спеціалізованої ради Д 26.056.07
к.т.н., професор О.А.Василенко
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми. Як зазначено у законі України “Про питну воду та питне водопостачання”‚ одним із принципів державної політики у сфері питного водопостачання є гарантоване забезпечення питною водою населення на питні‚ фізіологічні‚ санітарно-гігієнічні та побутові потреби. Реалізація цього принципу потребує створення високотехнологічних й економічних систем водопостачання‚ що неможливо без відповідних наукових досліджень‚ які передують створенню таких систем. Системи подачі і розподілу води‚ складовою частиною яких є водопровідні мережі‚ великою мірою визначають надійну та економічну роботу всього водопровідного комплексу споруд‚ а тому потребують досліджень‚ які відповідають сучасним вимогам споживачів. Але питання гарантованого й економічного забезпечення водою споживачів не можуть бути вирішені окремо від задачі оцінювання надійності та економічності водопровідних мереж‚ побудова і поліпшення трасувань яких є першим етапом на шляху будівництва чи реконструкції цих мереж.
Сучасний розвиток водопостачання в Україні йде шляхом реконструкції та інтенсифікації роботи діючих споруд систем водопостачання. Стан цих споруд характеризується значним зношенням‚ низькою ефективністю роботи і високим енергоспоживанням. В умовах дефіциту фінансових ресурсів‚ які потрібні для впровадження сучасних технологій і обладнання та його економічної експлуатації‚ постає питання ресурсо- та енергозбереження в усьому ланцюзі водопровідних споруд‚ у тому числі й у водопровідних мережах. Але у теорії водопостачання до сьогодні не виконані сучасні наукові дослідження і не розроблені відповідні математичні методи‚ які б дозволяли вести раціональне трасування нових і реконструкцію існуючих водопровідних мереж. Інтенсивний розвиток комп’ютерних технологій дозволяє підняти вказані питання на новий‚ значно вищий науковий рівень. З іншого боку‚ розроблення і запровадження у практику таких методів дає змогу зменшити вартість водопровідних мереж‚ економити енергоресурси під час експлуатації та підвищувати надійність мереж‚ що гарантує забезпечення водою споживачів. Вищевказані обставини стали підставою для вибору теми дослідження.
Зв’язок роботи з науково-технічними програмами. Роботу виконано згідно з планом науково-дослідних робіт Полтавського національного технічного університету імені Юрія Кондратюка за темою “Розроблення‚ дослідження та упровадження нових технічних рішень систем водопостачання і водовідведення” затвердженого 05.07.1999 року та відповідно до постанови Кабінету Міністрів України № 1269 від 17.11.1997 року “Про програму розвитку водопровідно-каналізаційного господарства”.
Метою роботи є наукове обгрунтування більш досконалих методів розрахунку надійності та побудови трасувань кільцевих водопровідних мереж населених місць.
Задачі дослідження. Для досягнення вказаної мети було потрібно:
- вивчити сучасний стан питання розрахунків надійності і методів побудови трасувань кільцевих водопровідних мереж;
- побудувати математичну модель надійності структури кільцевої водопровідної мережі та проаналізувати цю модель;
- установити критерій вибору структури кільцевої водопровідної мережі за надійністю й розробити метод його обчислення;
- удосконалити методи побудови трасувань магістральних кільцевих водопровідних мереж шляхом їх узагальнення і наукового обгрунтування;
- розробити метод підвищення надійності структури кільцевої водопровідної мережі;
- провести апробацію розробленої методики аналізу надійності та побудови трасувань кільцевих водопровідних мереж на планах нових міст і діючих водопроводах.
Об’єкт дослідження - кільцеві водопровідні мережі міст.
Предмет дослідження - побудова трасувань та обгрунтування їх надійності для кільцевих водопровідних мереж міст.
Методи дослідження - математичне і комп’ютерне моделювання; теорія надійності та структурний аналіз; аналітична геометрія; теорія графів.
Наукова новизна одержаних результатів:
- розроблено і науково обгрунтовано більш досконалі математичні моделі надійності структур кільцевих водопровідних мереж у вигляді поліномів;
- запропоновано поняття граничної надійності rгр ділянки кільцевої водопровідної мережі як критерію вибору структури‚ відносно якого використання ділянок із більшою надійністю збільшує надійність структури та навпаки;
- удосконалено існуючі методи побудови трасувань магістральних кільцевих водопровідних мереж шляхом наукового обгрунтування і застосування еквідистанти‚ функції домінуючих напрямків‚ сітки домінуючих напрямків з її трансформацією у структуру мережі;
- розроблено метод підвищення надійності структури кільцевої водопровідної мережі при її реконструкції шляхом визначення місця прокладання нової ділянки;
- на основі запропонованих моделей розроблена методика аналізу надійності та побудови трасувань кільцевих водопровідних мереж‚ яка реалізована в програмному комплексі.
Практичне значення отриманих результатів. Розроблено більш досконалу інженерну методику аналізу надійності трасувань кільцевих водопровідних мереж‚ яка дозволяє вибрати структуру мережі максимальної надійності‚ визначити граничну надійність ділянки мережі‚ віднайти ті ділянки мережі‚ які найбільше підвищують надійність структури при її розвитку. Розроблено методику графо-аналітичної побудови трасувань нових кільцевих водопровідних мереж‚ яка дає можливість будувати декілька конкурентоздатних варіантів трасувань кільцевої водопровідної мережі і вибрати найкращий за надійністю. Запропоновані методики можуть бути використані як у проектній практиці‚ так і на діючих системах водопостачання. В обласному державному комунальному підприємстві “Полтававодоканал” виконано оцінювання надійності структури магістральної кільцевої водопровідної мережі м. Полтави і встановлені першочергові ділянки‚ введення яких збільшує її надійність. Річний економічний ефект за рахунок підвищення надійності складає 96‚1 тис. грн.
Особистий внесок здобувача полягає у розробленні методу підготовки даних для трасування водопровідних мереж у системі AutoCAD; реалізації принципу рівномірності розташування та вимоги двостороннього живлення стосовно трасування магістральних водопровідних мереж; побудові функції домінуючих напрямків та використанні її для трасування магістральних водопровідних мереж; розробленні послідовності побудови домінуючих ланцюгів і сітки домінуючих напрямків та трансформації сітки домінуючих напрямків вуличної мережі; пропонуванні питомої значимості у якості критерію для оцінювання надійності мережі й виконанні порівняння трасувань водопровідних мереж; побудові формули надійності і виконанні порівняльного аналізу надійності структур водопровідних мереж; оцінюванні надійності за відносною кількістю покривних дерев для структур водопровідної мережі; побудові напірної характеристики водопровідної мережі; розробленні методу обчислення граничної надійності для деяких структур водопровідних мереж; отриманні формули надійності деяких структур мережі та виконанні їх порівняння за надійністю.
Апробація результатів дисертації. Основні результати роботи доповідались на 51-54 наукових конференціях викладачів‚ аспірантів і співробітників Полтавського національного технічного університету імені Юрія Кондратюка (Полтава, 1999-2003 рр.)‚ на 61-63 науково-практичних конференціях Київського національного університету будівництва і архітектури (Київ, 2001-2003 рр.)‚ на 56-ій науково-технічній конференції Харківського державного технічного університету будівництва і архітектури (Харків, 2001 р.)‚ обласній науково-практичній конференції “Шляхи підвищення ефективності впровадження науково-технічних розробок і засобів механізації в будівництво Полтавщини” (Полтава, 2002 р.), міжнародній науково-практичній конференції “Сучасні проблеми охорони і раціонального використання водних ресурсів та очистки природних і стічних вод” (Миргород, 2002 р.).
Публікації. За результатами дисертаційної роботи опубліковано 14 друкованих робіт‚ у тому числі 11 у фахових виданнях‚ 1 патент України.
Структура та обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається зі вступу‚ п’яти розділів‚ загальних висновків‚ списку літератури з 191 найменувань та двох додатків. Загальний обсяг роботи ? 173 сторінки‚ із них 146 сторінок основного тексту‚ 6 таблиць‚ 36 рисунків.
Роботу виконано в Полтавському національному технічному університеті імені Юрія Кондратюка.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
Текст роботи містить у собі основні результати дисертаційних досліджень.
У вступі сформульвана актуальність роботи, мета, задачі, об’єкт, предмет та методи дослідження, наукова новизна і практичне значення отриманих результатів.
У першому розділі дисертації розглянуті сучасний стан питання аналізу надійності і побудови трасувань магістральних кільцевих водопровідних мереж. Класичні інженерні принципи трасування водопровідних мереж розробили докт. техн.наук М.М.Абрамов та інж. М.М.Андріяшев. Докт. техн. наук В.П.Сироткін охарактеризував водопровідну мережу як сукупність водопровідних ліній та ділянок‚ які з’єднані між собою послідовно чи паралельно. Докт. техн. наук П.Д.Хоружий підтверджує‚ що класичні принципи трасування залишаються діючими й обгрунтованими до цього часу. Канд. техн. наук В.Г.Новохатній запропонував виконувати трасування мережі міста за чотирма схемами після вибору місця водозабору та трасування водогонів. Доктори техн. наук А.М.Тугай та В.О.Орлов підтвердили класичні методи трасування і для схеми з явно вираженими магістралями навели нові значення відстаней.
Компанія Haestad Methods розробила систему WaterCAD для моделювання процесів руху води у водопровідній мережі шляхом відповідних гідравлічних розрахунків. Агентство США із захисту навколишнього середовища розробило програму “EPANET 2.0”‚ що дає можливість запуску гідравлічної моделі і моделі якості води. ООО “Политерм”(Росія, Санкт-Петербург) постачає програмний комплекс ZuluHydro‚ який виконує гідравлічний розрахунок для різних режимів роботи водопровідної мережі. Але розглянуті методи не дають однозначного розв’язання‚ а існуючі комп’ютерні комплекси налаштовані на гідравлічні розрахунки і не вирішують задачі побудови трасувань кільцевих водопровідних мереж.
Аналіз робіт із надійності систем водопостачання показав, що фундатором цих досліджень був докт. техн. наук М.М.Абрамов На Україні початок досліджень надійності систем водопостачання поклав канд. техн. наук М.П.Бєлозоров (м. Рівне). На часі дослідження з надійності водопровідних споруд ведуть докт. техн. наук І.І.Науменко та його школа (м. Рівне), кандидати техн. наук В.Г.Новохатній (м. Полтава) й М.О.Українець (м. Запоріжжя). Активно підтримують цей напрям чл.-кор. НАНУ О.Я.Олійник ‚ доктори техн. наук А.М.Тугай, І.Т.Прокопчук, П.Д.Хоружий та його школа (м. Київ), В.О.Орлов (м. Рівне), Г.С.Пантелят, М.І.Колотило (м. Харків), П.О.Грабовський (м. Одеса), А.Я.Найманов (м. Макіївка) й інші науковці.
Для систем комунального водопостачання у якості показників надійності ділянок і структур кільцевих водопровідних мереж запропоновано використовувати середнє напрацювання між відмовами Т та середню тривалість відновлення ТВ‚ а у якості комплексного показника - коефіцієнт готовності  .
Наведено існуючу термінологію із водопровідних мереж згідно з нормативною літературою‚ а також додаткову термінологію‚ що пропонується за матеріалами дослідження.
Рис. 1 Графіки функції надійності структур водопровідних мереж
У другому розділі виконано аналіз надійності трасувань кільцевих водопровідних мереж: побудовано математичну модель надійності та розроблено метод побудови формули надійності структури кільцевої водопровідної мережі; виконано розрахунки формул надійності для систематизованого ряду кільцевих неізоморфних структур.
Запропоновано визначення станів для оцінювання надійності структури водопровідної мережі: працездатний стан - усі вузли структури з’єднані між собою ділянками; непрацездатний стан - хоча б один із вузлів структури мережі відокремлений; граничний працездатний стан - усі вузли структури мережі з’єднані покривним деревом.
Формула надійності структури кільцевої водопровідної мережі R=f(r) - це функція‚ що визначає надійність структури мережі R залежно від надійності r її ділянок.
Побудуємо графік цієї функції у декартовій системі координат (рис. 1). На осі абсцис відкладемо значення надійності ділянок r‚ а на осі ординат - значення надійності структури R в інтервалі [0; 1].
Якщо структура представлена одним елементом‚ то її надійність лінійно залежить від надійності ділянки і графік її функції є прямою R=r (рис. 1). Якщо структура складається з p послідовно поєднаних ділянок‚ то її функцією надійності є парабола виду R=rp. Чим більше ділянок p‚ тим менша надійність. Якщо структура складається з p паралельно поєднаних ділянок‚ то її функція надійності є парабола виду R=1-(1-r)p. Чим більше ділянок p‚ тим менше значення (1-r)p і більше значення надійності структури R=1-(1-r)p. Математичною моделлю надійності структури кільцевої водопровідної мережі‚ яка є мішаною структурою‚ прийнято поліном
R = a1 r p + a2 r p-1 + ... + an r p-n+1 + Tr p-n ; (1)
при граничних умовах: 0≤ r ≤ 1; 0 ≤ R ≤ 1; R=0 при r=0; R=1 при r=1 (2)
та обмеженні: r1 = r2 = ... = rp = r‚ (3)
де p - число ділянок; n - число кілець; T - число покривних дерев;
an - коефіцієнти полінома; r - надійність ділянки структури мережі.
Точку перетину функцій R= r і R=f(r) назвемо граничною Pгр(rгр; Rгр) тому‚ що вона фіксує границю між верхньою й нижньою частинами графіка функції R=f(r). Ця точка визначає таку граничну надійність ділянки rгр‚ що використання ділянок із меншою надійністю призводить до зменшення надійності структури мережі та при цьому завжди буде R<r. І навпаки‚ використання ділянок із надійностю r>rгр завжди призводить до збільшення надійності структури мережі, й тоді завжди буде R>r.
Отже‚ чим менше значення rгр‚ тим суттєвішим є вплив топології структури на надійність. Тобто саме таке поєднання ділянок структури кільцевої водопровідної мережі є найкращим тому‚ що при однакових значеннях r для всіх аналізованих структур саме така топологія дає найбільшу надійність.
Найбільша складність для побудови формули надійності структури водопровідної мережі - це визначення коефіцієнтів полінома an. Запропоновано чисельний метод для визначення граничної надійності. Розроблено методи побудови формули надійності структури та систематизовано за надійністю ряд кільцевих неізоморфних структур.
У третьому розділі розроблено математичний інструмент для побудови трасувань: еквідистанту та функцію домінуючих напрямків. Еквідистанта - це лінія‚ що проходить на відстані D від заданої лінії. Якщо побудувати еквідистанту до зовнішнього контуру плану міста‚ то вона повинна пройти в середині плану на відстані 0‚5 D від його зовнішнього контуру (рис. 2 а). Якщо прийняти еквідистанту межею трасування‚ то тоді буде враховано принцип економічності трасування через забезпечення двостороннього живлення споживачів усіма ділянками мережі. Наведено визначення координат еквідистанти‚ множини її вершин‚ а також послідовність побудови її ділянок.
Функція домінуючих напрямків вулиць дозволяє математично обгрунтувати напрямки магістралей та перемичок при трасуванні магістральної водопровідної мережі. На рисунку 2 б побудовано графік функціїї домінуючих напрямків  у полярній системі координат для плану міста на рисунку 2 а. З графіка видно‚ що функція має два максимуми: глобальний lmax1 і локальний lmax2‚ які визначають два домінуючих напрямки планувальної структури міста.
а) б)
Рис. 2 Еквідистанта (а) та графік функції домінуючих напрямків (б)
У дисертаційній роботі викладено послідовність побудови функції домінуючих напрямків із подальшим визначенням її локальних максимумів.
У четвертому розділі розроблено методику побудови трасувань кільцевої магістральної водопровідної мережі. Подано структурну схему цієї побудови‚ що включає чотири етапи:
- побудову бази початкових даних;
- визначення домінуючих ланцюгів;
- побудова сітки домінуючих напрямків для плану міста;
- трансформація сітки домінуючих напрямків у трасування (структуру) мережі.
Побудова бази початкових даних передбачає способи їх уведення‚ а також коригування‚ фільтрування й упорядкування в рамках системи автоматизованого проектування.
З умови економічності випливає необхідність двостороннього живлення споживачів від ділянок водопровідної мережі у межах внутрішньої структури вулиць міста без виходу її на зовнішній контур. Тому для плану міста (рис. 3 а) побудуємо еквідистанту і приймемо її зовнішньою межею трасування‚ лінії якої утворюють множину відрізків BK.
Рис. 3 Побудова сітки домінуючих напрямків для плану міста
Локальні максимуми функції домінуючих напрямків приймемо напрямками трасування. Із множини простих ланцюгів Λ={Λ1 ... Λn} планувальної структури міста визначимо ланцюги‚ що мають найбільші сумарні довжини у домінуючих напрямках, і назвемо їх домінуючими ланцюгами Dlmax1 і Dlmax2. Призначимо крок зміщення D1 та побудуємо серію ліній сітки відносно Dlmax1 (рис. 3 б):
B1 = {M 1 ,..., M i }‚ (4)
де M l - лінія домінуючого ланцюга Dlmax1; Mi - еквідистанта до Dlmax1.
Зі зміщенням D2 побудуємо серію ліній відносно Dlmax2 (рис. 3 в):
B2 = {P 1 ,..., P i }‚ (5)
де P l - лінія домінуючого ланцюга Dlmax2; Pi - еквідистанта до Dlmax2.
У результаті отримуємо сітку домінуючих напрямків (рис. 3 г)‚ яка є кільцевою‚ враховує планування міста і не виходить на зовнішній контур. Множина ліній сітки BG є об’єднанням множин еквідистант:
BG = B K ∪ B 1 ∪ B 2 . (6)
У дисертації наведено послідовності побудови домінуючих ланцюгів та сітки домінуючих напрямків.
Рис. 4 Побудова ланцюга ділянок трасування водопровідної мережі
Сітка домінуючих напрямків не може точно пройти мережею вулиць через значну різноманітність напрямків ділянок планувальної структури міста. Тому для побудови трасування водопровідної мережі‚ необхідно трансформувати сітку домінуючих напрямків у планувальну структуру міста й отримати трасування мережі.
Трансформацією ліній сітки домінуючих напрямків будемо вважати знаходження ланцюга ділянок трасування водопровідної мережі вулицями міста‚ який за формою та розміщенням буде найбільше наближатись до ланцюга сітки домінуючих напрямків (рис. 4). В цьому ж розділі представлено послідовність трансформації сітки домінуючих напрямків‚ показано деякі результати її застосування. Підкреслено‚ що при зміні величини зміщення еквідистант такий підхід дозволяє генерувати множини варіантів трасування із дотриманням принципів надійності та економічності. Для прикладу проведено аналіз дев’яти варіантів трасування і встановлено‚ що чотири з них є ізоморфними‚ тобто топологічно однаковими‚ тому із подальшого розгляду вони були вилучені. Для інших п’яти варіантів побудовано формули та графіки надійності‚ обчислена гранична надійність і вибрано кращий із них за встановленим критерієм граничної надійності rгр.
У п’ятому розділі викладено результати аналізу надійності трасувань та їх побудови для кільцевих водопровідних мереж. Наведено формули надійності деяких поширених трасувань на базі кілець із трьох і чотирьох ділянок при числі вузлів m≤12, числі кілець n≤5‚ числі ділянок p≤16. Структури проранжовані у порядку зростання надійності для фіксованих значень m‚ n‚ p (приклад див. табл. 1). Із наведених структур найвищу надійність має остання (rгр =0‚808).
Наведено оцінювання надійності структури магістральної кільцевої водопровідної мережі м. Полтави. Ця структура має такі геометричні характеристики: число ділянок p=30‚ число вузлів m=21 і число кілець n=10.
Таблиця 1
| 
