Побудовано формулу надійності для структури магістральної кільцевої водопровідної мережі м. Полтави (табл.2)‚ яка має вигляд полінома 30-го степеня
R= 197556r30 – 2355004r29+12657330r28– 40395562r27+ 84787532r26– 22311820r25+
122828816r24 – 84801329r23 +38528203r22 – 10404025r21 +1268304r20. (7)
Гранична надійність ділянки rгр= 0‚825. Число всіх станів 1 073 741 824‚ працездатних станів 7 151 220‚ граничних працездатних станів 1 268 304.
Аналіз показав‚ що при реконструкції водопровідної мережі найбільш ефективним буде прокладення нової ділянки між вузлами 8 та 12. Число працездатних станів у цьому випадкові збільшиться на 31%‚ а гранична надійність поліпшиться на 1‚26%.
Для фіксованих геометричних характеристик надійність структури пропорційна числу покривних дерев. Тоді можна вважати‚ що структура мережі s1 надійніша за структуру s2‚ якщо Z1> Z2‚ де Z - число покривних дерев структури мережі s. З урахуванням загальної довжини ділянок ΣL структури мережі запропоновано використовувати питоме число покривних дерев z = Z/ΣL. Наведено приклади такого вибору‚ а також розроблено метод підвищення надійності структури мережі шляхом визначення місця прокладання нової ділянки. Вибирається той варіант прокладання нової ділянки‚ який дає максимальне значення числа покривних дерев для нової структури мережі.
Таблиця 2
Виконано відповідні розрахунки для структури діючої магістральної водопровідної мережі м. Полтави. Визначено‚ що найбільший приріст надійності структури мережі (24‚69%) відбудеться у разі прокладання нової ділянки 8-12‚ а також 10-19 (24‚55%)‚ 7-19 (24‚37%)‚ 8-17 (23‚58%)‚ 11-12 (22‚67%). Остаточне рішення слід прийняти після додаткових економічних розрахунків.
Розроблена інженерна методика аналізу надійності й побудови трасувань кільцевих водопровідних мереж для діючих і проектованих водопроводів та побудову нових трасувань із використанням комп’ютерних технологій. Вона включає чотири етапи: (рис. 5)
1. Уведення початкових даних складається зі сканування та імпорту зображення міста в систему автоматизованого проектування й створення бази даних креслення.
2. Підготовка даних передбачає фільтрування‚ коригування та впорядкування даних.
3. Побудова трасування використовує еквідистану і функцію домінуючих напрямків для сітки домінуючих напрямків та трансформацію її у структуру мережі.
4. Аналіз надійності трасування використовує математичну модель для визначення остаточного варіанта трасування.
Рис. 5 Етапи методики аналізу надійності трасувань та їх побудови для
кільцевих водопровідних мереж
Як реалізацію розробленої методики запропоновано створений програмний комплекс TRASS‚ що складається з блоку підготовки даних‚ блоку побудови трасувань та блоку аналізу надійності трасувань.
ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ
1. Розроблено більш досконалі методи розрахунку надійності та побудови трасувань як проектованих так і діючих кільцевих водопровідних мереж. Отримано формулу надійності трасувань (структур) кільцевих водопровідних мереж у вигляді поліномів.
2. Встановлено‚ що формула надійності (поліном) структури кільцевої водопровідної мережі визначається тільки топологією і залишається завжди незмінною для даної структури кільцевої водопровідної мережі.
3. При виборі структури кільцевої водопровідної мережі запропоновано користуватись граничною надійністю ділянки rгр такої‚ що застосування ділянок з меншою надійністю знижує надійність структури мережі. Встановлено‚ що значення граничної надійності ділянки rгр також визначається тільки топологією даної структури і завжди залишається незмінним для даної структури. Потрібно вибирати ту структуру кільцевої водопровідної мережі‚ яка має мінімальне значення rгр.
4. Для систем комунального водопостачання у якості показників надійності ділянок і структур кільцевих водопровідних мереж запропоновано використовувати середній наробіток між відмовами T та середню тривалість відновлення (ремонту) TВ. Комплексним показником надійності ділянки та структури кільцевої водопровідної мережі запропоновано використовувати коефіцієнт готовності А=T/(T+TВ).
5. Удосконалено існуючі методи трасування кільцевих магістральних водопровідних мереж шляхом комп’ютерної побудови конкурентоздатних варіантів трасувань. Для цього у якості математичного інструменту запропоновано використовувати еквідистанту та функцію домінуючих напрямків; процес побудови трасування магістральної водопровідної мережі реалізовано шляхом трансформації сітки домінуючих напрямків у планувальну структуру міста.
6. Для прискореного вибору структури кільцевої водопровідної мережі більшої надійності запропоновано використовувати питому значимість z‚ а для оцінювання ролі ділянки у структурі мережі — значимість ділянки Zij.
7. Розроблено метод підвищення надійності структури кільцевої водопровідної мережі при її розвитку шляхом визначення місця прокладання нової ділянки. Запропоновано вважати найкращою таку нову ділянку‚ уведення якої створює найбільше число граничних працездатних станів (покривних дерев) структури мережі.
8. Розроблено інженерну методику аналізу надійності та побудови трасувань кільцевих водопровідних мереж міст. Для реалізації методики створено комплекс TRASS‚ що налічує 42 програми мовою TURBO PASСAL‚ які дозволяють розраховувати формулу надійності структури цієї мережі при числі ділянок p≤30 та будувати трасування кільцевої водопровідної мережі при числі ділянок p≤100. Запровадження даної методики в обласному державному комунальному підрпиємстві “Полтававодоканал” для кільцевої магістральної водопровідної мережі м. Полтави дозволяє отримати річний економічний ефект 96‚1 тис. грн.
СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ
- статті у фахових виданнях:
- Новохатній В.Г., Усенко І.С. До питання трасування водопровідних мереж для їх подальшого будівництва // Зб. наук. пр. (галузеве машинобуд.‚ буд-во). Вип. 4. - Полтава‚ ПДТУ імені Юрія Кондратюка‚ 1999. - С. 146-150.
- Новохатній В.Г.‚ Усенко І.С.‚ Усенко В.Г. Побудова еквідистанти в задачі трасування водопровідних мереж// Зб. наук. пр. (галузеве машинобуд.‚ буд-во). Вип. 5. - Полтава: ПДТУ імені Юрія Кондратюка‚2000. - С. 212-217.
- Наконечний В.В.‚ Усенко І.С. Визначення домінуючих напрямків для трасування водопровідних мереж// Коммунальное хозяйство городов: Научн.-техн. сб. Вып. 23. - К.: Техника‚ 2000. - С.130-132.
- Новохатній В.Г.‚ Усенко В.Г.‚ Усенко І.С. Алгоритм побудови домінуючого ланцюга для трасування водопровідної мережі міста// Коммунальное хозяйство городов: Научн.-техн. сб. - К.: Техніка‚ 2001. - Вып. 27. - С. 141-144.
- Новохатній В.Г.‚ Усенко І.С.‚ Усенко В.Г. Сітка домінуючих напрямків для синтезу трасувань магістральної водопровідної мережі// Науковий вісник будівництва. Зб. наук. пр. Вип. 12. - Харків‚ ХДТУБА‚ ХОТВ АБУ‚2001. - С. 294-297.
- Новохатній В.Г.‚ Усенко І.С.‚ Усенко В.Г. Трансформація сітки домінуючих напрямків у задачі трасування водопровідних мереж// Зб. наук. пр. (галузеве машинобуд.‚ буд-во). Вип. 7. - Полтава‚ ПДТУ імені Юрія Кондратюка‚ 2001. - С. 82-85.
- Новохатній В.Г.‚ Усенко І.С. Оцінювання надійності трасувань водопровідних мереж// Зб. наук. пр. (галузеве машинобуд.‚ буд-во). Вип. 8. - Полтава‚ ПДТУ імені Юрія Кондратюка‚ 2002. - С. 90-94.
- Усенко І.С. Аналіз надійності структур водопровідних мереж// Зб. наук. пр. (галузеве машинобуд.‚ буд-во). Вип. 9. - Полтава‚ ПолтНТУ імені Юрія Кондратюка‚ 2002. - С. 46-48.
- Новохатній В.Г.‚ Усенко І.С. Порівняльний аналіз надійності і топології структур водопровідних мереж// Зб. наук. пр. (галузеве машинобуд.‚ буд-во). Вип. 10. - Полтава‚ ПолтНТУ імені Юрія Кондратюка‚ 2002. - С. 50-55.
- Усенко І.С. Методика синтезу та оптимізації трасувань магістральних водопровідних мереж // Зб. наук. пр. (галузеве машинобуд.‚ буд-во). Вип. 11. - Полтава‚ ПолтНТУ імені Юрія Кондратюка‚ 2003. - С. 83-86.
- Ченчевий В.Г.‚ Новохатній В.Г.‚ Усенко І.С. Поліпшення надійності структури водопровідної мережі при її розвитку//Науковий вісник будівництва. Зб. наук. пр. Вип. 22. - Харків‚ ХДТУБА‚ ХОТВ АБУ‚2003. - С. 149-152.
- патенти:
- Пат. 51389 А Україна. Спосіб побудови напірної характеристики водопровідної мережі / Новохатній В.Г.‚ Усенко І.С.// Бюл. - 2002. - № 11.
- інші статті‚ доповіді‚ тези доповідей:
- Новохатній В.Г.‚ Усенко І.С. Метод обчислення і порівняння надійності структур водопровідних мереж// Зб. матеріалів конф. ”Сучасні проблеми охорони і раціонального використання водних ресурсів та очистки природних і стічних вод”. - К.: Знання‚ 2002. – С. 67-69.
- Новохатній В.Г.‚ Усенко І.С. Аналіз впливу топології на надійність структури водопровідних мереж// Проблеми водопостачання‚ водовідведення та гідравліки. Наук.-техн. зб. Вип. 1. - К.: КНУБА‚ 2003. - С. 36-41.
АНОТАЦІЯ
Усенко І.С. Аналіз надійності та побудова трасувань кільцевих водопровідних мереж. - Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.23.04 - Водопостачання‚ каналізація. Київський національний університет будівництва і архітектури, Київ, 2004.
Дисертацію присвячено аналізу надійності кільцевих водопровідних мереж міст та побудові трасувань мереж для нової забудови‚ а також у випадку реконструкції існуючих водопроводів.
Розглянуто сучасний стан питання аналізу надійності і побудови трасувань кільцевих водопровідних мереж. Виконано аналіз надійності трасувань кільцевих водопровідних мереж: побудовано математичну модель надійності й розроблено метод побудови формули надійності структури кільцевої водопровідної мережі; введено поняття граничної надійності як такої‚ що є критерієм вибору кращої структури водопровідної мережі. Виконано розрахунки формул надійності для систематизованого ряду кільцевих неізоморфних структур. Наведено приклади побудови формули надійності‚ порівняння та вибору структури мережі за надійністю.
Розроблено і запропоновано математичний інструмент для побудови трасувань: еквідистанту та функцію домінуючих напрямків. Досліджено й розроблено метод побудови трасувань кільцевих водопровідних мереж‚ який ураховує принцип економічності і надійності та передбачає чотири етапи: побудову бази вхідних даних‚ визначення прообразів сітки домінуючих напрямків‚ побудову сітки домінуючих напрямків‚ трансформацію сітки домінуючих напрямків у структуру трасування. Викладено результати аналізу надійності трасувань та їх побудови для кільцевих водопровідних мереж‚ наведено формули надійності деяких поширених трасувань кільцевих водопровідних мереж. Розглянуто порівняння структур водопровідних мереж за покривними деревами. Виконано оцінювання надійності структури магістральної водопровідної мережі м. Полтави‚ побудована математична модель її надійності. Запропоновано метод поліпшення надійності структури шляхом визначення місця введення нової ділянки. Розроблена інженерна методика аналізу надійності й побудови трасувань водопровідних мереж. Розроблено програмний комплекс TRASS‚ який реалізує методику аналізу надійності та побудови трасувань водопровідних мереж.
Ключові слова: водопровідна мережа; трасування; надійність мережі; покривні дерева.
АННОТАЦИЯ
Усенко И.С. Анализ надежности и построение трассировок кольцевых водопроводных сетей. - Рукопись.
Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.23.04 - Водоснабжение‚ канализация. Киевский национальный университет строительства и архитектуры, Киев, 2004.
В первом разделе проведен анализ литературных источников по методам трассирования и по методам оценивания надежности кольцевых водопроводных сетей. Анализ показал‚ что существующие методы трассирования не дают однозначного решения‚ а известные компьютерные системы настроены на гидравлические расчеты и не решают задачи трассирования и надежности водопроводных сетей.
Для оценки надежности кольцевой водопроводной сети предлагается использовать среднюю наработку между отказами и среднюю продолжительность восстановления‚ а в качестве комплексного показателя - коэффициент готовности.
Приведена существующая терминология по водопроводным сетям‚ а также дополнительная терминология‚ предлагаемая по материалам исследования.
Во втором разделе произведен анализ надежности трассировки кольцевых водопроводных сетей. Разработана математическая модель надежности структуры кольцевой водопроводной сети как полином p-ой степени‚ введены ограничения модели. Предложено понятие граничной надежности‚ которая принята критерием выбора лучшей структуры водопроводной сети. Установлено‚ что формула надежности структуры кольцевой водопроводной сети определяется только топологией и остается всегда неизменной для данной структуры. Представлены примеры построения формулы надежности для конкретной структуры и выбора лучшей структуры по предложенному критерию - граничной надежности.
Исследована надежность ряда неизоморфных структур водопроводных сетей. Структуры сгруппированы по одинаковому числу узлов‚ колец и участков. Построены формулы и графики надежности структур‚ вычислена их граничная надежность, произведено ранжирование по надежности.
В третьем разделе предложен и разработан математический инструмент трассирования кольцевой водопроводной сети - эквидистанта и функция доминирующих направлений. Эквидистанту предлагается применить в трассировании для реализации принципов равномерности и экономичности. Приведены уравнения‚ метод и особенности построения эквидистанты.
Разработана функция доминирующих направлений‚ которая является интегрированной геометрической характеристикой планировочной структуры города. Она выражает зависимость суммарных длин участков улиц от углов между осями улиц и некоторым выбранным направлением. Локальные максимумы функции доминирующих направлений определяют направления линий магистралей и перемычек кольцевой водопроводной сети. Представлен метод и приведен пример посторения функции доминирующих направлений.
В четвертом разделе исследован и разработан метод построения трассировок кольцевых водопроводных сетей‚ который учитывает принципы экономичности и надежности и предусматривает четыре этапа: построение базы исходных данных‚ определение прообразов сети доминирующих направлений‚ построение сети доминирующих направлений‚ трансформацию сети доминирующих направлений в трассировку. Построение базы исходных данных предусматривает введение данных‚ их корректирование‚ фильтрацию и последующее упорядочение. Определением прообразов сети доминирующих направлений есть построение доминирующих цепей в планировочной структуре города по найденным доминирующим направлениям. По доминирующим цепям выполняется построение сети доминирующих направлений из эквидистант‚ которая трансформируется в трассировку кольцевой водопроводной сети.
Показаны примеры применения метода трассирования, и проанализирована их надежность.
В пятом разделе приведены результаты анализа надежности и построения трассировок кольцевых водопроводных сетей. Определены и изложены данные по надежности некоторых распространенных трассировок водопроводных сетей для сравнения и выбора структуры с наибольшей надежностью. Данные проранжированы в порядке возрастания надежности.
Представлен метод сравнения и выбора структуры водопроводной сети по покрывающим деревьям. Выполнено оценивание надежности структуры кольцевой водопроводной сети г. Полтавы‚ построена математическая модель надежности‚ приведена формула надежности ее структуры. Предложен метод повышения надежности структуры путем определения места прокладки нового участка кольцевой водопроводной сети.
Разработана инженерная методика анализа надежности и построения трассировок водопроводных сетей‚ состоящая из таких основных этапов: введение исходных данных; подготовка данных; построение трассировок; анализ надежности. Для реализации методики разработан программный комплекс TRASS.
Ключевые слова: водопроводная сеть; трассировка; надежность сети; покрывающие деревья.
SUMMARY
I.S.Usenko “Analysis of Reliability and Laying-out of Tracing for Loop Piping in Water Supply Networks”. – Manuscript.
The thesis in candidacy for a degree of Candidate of Engineering Sciences (speciality 05.23.04 – Water supply and sewerage systems). The Kyiv National University of Civil Engineering and Architecture, Kyiv, 2004.
The subject of the thesis is the reliability analysis of loop piping in urban water supply networks and laying-out of network tracing for new development as well as for the reconstruction of existing water supply networks.
The current situation in analyzing the reliability and laying-out of tracing for loop piping in water supply networks has been examined. The analysis of reliability in tracing of loop piping of water supply networks has been performed as follows: the mathematical modeling of reliability and the ways to compile a formula of reliability of loop piping in water supply networks has been developed; the concept of boundary reliability as being one of criteria to single out the best layout of water supply network has been introduced. The reliability formulae for regular range of annular non-isomorphous structures have been calculated. A number of examples on compiling formula of reliability, comparing and choosing the structure of network by its reliability have been quoted.
The mathematical tools for laying-out tracing: equidistance and function of dominated directions have been developed and proposed. The method of laying-out tracing of loop piping in water supply networks has been investigated and developed. The later takes into account the financial and reliability factors and consists of four stages: formation of input data, determination of foretypes for dominated directions, formation of the dominated directions network, transformation of the dominated directions network into tracing structure. The procedure of the use of tracing have been shown by examples and the rate of their reliability has been analyzed.
The results of tracing reliability analysis and their lay-out for loop piping water supply networks have been stated. The formulae of reliability for a number of common tracing of loop piping water supply networks has been quoted. A number of structures of water supply networks according to topping trees have been examined. The reliability of the town of Poltava main water supply network has been estimated. The mathematical model of its reliability has been compiled. The method of betterment of the structure reliability by finding a new spot has been proposed. The engineering procedure in analyzing the reliability and laying-out the tracing of water supply networks has been developed. The programming complex TRASS, which implements the procedures of reliability analyzing and water supply network tracing lay-out has been developed.
Key words: water supply network; tracing; network reliability, trees covering.
| 
