Abstract

Application of GIS in Water Supply Engineering is based on integration of data describing water-conduit with other available data. There are analytical tools for effective work with these data. These tools enable optimising of running water supply network, modelling of break downs in pipe network and solving consequential problems. Demonstration of capabilities of network analyses is shown with PIPEMAN application, which has been created for pipeline break down modelling in water supply network. Data of water supply network of Nové Město (Prague) was prepared for this application. Software of companies ESRI (Arc/Info ver. 7.2.1 plus module NETWORK) and Microsoft (Visual Basic 5.0) was used for data preparation and programming of application PIPEMAN.

Abstrakt

Využití GIS ve vodárenství spočívá v integraci dat popisujících stávající vodovodní řad s ostatními dostupnými daty. Pro efektivní práci s těmito daty existují analytické nástroje, které nám umožní optimalizovat provoz těchto sítí, modelovat poruchy v síti a následně řešit důsledky těchto poruch. Demonstrace možností síťových analýz je předvedena na aplikaci PIPEMAN, která byla vytvořena pro modelování poruch ve vodovodní síti. Pro tuto aplikaci byla připravena ukázková data vodovodní sítě Nového Města (Praha). Při přípravě dat a vývoji aplikace PIPEMAN bylo použito softwaru firem ESRI (Arc/Info ver. 7.2.1. a modul NETWORK) a Microsoft (Visual Basic 5.0).

Úvod

Uplatnění technologií GIS ve vodárenství představuje rozsáhlou problematiku, ať se jedná o přípravu vstupních dat, o tlakové či hydraulické modelování, nebo o běžný provoz a údržbu sítě. Vodovodní sítě představují komplikované a rozsáhlé systémy. Zájmem provozovatele sítě je přístup ke všem informacím, které souvisí s vodovodním řadem - databáze vlastníků pozemků, databáze odběratelů, přístupové komunikace k jednotlivým elementům sítě, sledování poruch a jejich eliminace atd. GIS je ideální prostředek pro přípravu, údržbu a analýzu vodárenských dat. Mnohé obecně síťové analytické nástroje je možno buď přímo použít na vodárenská data v systému GIS, nebo je začlenit do specializovaných aplikací zaměřených na konkrétní problematiku.

Firma ESRI dodává síťový modul NETWORK, pro programy Arc/Info, a ArcView. Tento modul v sobě obsahuje funkce pro správu a analýzu sítí. Integrace do programu Arc/Info zaručuje plné využití editačních možností a ostatních funkcí GISového systému. Analytické funkce obsažené v modulu umožňují optimalizovat spojení mezi jednotlivými částmi sítě, určovat propojenost a orientaci jednotlivých prvků sítě, alokovat distribuční místa dle stanovených požadavků aj. Využití uvedené funkcionality ve vodárenských aplikacích spočívá především ve speciální přípravě vstupních dat a zavedení datových elementů ventil - pro bodová data a vodovodní potrubí - pro liniové prvky. Pomocí prostředků Open Development Environment (ODE) integrovaných do Arc/Info je možno vytvořit aplikaci pro specializované využití analytických funkcí modulu NETWORK, (viz aplikace PIPEMAN pro sledování kontinuity síťové struktury v závislosti na rozmístění zdrojů a stavu jednotlivých ventilů, která vznikla v rámci pilotního projektu pro firmu Puncak Nyaga - provozovatele vodovodní sítě v Kuala Lumpur).

Úlohy řešené ve vodárenském GIS

GIS umožňuje efektivní tvorbu a údržbu primární dokumentace vodovodní sítě. Veškeré databázové informace o prvcích vodovodního řadu jsou propojeny s jim odpovídajícími grafickými elementy. Tím je umožněno rychlé vyhledávání jak podle databázových atributů, tak podle různých prostorových hledisek. Jsou-li data o vodovodním řadu doplněna dalšími informacemi jako databází pozemků, databází odběratelů, přístupovými komunikacemi k jednotlivým elementům sítě atd., je velmi usnadněna správa sítě, např. zřizování nových přípojek, sledování a fakturace odběrů, souhlasy se stavebními pracemi atd. Na tyto funkce navazuje údržba a plánování rozvoje sítě - sledování poruchovosti jejích částí, sledování pravidelných revizí potrubí, sledování kvality oprav, atd. Pokud použitý GIS umožňuje provádět síťové analýzy je možno data využít pro operativní rozhodování při poruchách vodovodního řadu - lokalizace ventilů nutných k izolování porušeného potrubí, zobrazení vlivu poruchy na zbytek sítě, připojení náhradních zdrojů, a pod. Většina GIS nepodporuje přímo modelování hydraulických či tlakových poměrů v síti, je ale vhodné zahrnout výsledky takovéhoto modelování mezi data udržovaná pomocí GIS a používat je při dalších analýzách.

Vstupní data

Data, jež se mají použít v GIS, musí být dostatečně přesná (v závislosti na použití) topologicky korektní a musí být vztažena ke geografickému souřadnému systému. Je možno užívat jak rastrová data (satelitní a letecké snímky...) tak vektorová data (data získaná vektorizací z různých podkladů nebo měřením v terénu). Rastrová data jsou levnější, jejich pořízení je rychlé, a mohou tudíž být velmi aktuální, mají ovšem značná omezení pro následné analýzy. Naopak pořízení vektorových dat je nákladná a pomalá záležitost, ovšem jejich další využití pro analýzy je větší. než je tomu u rastrových dat.

Vektorová data popisující vodovodní sítě je možno rozdělit do tří základních skupin - bodová, liniová a plošná. Bodová data reprezentují bodové elementy sítě - šoupata, tlakové ventily, zdrojová místa (rezervoáry, vodárny), čerpadla, čistící stanice, odběrová místa, atd. Liniová data znázorňují liniové prvky sítě - potrubí různých vlastností. Polygonová data nejsou přímo svázána s vodovodním systémem, ale mohou obsahovat dodatečné informace - plošná rozšíření tlakových pásem, pozemkové mapy, zastavěné plochy, atd.

DEM (Digital Elevation Model - digitální model terénu) lze využít např. pro hydraulické modelování (výběr materiálu potrubí podle hydrostatického tlaku, převýšení mezi částmi sítě, atd.).

Jako další data mohou v síti existovat odvozené objekty - např. tlaková pásma, části sítě s různými tlakovými podmínkami.

Grafické elementy jsou propojeny s řadou negrafických tabulek. Můžeme např. pro jednotlivá potrubí evidovat jejich technické parametry, poruchovost či další doplňkové údaje, které je možno využívat pro vyhledávací funkce.

Mezi negrafická data je výhodné zařadit též databázi klientů geograficky vztaženou pomocí adres. Ta už většinou v nějaké formě existuje a její zařazení do GIS výrazně zlepší metody plánování rozvoje sítě vytvořením vazeb mezi zákazníky a současným stavem sítě. (hydraulické modelování, sledování provozu, definice prioritních klientů...)

Volba datového formátu pro GIS data závisí na rozsahu řešeného projektu a použité softwarové platformě. Pro správu jednoduché malé sítě, kde není nutné zabezpečit sdílení dat mezi více uživateli a ochranu dat při aktualizaci, je možné použít data v nativních formátech GIS - pro produkty ESRI jsou to coverage a shape file. Ve větších a složitějších sítích je vhodné oddělit vlastní GIS vrstvy od uživatelsky dostupných dat. Pro tyto účely je vhodné používat geografické databáze jako je například SDE (Spatial Database Engine) které existují jako nadstavba pro velké relační databázové servery.

Analytické možnosti Arc/Info a ArcView

Prvořadou úlohou GIS kromě prostorového zobrazení dat sítě by mělo být získávání nových informací analýzou základních vrstev.

Prvním druhem analýz jsou prostorové dotazy:

Lokalizace slouží k vyhledání určité části sítě na základě tabulkového atributu nebo na základě prostorových vztahů. Podle tabulkového atributu je například možné lokalizovat polohu určitého klienta podle jeho adresy, oblast sítě podle názvu ulice, nebo vyhledat všechny poruchy způsobené únavou materiálu. Podle prostorových kritérií je možné hledat např. potrubí v okolí dané parcely, nebo nejbližší větev řadu pro vybudování nové přípojky.

Buffery a průniky vrstev slouží k rozčleňování zájmového území. Jako příklad je možné jmenovat např. klasifikace městských oblastí podle množství spotřebované vody, nebo definici ochranných pásem různých stupňů v okolí vodních zdrojů nebo významných řádů

Druhou skupinou jsou síťové analýzy:

Definice sítě a jejích částí umožňuje vizualizovat spojitost částí sítě, směry proudění v síti, průtoky jednotlivými větvemi. V spolupráci s programy pro hydraulické modelování je možné modelovat tlakové poměry a požadavky na vydatnost zdrojů a propustnost větví.

Operativní plánování je skupina analýz která napomáhá řešení akutních situací spojených s provozem sítě. Je to například hledání ventilů pro lokalizování poruchy, zjišťování rozsahu odstávky při uzavření části ventilů (šoupat), nebo modelování nejlepšího náhradního zásobování části sítě z rezervních zdrojů.

Krizový management je správa náhradního zásobování vodou při dlouhodobém výpadku. Síťovou analýzou je možné hledat místa pro nejlepší umístění cisteren na základě nákladů na jejich přistavení, odběru vody v dané oblasti nebo jiných kriterií

Velmi důležitou vlastností produktů dobrého GIS je poskytnutí nástrojů pro tvorbu zákaznických aplikací nad datovou bází. Pro produkty na bázi Arc/Info existují objektově orientované nástroje ODE, AML a jazyk Avenue.

Pipeman

Aplikace PIPEMAN byla vytvořena pomocí ODE tools obsažených v programu Arc/Info v prostředí Visual Basic 5.0. Program vyžaduje pro svůj běh Arc/Info ver. 7.1.X a jeho modul NETWORK. Program byl testován na datech, představujících vodovodní síť Nového Města v Praze. V síti je zachycen jen první a druhý řád vodovodních rozvodů, domovní přípojky byly pro zvýšení přehlednosti vynechány. Primární vrstvy dat musí splňovat obecné topologické podmínky (viz výše).

Modelování aplikací PIPEMAN probíhá ve dvou krocích. Během prvního kroku je nutno nadefinovat stav jednotlivých elementů sítě (připojené zdroje, stav normálních a tlakových ventilů), v druhém kroku je přepočítána propojenost jednotlivých částí vodovodního řadu. Program přitom poskytuje následující funkcionalitu:

Po načtení datového souboru s údaji o vodovodním systému je možno síť vykreslit v libovolném zvětšení. Je možno zobrazit údaje o zdrojích vody (obr. 1), případně je předefinovat . Dále je možné získat informace o jednotlivých trubkách a ventilech a tyto

ventily zavírat či otvírat. Speciální funkcí je vyhledání ventilů, které je nutno zavřít v případě porušení (havárie) vodovodního řadu v určeném místě sítě (obr. 2). Program vyhledá nejvhodnější ventily, uzavře je a podá informace o té části vodovodního potrubí, kde se havárie a následné zavření ventilů projeví. Výpočet se vždy provádí na základě aktuálního stavu sítě (stav normálních a pásmových ventilů, rozmístění zdrojů). Kombinací výše uvedených funkcí je možno snadno a rychle analyzovat různé stupně poškození sítě a hledat optimální možnosti jejich řešení - uzavírat poškozené části, připojovat náhradní zdroje, otvírat pásmové ventily atd. PIPEMAN je příkladem uživatelské aplikace vyvinuté pro potřeby řešení konkrétních problémů v podmínkách konkrétního provozovatele. Pro potřeby jiných uživatelů je samozřejmě možné provést jeho úpravy či doplnění.

Softwarové produkty ESRI podporují RPC (Remote Procedure Call). Tato funkce zpřístupňuje klientským aplikacím možnost využívat služeb jiných programů spuštěných případně na jiných strojích v počítačové síti. Aplikace PIPEMAN by mohla využívat

analytických nástrojů modulu NETWORK a programu Arc/Info a běžet zároveň na více vzdálených počítačích najednou.

Obr.2 - Vyhledání ventilů pro odizolování prasklého potrubí

Závěr

Implementace GIS do prostředí provozovatelů vodárenských sítí přináší řadu efektů. Umožňuje analytický přístup k budování a provozu sítě, napomáhá cíleně řídit investiční programy a minimalizovat provozní náklady a náklady na údržbu.

Využití softwarové platformy firmy ESRI poskytuje možnost komplexního řešení všech úloh kladených na GIS ve vodárenství. Konkrétní realizaci je možné přizpůsobit celkovému rozsahu projektu (rozsah provozované vodárenské sítě, spektrum řešených úloh) a tak zajistit její efektivitu. Výhodné je postupovat od jednoduššího k složitějšímu tak, aby budovaný systém přinášel výsledky již od prvních etap své realizace. Z hlediska koncového stavu je naopak ideální integrovat do GIS co největší rozsah dat a aplikačních oblastí (např. vazba na databázi klientů a fakturace).

Realizace GIS projektů představuje jednoznačně významnou konkurenční výhodu.