Analiza baz danych zapisów wodomierzy do dynamicznego modelowania rozbiorów wody
Modele komputerowe systemów wodociągowych są coraz częściej wykorzystywane do prowadzenia długoterminowych symulacji przepływów typu EPS (ang. extended period simulations). Jest to możliwe dzięki wprowadzaniu w sposób dynamiczny zmieniających się w czasie rozbiorów wody w poszczególnych węzłów sieci. Niepoprawne jest zastosowanie jednego uogólnionego wzorca rozbiorów wody w czasie dla wszystkim węzłom sieci. Aktualnie podejmuje się próby tworzenia modeli probabilistycznych i stochastycznych zapotrzebowania na wodę przez pojedynczych odbiorców wody. W wielu krajach powszechnie stosuje się podejście deterministyczne, przypisując węzłom wzorcowe rozkłady godzinowe zużycia wody dla tzw. odbiorców referencyjnych. Krajowa wiedza w tym zakresie jest niepełna i wymaga uzupełnienia.
Celem pracy jest przedstawienie możliwości prowadzenia w praktyce analiz baz danych zawierających zapisy z wodomierzy zdalnych pod kątem wykorzystania tych baz do opracowania wzorców rozbiorów mających zastosowanie w dynamicznym modelowaniu pracy sieci wodociągowej. Podejmując badania założono, że wdrożone już w wielu miastach Polski systemy opomiarowania przyłączy wodociągowych z użyciem wodomierzy zdalnych, mogą, po zastosowaniu odpowiednich technik przetwarzania danych, stać się podstawą szybkiej identyfikacji wzorców godzinowych zużycia wody dla charakterystycznych typów odbiorców referencyjnych. Badania weryfikujące powyższą tezę przeprowadzono na bazie szeregów godzinowych rozbiorów wody zarejestrowanych w Warszawie, z wykorzystaniem wodomierzy zdalnych, dla łącznej liczby 21 odbiorców wody, których zaklasyfikowano do 7 kategorii: mieszkalnictwo wielorodzinne, mieszkalnictwo wielorodzinne poszerzone o działalność handlową lub biurową, biurowce, obiekty handlowo-usługowe, dom jednorodzinny, publiczna szkoła podstawowa, ośrodek sportu i rekreacji wyposażony w basen kąpielowy.
Szeregi godzinowych rozbiorów wody poddano analizie widmowej, co pozwalało na identyfikację występujących w nich cykliczności oraz wydzielenie zakresów częstotliwości, dla których obserwowano zjawisko długiej pamięci, bądź też całkowitego braku skorelowania sygnału. Następnie przeprowadzono analizę statystyczną wartości procentowych rozkładów godzinowych zużycia wody. Dokonano podziału zbiorów zarejestrowanych, procentowych rozkładów godzinowych zużycia wody dla poszczególnych obiektów na grupy o nieustalonej i ustalonej a priori liczbie. Implementowano w tym celu odpowiednio hierarchiczną metodę aglomeracji oraz niehierarchiczną – grupowania metodą k-średnich. W końcowym etapie badań wykorzystano ponadto hierarchiczną metodę aglomeracji do porównania wzorcowych rozkładów godzinowych zużycia wody uzyskanych dla poszczególnych obiektów, dla dni roboczych i wolnych od pracy.
Przeprowadzone badania dowiodły dużego zróżnicowania wzorców rozkładów godzinowych zużycia wody przez różnych odbiorców Wykazano podobieństwo rozkładów godzinowych zużycia wody w obrębie homogenicznych grup odbiorców, takich jak: mieszkalnictwo wielorodzinne i mieszkalnictwo wielorodzinne wraz z handlem i usługami, zarówno w dni robocze, jak i wolne od pracy. Potwierdza to zasadność stosowania wzorcowych, referencyjnych rozkładów godzinowych zużycia wody dla tych grup, stanowiących największą część odbiorców wody w miastach. Wykazano, że w wodomierzowych bazach danych są dostępne informacje potrzebne dla opracowania wzorców rozkładów godzinowych zużycia wody, wymaganych do dynamicznego modelowania sieci wodociągowych. Dzięki upowszechnieniu dostępu do oprogramowania statystycznego, w tym także w formule otwartego oprogramowania (ang. open source), prezentowany w pracy warsztat narzędzi zgłębianie danych (ang. data mining) może być współcześnie zaimplementowany w każdym przedsiębiorstwie wodociągowym Przedstawione w załącznikach wzorce rozkładów godzinowych zużycia wody mogą znaleźć zastosowanie, jako wzorce referencyjne w modelowaniu komputerowych systemów dystrybucji wody, zwłaszcza do weryfikacji rozwiązań dopiero projektowanych układów, dla których brak jest jeszcze zapisów wodomierzy.
