Digital transformation of irrigation system performance management

Full Text

В эпоху климатических изменений и усиливающегося антропогенного воздействия на окружающую среду обостряются вопросы рационального использования водных ресурсов в мелиоративном водохозяйственном комплексе, который занимает важнейшее место в обеспечении продовольственной безопасности страны и считается одним из наиболее водоемких секторов АПК. [3, 6, 12]

Современной тенденцией повышения эффективности оросительных систем и рационального потребления воды становится совершенствование управления водопользованием на основе цифровизации производственных технологических процессов с применением методов искусственного интеллекта. [5, 11]

Практика методов и способов математического моделирования, искусственного интеллекта, машинного обучения и передовых технологий дистанционного зондирования рассматривается научным сообществом мелиорации в качестве ключевых факторов повышения качества управленческих решений, направленных на рациональное использование важнейших природных ресурсов (вода, земля), а также устойчивое развитие сельского хозяйства в соответствии с требованиями времени. [1, 4]

Специалисты ФНЦ ВНИИГиМ имени А.Н. Костякова активно занимаются исследованиями в области разработки компьютерных систем эффективного управления водопользованием на межхозяйственных оросительных системах, включая применение искусственного интеллекта. Особое внимание уделяется решению задач водораспределения в напряженных природных условиях и планирования инвестиций в поддержание и развитие инфраструктуры оросительной системы при недостаточном финансировании мероприятий технической эксплуатации.

В работе представлены результаты проектирования и разработки АСУ «Техническое состояние» как подсистемы более общей АСУ «Водопользование ОС». В частности, рассмотрены процессы программно-технологической реализации разработки, методическое обеспечение системы управления техническим состоянием мелиоративного водохозяйственного комплекса. [7]

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Проанализированы результаты научных работ и достижения практики, посвященные созданию, внедрению и применению управленческих решений по оптимизации одного из главных производственных процессов водопользования на межхозяйственных оросительных системах (ОС) – управлению техническим состоянием инфраструктуры, во многом определяющим успешность системной подачи, распределения и отведения воды. Использованы авторские наработки по указанной тематике.

Для решения задачи оценки технического состояния и работоспособности ОС, планирования мероприятий технической эксплуатации сооружений гидромелиоративной системы в условиях ограниченных инвестиций применяли: информационно-аналитический подход, математическое моделирование и модели ГИС визуализации, методы искусственного интеллекта, такие как эволюционно-генетическое программирование и генетические алгоритмы.

Распределение лимитированных инвестиций на ремонтно-восстановительные работы по объектам инфраструктуры оросительной системы осуществляется с помощью модели многокритериальной оптимизации, позволяющей выбрать рациональный перечень планируемых мероприятий технической эксплуатации, минимизирующий потери поливной воды, при одновременном увеличении площади орошаемых земель и повышении финансовых показателей водохозяйственной организации, которые прогнозируются по результатам совершенствования технического состояния ОС. [8]

Математическое выражение функции цели Z для задачи планирования мероприятий повышения надежности и работоспособности инфраструктуры ОС в условиях ограниченных инвестиций, когда потребность в таких мероприятиях существенно превышает возможность их финансирования, имеет вид:

 $Z={\sum }_{i=1}^I{z}_i{b}_i\to \max$ (1)

${\sum }_{i=1}^I{k}_i{b}_i\le K;$

$b_i\in \left\{0;1\right\},i=\overline{\mathrm{1,...,}I},$

где k_i – стоимость работ i мероприятия по улучшению технического состояния инфраструктуры оросительной системы; I – общее количество планируемых мероприятий улучшения технического состояния ОС; z_i – функция «значимости» i мероприятия для совершенствования технического состояния инфраструктуры оросительной системы; К – объем финансирования ремонтно-восстановительных работ.

z_i = S_i /S + (1 – W_i /W) + P_i /P; (2)

где S_i – площадь орошения, подверженная воздействию i мероприятия планируемых улучшений технического состояния оросительной системы, га; S – площадь орошения, подверженная воздействию планируемых мероприятий улучшения технического состояния инфраструктуры оросительной системы, га;

W_i – снижение потерь воды от реализации i мероприятия улучшения технического состояния ОС, тыс. м³; W – общее снижение потерь воды от реализации мероприятий улучшения технического состояния ОС, тыс. м³; P_i – финансовый результат водохозяйственной организации от реализации i мероприятия совершенствования технического состояния ОС, тыс. руб.; P – финансовый результат водохозяйственной организации при реализации мероприятий совершенствования технического состояния ОС, тыс. руб.;

$W={\sum }_{i=1}^I{W}_i;$ (3)

$P={\sum }_{i=1}^I{P}_i.$ (4)

Оптимизация нелинейной целевой функции (1) осуществляется эволюционно-генетическим программированием, которое считается одним из ключевых направлений в теории искусственного интеллекта. Генетические алгоритмы (ГА) позволяют исследовать более широкий спектр возможных решений проблемы, чем традиционные методы линейного программирования, из-за варьирования элементов целевой функции (Z) с использованием операторов отбора, скрещивания и мутации, что позволяет оценить пригодность анализируемых решений.

Алгоритм создан на основе библиотеки DEAP (Distributed Evolutionary Algorithms in Python), наряду с другими известными библиотеками GAFT, Pyevolve и PyGMO, предоставляющими удобные инструментарии для реализации генетических алгоритмов на языке Python, который обладает широким функционалом, поддерживает расширяемость и имеет подробную документацию (https://deap.readthedocs.io/en/master/).

Программное обеспечение АСУ «Техническое состояние» реализовано с применением серверной оболочки «1С: Предприятие 8», разработанной российскими специалистами и лидирующей на отечественном рынке аналогичных программных продуктов. [10] Такой подход позволил значительно сократить время и усилия, необходимые для разработки интерфейсов и вспомогательных элементов АСУ, что дало возможность сосредоточиться на решении практических задач в области управления водопользованием.

Для визуализации пространственных данных применяется программный продукт «1С GIS Управление пространственными данными» серверной оболочки «1С: Предприятие 8», позволяющий отображать данные на картах и схемах, а также интегрировать их с различными электронными сервисами, включая данные Росреестра и спутниковые снимки. [9, 10]

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Подача, распределение и отведение воды на межхозяйственных оросительных системах становится сложным из-за износа водопроводящих сетей и сооружений, что приводит к потерям воды и снижению качества услуг для сельскохозяйственных предприятий и водопользователей. Ремонт и модернизация инфраструктуры ОС требуют значительных финансовых ресурсов, технических знаний и слаженной работы всех участников процесса водопользования, сельскохозяйственных товаропроизводителей и водохозяйственной организации.

Обеспечение устойчивости системного водопользования нуждается в тщательном контроле технического состояния сооружений и оборудования, рациональном использовании крайне ограниченных финансовых ресурсов, направляемых на техническое обслуживание, ремонт и замену устаревшей и/или неработоспособной инфраструктуры. Последнее влечет за собой потребность в инновационных технологиях поддержки управленческих решений по совершенствованию технического состояния ОС, ошибки которых в напряженных природно-хозяйственных условиях стоят дорого.

Разработанная компьютерная система управления техническим состоянием оросительных систем должна повысить эффективность водопользования на орошении. Основные функции:

1. Мониторинг технического состояния. Ведется учет объектов инфраструктуры (насосные станции, трубопроводы, каналы и сооружения на них). Фиксируются их геометрические характеристики, стоимость основных фондов, степень износа и даты последнего ремонта.
2. Планирование ремонтных работ. Многокритериальные экономико-математические модели, реализуемые на основе методов искусственного интеллекта, помогают оптимизировать распределение ограниченных ресурсов для ремонта и восстановления инфраструктуры оросительных систем. Это позволяет достичь максимальной эффективности и рациональности в использовании средств.
3. Визуализация данных на карте. Наглядное отображение объектов инфраструктуры, включая информацию о потребителях и запланированных мероприятиях, создает целостную картину состояния оросительных систем.

Функциональные возможности АСУ «Техническое состояние» помогают выстраивать три уровня планирования ремонтно-восстановительных работ на оросительной системе:

– перспективное (стратегическое) необходимо для подготовки обоснований нового строительства, реконструкции и планов капитального ремонта ГТС;

– годовое (тактическое) служит для увязки мероприятий по технической эксплуатации с планами системного водопользования на год;

– текущее (оперативное) требуется для своевременного проведения аварийных ремонтов и оперативного перераспределения воды между хозяйствами – потребителями.

На рисунке 1 представлен алгоритм автоматизированного планирования мероприятий технической эксплуатации межхозяйственной оросительной системы средствами АСУ. Структура меню системы АСУ «Техническое состояние» (свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2024667866) включает разделы: справочники, сервис, отчеты, демонстрируется на рисунке 2.

 

Рис. 1. Алгоритм автоматизированного планирования мероприятий технической эксплуатации межхозяйственной оросительной системы.

 

Рис. 2. Меню АСУ «Техническое состояние».

 

Структурные элементы автоматизированной системы управления «Техническое состояние» включают базовые подсистемы «Справочники», «Сервис», «Отчеты», которые соответственно: обеспечивают доступ к справочной исходной информации (о типах и первичных данных технических объектов оросительной системы, водопотребителях и сельскохозяйственных культурах); реализуют возможность распределения финансирования на ремонтно-восстановительные работы с учетом ограничений, используя оптимизацию нелинейной многокритериальной функции на основе генетического программирования; позволяют решать задачи, связанные с обработкой информации и получением выходных результатов, формировать обобщенные отчеты по объектам инфраструктуры ОС, водопотребителям и планируемым мероприятиям технической эксплуатации.

Интеграция в структуру АСУ геоинформационной системы (ГИС) дает возможность управлять картографическими данными, а также атрибутивной информацией об инфраструктуре оросительных систем, эксплуатационных воздействиях, проведенных ремонтно-восстановительных работах, что способствует повышению эффективности управленческих решений.

Состав и структура системы «Техническая эксплуатация» в конфигурации «1С: Предприятие 8» приведены на рисунке 3.

 

Рис. 3. Система «Техническая эксплуатация» в конфигурации «1С: Предприятие 8».

 

Раздел «Объекты ОС» подсистемы «Справочник» предназначен для ввода и хранения информации о характеристиках объектов инфраструктуры оросительной системы и связанных с ними элементов (рис. 4). В его составе сведения о типе объекта ОС, его геометрических параметрах, балансовой стоимости, степени износа, стоимости ремонтно-восстановительных работ, затратах на техническое обслуживание, датах последнего капитального ремонта и/или реконструкции, а также другие технико-экономические показатели. Кроме того, указаны форма собственности, местоположение и другие важные характеристики объекта.

 

Рис. 4. Главная форма раздела «Объекты ОС».

 

Для ввода исходной информации служат специальные формы, разработанные с учетом дружественности интерфейса. Такой интерфейс помогает пользователям легко работать с данными и выполнять необходимые действия. На рисунке 5 представлена в качестве примера форма для ввода информации об основных характеристиках объектов инфраструктуры и истории ремонтно-восстановительных работ раздела «Объекты ОС».

 

Рис. 5. Форма раздела «Объекты ОС» для ввода информации об основных характеристиках объекта и истории ремонтно-восстановительных работ.

 

Аналогично главные формы и формы для работы с данными разработаны для разделов «Типы объектов ОС», «Потребители», «Сельскохозяйственные культуры». В разделе «Потребители» подсистемы «Справочник» содержатся сведения о площади орошаемых земель и структуре сельскохозяйственных культур на орошении, стоимости подачи воды и другие важные сведения, которые необходимы для управления техническим состоянием инфраструктуры оросительной системы.

Раздел «Сельскохозяйственные культуры» включает информацию об оросительной норме, урожайности, закупочной цене, затратах на производство и других данных, которые необходимы для решения производственных задач водопользования.

В разделе «Типы объектов ОС» находится вспомогательная информация о типах объектов, единицах измерения геометрических параметров.

Сведения справочников автоматически передаются и используются по запросу в подсистеме «Сервис» для моделирования альтернативных сценариев и оптимизации решений по распределению средств на ремонтно-восстановительные работы.

Подсистема «ГИС-визуализация» в рамках АСУ «Техническое состояние» применяется для решения следующих задач: визуализация технико-экономических показателей (состояние объектов, потери воды, количество отказов оборудования, дебиторская задолженность потребителей, удельная стоимость подачи воды и прибыль водохозяйственной организации); анализ технического состояния объектов с использованием методов искусственного интеллекта; мониторинг несанкционированных подключений; оценка мелиоративного состояния участков на основе данных о посевах; прогнозирование урожайности с помощью спутниковых снимков высокого разрешения и методов искусственного интеллекта.

Функциональные возможности разработанного прикладного решения «ГИС-визуализация» АСУ представлены на рисунке 6.

 

Рис. 6. Меню подсистемы «ГИС-визуализация» АСУ «Техническое состояние ОС».

 

Подсистема состоит из разделов: управление пространственными данными (сбор, хранение и анализ пространственной информации); картографическая визуализация (представление пространственных данных в графическом формате); анализ пространственной инфраструктуры; управление кадастровыми земельными участками (учет и контроль над распределением земель).

Решение интегрируется с электронными публичными сервисами, включая данные Росреестра и спутниковые снимки. Это позволяет использовать различные картографические подложки и специализированные слои информации в режиме реального времени. Интеграция с данными Росреестра обеспечивает доступ к материалам кадастрового деления непосредственно из АСУ, а также государственных электронных сервисов Росреестра, необходимых для осуществления ремонтно-восстановительных и эксплуатационных мероприятий. [9] На рисунке 7 демонстрируется пример интерфейса интеграции подсистемы «ГИС-визуализация» с данными участков из Росреестра.

 

Рис. 7. Пример использования данных Росреестра в подсистеме «ГИС визуализация» на Красногвардейской оросительной системе (Республика Крым).

 

Структура подсистемы «Отчеты», обеспечивающей решение задач, связанных с обработкой информации и подготовкой выходных результатов, включает разделы «Отчет по объектам», «Отчет по потребителям», «Оптимизация распределения ресурсов на ремонтно-восстановительные работы», «ГИС-Карта». Возможные форматы отчетов включают: текстовый, табличный, графический и визуализацию на схемах, картах и спутниковых снимках. Примеры выходных форм отчетных документов приведены на рисунках 8, 9.

 

Рис. 8. Балансовые показатели объектов эксплуатации (раздел «Отчет по объектам»).

 

Рис. 9. Визуализация данных по количеству отказов объектов инфраструктуры (раздел «ГИС-Карта»).

 

Апробация программного комплекса АСУ «Техническое состояние» проведена на примере Красногвардейской системы орошения в Республике Крым. Основные фонды этой системы изношены на 90% и более, водопроводящая сеть – 100%, насосные станции – 91%. [2] Результаты апробации показали, что использование АСУ «Техническое состояние» для планирования мероприятий технической эксплуатации оросительных систем с помощью метода многокритериальной оптимизации повышает качество управленческих решений, по сравнению с однокритериальными. Преимущество составляет до 11% из-за снижения издержек водохозяйственной организации, сокращения потерь воды, увеличения площади полива.

Выводы. В результате проведенного исследования была создана автоматизированная система управления АСУ «Техническое состояние» – важная составляющая общей автоматизированной системы управления водопользованием на межхозяйственных оросительных системах АСУ «Водопользование ОС». Разработка предназначена для контроля, оценки и планирования мероприятий по улучшению технического состояния инфраструктуры мелиоративного водохозяйственного комплекса.

В исследованиях процессов технической эксплуатации объектов мелиоративного водохозяйственного комплекса использованы информационно-аналитический подход, математическое моделирование, методы искусственного интеллекта и модели геоинформационной визуализации. Распределение инвестиций на ремонтно-восстановительные работы в напряженных условиях эксплуатации ОС предлагается с помощью модели многокритериальной оптимизации. Решение основывается на оценке текущего и прогнозируемого состояния водопроводящей сети и сооружений на ней.

Для решения задачи планирования мероприятий по улучшению технического состояния ОС необходимо учитывать стоимость работ, площадь орошения, снижение потерь воды и финансовый результат водохозяйственной организации от реализации мероприятий технической эксплуатации. Оптимизация целевой функции осуществляется методом эволюционно-генетического программирования.

В условиях растущей потребности в ремонтно-восстановительных мероприятиях объектов инфраструктуры оросительных систем, сформировавшейся в 60-х годах ХХ столетия, ключевым фактором повышения эффективности водопользования становится цифровизация управления технической эксплуатацией с использованием компьютерных систем поддержки принимаемых решений. Значимость такого подхода возрастает в условиях недостаточных инвестиций в развитие инфраструктуры ОС.

Таким образом, внедрение и использование системы управления техническим состоянием оросительных систем АСУ «Техническое состояние» в практику мелиоративного водохозяйственного комплекса может способствовать становлению устойчивого и рационального водопользования на орошении.

About the authors

Dmitry A. Rogachev

A.N. Kostyakov Federal State Budgetary Scientific Research Center VNIIGiM

Author for correspondence.
Email: Rogachev.soft@gmail.com

PhD in Engineering Sciences, Leading Researcher

Russian Federation, Moscow

References

Supplementary files