Wie gut ist Ihr Digitaler Zwilling für die Wasserqualitätsanalyse?

Die Abschätzung des aktuellen Zustands eines Wasserverteilungssystems auf der Grundlage digitaler Modelle und beobachteter Messungen sowie die Abschätzung des Systemzustands in der Zukunft oder unter anderen Bedingungen wurde in der Vergangenheit unter verschiedenen Bezeichnungen (mit unterschiedlichen Näherungsgraden) durchgeführt. In den letzten zwei Jahren hat sich daraus der Name Digital Twins entwickelt (was wahrscheinlich ein besserer Name ist, der von früheren Anwendungen ähnlicher Konzepte in anderen Branchen stammt). Unabhängig von der gewählten Bezeichnung ist das Problem immer noch dasselbe: Wie kann das Versorgungsunternehmen wissen, wie der aktuelle Zustand des Wassernetzes ist und wie es sich "verhalten" wird, wenn bestimmte Bedingungen geändert werden? Und, was nicht weniger wichtig ist: Warum müssen sie das wissen und wie kann es dazu beitragen, den Wertschöpfungsprozess des Versorgungsunternehmens zu verbessern? Das Thema ist sehr umfangreich, um es in einem einzigen Beitrag zu behandeln, und es wird günstiger sein, sich auf das zu konzentrieren, was als eines der Herzstücke jedes digitalen Zwillings für Wassernetze angesehen werden kann: das hydraulische Modell, speziell für den Fall der Analyse der Wasserqualität. Es gibt kommerzielle Software mit sehr guten grafischen Benutzeroberflächen für die Modellierung von Wassernetzwerken, aber ihre Berechnungen reproduzieren im Wesentlichen (oder verwenden direkt) die Ideen von EPANET, das vor mehr als 20 Jahren entwickelt wurde. Es wäre nicht falsch zu sagen, dass EPANET die am häufigsten verwendete Softwarebasis für die Wasserqualitätsanalyse ist, und deshalb werden wir es als Bezugspunkt nehmen, um die Probleme bei der Reproduktion der Bewertung der Wasserqualität in einem digitalen Zwilling zu erklären. Es wird ein einfaches praktisches Beispiel für die Berechnung des Wasseralters verwendet, und um das Problem zu vereinfachen, werden keine Überlegungen zur vollständigen/unvollständigen Durchmischung an den Knotenpunkten angestellt, und es wird davon ausgegangen, dass das Modell zur Abschätzung von Bedarf, Druck und Durchfluss perfekt mit Felddaten kalibriert ist. Der Einfachheit halber werden wir die Netzmodelle A und B aus der nächsten Abbildung verwenden. Modell B unterscheidet sich von Modell A nur durch das Hinzufügen des Knotens 5 in der Leitung R1-Knoten 1. Beachten Sie, dass der Knoten 5 keinen Bedarf hat, er teilt lediglich die Leitung R1-Knoten 1 aus Modell A in zwei Leitungen mit unterschiedlichen Längen.  Abbildung 1: Modelle A und B Theoretisch sollten beide Modelle völlig gleichwertig sein, und das Vorhandensein des Knotens 5 in Modell B sollte keinen Einfluss auf das an den Knoten 1, 2, 3 und 4 berechnete Wasseralter im Vergleich zu Modell A haben, wenn beide Modelle unter den gleichen Bedingungen laufen. Wenn jedoch beide Modelle direkt in EPANET ausgeführt werden, werden die am Ende der Simulation erhaltenen Ergebnisse überraschend unterschiedlich ausfallen. Vergleich des am Knoten 1 ermittelten Wasseralters für die Modelle A und B Vergleich des am Knoten 1 ermittelten Wasseralters für die Modelle A und B Wasseralterungsergebnis für die Knoten 1 und 2 am Ende der Simulation von Modell A Wasseralterungsergebnis für die Knoten 1 und 2 am Ende der Simulation von Modell A Abbildung 2: Ergebnisse der Modelle A und B Warum ist das so? Sind die Modelle wirklich gleichwertig? Gibt es ein Problem mit dem EPANET-Algorithmus? Die Modelle sind wirklich äquivalent, und sie sind in den Beispielen enthalten, die mit der Installation von Water-Ing (einer Software für die Modellierung von Wassernetzen) geliefert werden. Der EPANET-Algorithmus ist nicht das eigentliche Problem, aber es wäre schön gewesen, wenn EPANET eine Warnung herausgegeben hätte, die darauf hinweist, dass der Berechnungszeitschritt reduziert werden sollte, um die Stabilitätsbedingung der verwendeten Berechnungsmethode zu erfüllen, da die Ergebnisse sonst möglicherweise nicht "ganz richtig" sind. Warum wurde eine solche Warnung nicht aufgenommen? Das ist eine sehr gute Frage, aber in diesem Beispiel ist es so, dass die Verringerung des für die Berechnung von Modell B verwendeten Zeitschritts das Problem löst und die Ergebnisse erwartungsgemäß mit den Ergebnissen von Modell A identisch sind. Die nächsten Fragen lauten: Wie können wir feststellen, ob der Zeitschritt verringert werden sollte? Und wenn er reduziert werden sollte, um wie viel sollte man ihn reduzieren? Soweit wir wissen, gibt es in EPANET keinen direkten Weg. Ein Ansatz könnte sein, eine Berechnung durchzuführen, den Zeitschritt zu verringern, die Berechnung erneut durchzuführen und mit der vorherigen Berechnung zu vergleichen. Wenn die Ergebnisse für jeden einzelnen Knoten gleich sind, sollte der Zeitschritt nicht verringert werden. Andernfalls sollten Sie den Zeitschritt so lange verringern, bis Sie einen Wert erreichen, bei dem sich die Berechnungsergebnisse für die Knoten nicht mehr wesentlich ändern. Und ja, das wird bei einem EPANET mit mehreren hundert Knoten schwer zu erreichen sein. Die von Ingeniousware entwickelte Software Water-Ing schätzt intern den für die Wasserqualitätsberechnungen erforderlichen Zeitschritt und informiert den Benutzer darüber, wenn der im Modell definierte Zeitschritt die Stabilitätsbedingungen der Berechnungen nicht gewährleistet. Die Software wurde vollständig in c# geschrieben und folgt zwar einigen der in EPANET verwendeten Prinzipien, fügt aber einige Verbesserungen in Bezug auf unvollständige Durchmischung, mehrere Arten und die Behandlung des zu verwendenden Zeitschritts hinzu. Es gibt eine kostenlose Community-Edition, die kostenlos genutzt werden kann, und eine erschwingliche Professional-Edition für 99,00 eur/Jahr, die die weitere Entwicklung der Anwendung unterstützt und unter anderem auch Zugang zum Quellcode des Plugins bietet. Die folgenden Abbildungen zeigen die in Water-Ing erzielten Ergebnisse für Modell A und B. Wie erwartet sind die Ergebnisse in beiden Fällen gleich, da die Modelle völlig gleichwertig sind. Modell A ausgeführt in Water-Ing Modell B ausgeführt in Water-Ing Ist die Situation anders, wenn Sie ein anderes professionelles Wassermodellierungspaket mit höheren Kosten verwenden? Wenn Sie Infoworks oder Watergems verwenden, werden die Ergebnisse wahrscheinlich nicht anders sein. Wir waren in der Lage, das gleiche Verhalten wie in EPANET sowohl in Infoworks als auch in Watergems zu reproduzieren. Watergems zeigte einige zusätzliche Optionen für die Schätzung der Wasserqualität, aber die Ergebnisse, die wir bei Verwendung dieser Optionen erhielten, waren für uns noch verwirrender. Wenn Sie daran interessiert sind, dies selbst zu versuchen, können Sie die EPANET .inp-Dateien für Modell A und B herunterladen von hier aus. Ein ausführlicheres technisches Papier, das das Problem und die in Water-Ing durchgeführten Berechnungen zur Wasserqualität beschreibt, kann hier heruntergeladen werden. Zögern Sie nicht, uns zu kontaktieren, wenn Sie an weiterer Arbeit oder Beratung zu diesem Thema interessiert sind. Sie können sich auch für ein Webinar über die Erstellung und den Betrieb von Gewässergütemodellen in Water-Ing registrieren lassen:Versorgungsunternehmen können sich bei der Pilotprojekt-Programm von Ingeniousware, um die Wertschöpfung und den Return of Investment von digitalen Modellen, die auf ihre Bedingungen zugeschnitten sind, effektiv zu bewerten.

Eine Antwort hinterlassen