Szacowanie bieżącego stanu systemu dystrybucji wody na podstawie modeli cyfrowych i obserwowanych pomiarów oraz szacowanie stanu systemu w przyszłości lub w innych warunkach było w przeszłości wykonywane pod różnymi nazwami (z różnymi poziomami przybliżeń). W ciągu ostatnich dwóch lat ewoluowała ona do nazwy Digital Twins (co jest prawdopodobnie lepszą nazwą, zaczerpniętą z wcześniejszych zastosowań podobnych koncepcji w innych branżach). Niezależnie od przyjętej nazwy, problem jest wciąż ten sam: skąd przedsiębiorstwo może wiedzieć, jaki jest aktualny stan sieci wodociągowej i jak będzie się ona "zachowywać", jeśli zmienią się pewne warunki? I co nie mniej ważne: dlaczego przedsiębiorstwo musi to wiedzieć i w jaki sposób może to pomóc w usprawnieniu procesu tworzenia wartości przedsiębiorstwa? Temat jest bardzo obszerny, aby omówić go w jednym poście, dlatego bardziej przystępne będzie skoncentrowanie się na tym, co można uznać za jeden z rdzeni każdego cyfrowego bliźniaka dla sieci wodociągowych: modelu hydraulicznym, zwłaszcza w przypadku analizy jakości wody. Istnieją komercyjne programy komputerowe z bardzo dobrymi graficznymi interfejsami użytkownika do modelowania sieci wodociągowej, ale ich obliczenia w zasadzie odtwarzają (lub bezpośrednio wykorzystują) idee programu EPANET opracowanego ponad 20 lat temu. Nie będzie błędem stwierdzenie, że EPANET jest najczęściej używanym oprogramowaniem do analizy jakości wody, dlatego też przyjmiemy go jako punkt odniesienia do wyjaśnienia problemów związanych z odwzorowaniem oceny jakości wody w bliźniaku cyfrowym. W celu uproszczenia problemu nie będą rozpatrywane kwestie mieszania całkowitego/niepełnego w węzłach, a model szacowania zapotrzebowania, ciśnienia i przepływów zostanie przyjęty jako doskonale skalibrowany z danymi terenowymi. Dla uproszczenia posłużymy się modelami sieci A i B z następnego rysunku. Model B różni się od modelu A jedynie dodaniem węzła 5 w rurze R1-węzeł 1. Należy zauważyć, że węzeł 5 nie ma żadnego zapotrzebowania, a jedynie dzieli rurę R1-węzeł 1 z modelu A na dwie rury o różnych długościach.  Rysunek 1: modele A i B Teoretycznie oba modele powinny być w pełni równoważne i istnienie węzła 5 w modelu B nie powinno mieć żadnego wpływu na wiek wody obliczony w węzłach 1, 2, 3 i 4 w porównaniu z modelem A, gdy oba modele działają w tych samych warunkach. Jeśli jednak oba modele zostaną wykonane bezpośrednio w sieci EPANET, wyniki uzyskane na końcu symulacji będą zaskakująco różne. Porównanie wieku wody uzyskanego w węźle 1 dla modeli A i B Porównanie wieku wody uzyskanego w węźle 1 dla modeli A i B Wynik wieku wody dla węzłów 1 i 2 na koniec symulacji dla modelu A Wynik wieku wody dla węzłów 1 i 2 na koniec symulacji dla modelu A Rys. 2: Wyniki modeli A i B Dlaczego tak się dzieje? Czy modele są rzeczywiście równoważne? Czy jest jakiś problem w algorytmie EPANET? Modele są naprawdę równoważne i zostały dołączone jako część przykładów do instalacji Water-Ing (oprogramowania do modelowania sieci wodociągowych). Algorytm EPANET nie jest konkretnym problemem, ale dobrze byłoby otrzymać od EPANET jakieś ostrzeżenie informujące, że krok czasowy obliczeń powinien być zmniejszony w celu spełnienia warunku stabilności stosowanej metody obliczeniowej, ponieważ w przeciwnym razie wyniki mogą nie być "całkowicie poprawne". Dlaczego takie ostrzeżenie nie zostało uwzględnione? To bardzo dobre pytanie, ale w tym przykładzie rzeczywistość jest taka, że zmniejszenie kroku czasowego użytego do obliczeń modelu B rozwiązuje problem, a wyniki są identyczne z wynikami uzyskanymi w modelu A, zgodnie z oczekiwaniami. Kolejne pytania to: jak sprawdzić, czy krok czasowy powinien zostać skrócony? A jeśli tak, to o ile należy go zredukować? O ile wiemy, w systemie EPANET nie ma bezpośredniego sposobu, jednym z podejść może być wykonanie obliczeń, zmniejszenie kroku czasowego, ponowne wykonanie obliczeń i porównanie z poprzednimi obliczeniami. Jeśli wyniki są takie same dla każdego węzła, to nie należy skracać kroku czasowego. W przeciwnym razie zmniejszaj krok czasowy, aż osiągniesz wartość, przy której wyniki obliczeń nie zmieniają się znacząco dla poszczególnych węzłów. I owszem, będzie to trudne do osiągnięcia w sieci EPANET liczącej kilkaset węzłów. Program Water-Ing, opracowany przez firmę Ingeniousware, szacuje wewnętrznie krok czasowy, jaki należy zastosować w obliczeniach jakości wody, i informuje o tym użytkownika, gdy zdefiniowany w modelu krok czasowy nie gwarantuje stabilności obliczeń. Program został napisany w całości w języku c# i mimo że jest zgodny z niektórymi zasadami stosowanymi w programie EPANET, wprowadza kilka ulepszeń dotyczących niekompletnego mieszania, wielogatunkowości oraz sposobu traktowania kroku czasowego, który ma być zastosowany. Dostępna jest bezpłatna edycja społecznościowa, z której można korzystać bez żadnych opłat, oraz przystępna edycja profesjonalna w cenie 99,00 eur/rok, która wspiera dalszy rozwój aplikacji, zapewniając m.in. dostęp do kodu źródłowego wtyczki. Na kolejnych rysunkach przedstawiono wyniki uzyskane w programie Water-Ing dla modelu A i B. Zgodnie z oczekiwaniami w obu przypadkach wyniki są takie same, ponieważ modele są całkowicie równoważne. Model A wykonany w Water-Ing Model B wykonany w Water-Ing Czy sytuacja jest inna w przypadku korzystania z innego profesjonalnego pakietu do modelowania wody, którego koszt jest wyższy? Jeśli używasz Infoworks lub Watergems, wyniki prawdopodobnie nie będą się różnić. Udało nam się odtworzyć to samo zachowanie występujące w EPANET zarówno w Infoworks, jak i w Watergems. W programie Watergems wyświetlane były dodatkowe opcje szacowania jakości wody, ale wyniki uzyskane podczas korzystania z tych opcji były dla nas jeszcze bardziej mylące. Jeśli jesteś zainteresowany samodzielnym wypróbowaniem tego rozwiązania, możesz pobierz pliki EPANET .inp dla modelu A i B stąd. Bardziej szczegółowy artykuł techniczny opisujący problem i działania podjęte w ramach Water-Ing w zakresie obliczeń jakości wody można pobrać tutaj. Prosimy o kontakt z nami, jeśli są Państwo zainteresowani dodatkowymi pracami lub konsultacjami w tym temacie. Można również zarejestrować się na Webinarium na temat tworzenia i uruchamiania modeli jakości wody w Water-Ing:Przedsiębiorstwa użyteczności publicznej mogą zgłaszać się do Program Projektu Pilotażowego Ingeniousware, aby skutecznie oceniać tworzenie wartości i zwrot z inwestycji modeli cyfrowych dostosowanych do ich warunków.