Системы водопроводов виртуальных городов

В обществе, обеспокоенном возможностью терроризма, секретностью и безопасностью, данные инфраструктуры имеют решающее значение. Однако исследование безопасности инфраструктуры затруднено, поскольку эксперименты в данной среде на реальных системах не могут быть опубликованы. Виртуальные города являются одним из возможных решений данной проблемы, поэтому в настоящее время библиотека этих виртуальных городов находится в разработке. 

В качестве примера рассматриваются данные с описанием виртуального города Микрополиса для моделирования противопожарной защиты. Виртуальный город Мезополис в настоящее время находится в стадии разработки и будет включать дополнительные критически важные зависимости инфраструктуры, такие как электрические сети и коммуникации. Это будет дополнять разработку дальнейших моделей с целью учета рисков и вероятности отключение электроэнергии из-за природных катаклизмов. Ученые надеются, что Микрополис, Мезополис и другие возможные виртуальные города будут служить «центром» для развития дальнейших исследований данных моделей.

Введение безопасности водных систем стала наиболее важным приоритетом для гражданского строительства с момента террористического акта 11 сентября 2001 года. В стремлении обеспечить безопасность своих клиентов, многие предприятия водоснабжения ограничили доступ к данным, описывающим их системы водоснабжения, во многих случаях переходящие от общедоступных веб-систем к просмотру системных данных с ограничениями доступа. Парадокс этих новых ограничений заключается в том, что исследования водной системы на безопасность теперь требуют большего доступа к реалистичным наборам данных, с помощью которых можно тестировать алгоритмы и идеи. Основные принципы научного метода требуют, чтобы эксперименты повторялись независимыми исследователями с учетом смены экспериментальных факторов. Таким образом, общедоступные наборы данных систем распределения воды необходимы, так как исследования в этой области продолжаются. 

Однако в рамках данного исследования важно отметить, что безопасность реальных систем распределения должна поддерживаться. «Виртуальные города» – это попытка удовлетворить потребность в реалистичных, общедоступных наборах данных системы распределения воды, которые не ставят под угрозу безопасность населения [2]. А виртуальный город – это набор цифровых моделей «выдуманного» города с описанием его географии, инфраструктуры, физических элементов и демографии. Чтобы воспроизвести «органическую» природу инфраструктуры реального города, историческая шкала времени создается с развитием пространственных маркеров для проектирования водных систем, транспортных сетей, схем землепользования. Несмотря на то, что некоторые элементы реальных мест можно использовать, чтобы расширить временные рамки, отличие виртуального города от реального требует, чтобы ни один виртуальный город не создавался слишком близко к настоящему.

Виртуальный город Микрополис имеет полностью развитые геоинформационные системы (ГИС), гидравлические моделирования (EPANET). В контекст реалистичной имитации инфраструктуры был включен график развития, охватывающий 130 лет. Эта временная шкала проявляется в таких элементах, как материал труб, диаметр и их топология.

Развитие Микрополиса [1] имитирует модель развития небольшого города примерно с 5000 жителей в исторически сельском районе. Городская система водоснабжения впервые была построена в 1910 году и представляла собой колодец, небольшую распределительную сеть чугунных труб.

Прогрессивное развитие города сопровождалось улучшением системы водоснабжения, о чем свидетельствуют реабилитационные проекты в 1950 и 1980 годах. По материалам сеть состоит из разнородных материалов труб (чугун 1910 г., асбест цемент 1950 г. и высокопрочный чугун 1980 г.), а диаметры и топология труб были сформированы этим историческим развитием в несколько неэффективный и запутанный вид по отношению к современной эксплуатации. Например, самая старая часть системы сохраняет некоторые оригинальные чугунные трубы диаметром 2 дюйма (50,8 мм), но некоторые из них были позже во время проведения ремонта заменены трубами из ковкого чугуна большего диаметра.

В центральном деловом районе города располагается единый приподнятый резервуар на 440 000 галлонов (1 670 000 литров), который обслуживает систему. Расширение 1980 г. системы водоснабжения включало строительство станции очистки поверхностных вод, которая в настоящее время служит инструментом первичного ввода воды в систему, при этом исходное скважинное поле остается в качестве резервного источника.

Высокопроизводительная насосная станция на северной окраине города создает давление в притоке, поскольку оно поступает в систему распределения. Относительно небольшой размер города позволяет полностью использовать систему распределения воды. В макетах города объекты системы водоснабжения указаны с точностью до индивидуальных сервисных подключений как в ГИС, так и в EPANET рамки. Кроме того, в данную разработку был включен и полный комплект пожарных гидрантов с той целью, чтобы предоставить возможность полного описания широкого диапазона сценариев.

Полезность виртуального города Микрополиса проиллюстрирована на примере анализа пожарных потоков по сценариям повреждения системы. Характерная особенность системы водоснабжения Микрополиса – это сохранение большей части «оригинальной» инфраструктуры в ее ядре. Это обстоятельство наблюдалось на примере реальных систем. Более того недавно построенные магистрали диаметром 12 дюймов (305 мм) вдоль южного края системы эффективно действуют как главный канал снабжения восточной части города. Важность этой магистрали при несовершенной топологии системы иллюстрируется пожарной потребностью в потоке на гидранте HY44 в промышленной зоне города. Принцип моделирования основывается на учете расхода пламени 500 галлонов в минуту (31,5 л/с), взятого из HY44, начиная с 12:00 по полудню с повышенным уровнем городского резервуара для хранения, который находится в 117 футах над уровнем земли [4]. Второй вариант симуляции различался статусом основного MA802: в первом он был открытым, во втором – закрытым. Более сложные примеры исследовательских приложений Микрополиса приведены в Bristow et al (2007) в аспекте анализа распространения загрязняющих веществ.

Виртуальный город Мезополис [3] – город второго поколения с населением 100 000 жителей с 300-летним периодом развития. Большой размер этого города включает значительные топографические различия и более сложную конструкцию водораспределительной сети. Так, небольшой размер виртуального города Микрополиса позволил определить детальную спецификацию многих элементов системы (например, индивидуальные подключения к водопроводу), но сделать это в масштабе более большого города представляется сложным. Вместо этого будет использоваться другой подход: система «вложенного разрешения», где отображение выполняется с грубым разрешением для всего города. В данной системе будут выбраны меньшие области для более детального отображения важных инфраструктур. В настоящее время ведутся работы по физической географии города, землепользования, транспортной, водной и электрической систем. Разнообразные значимые городские особенности могут быть добавлены в проект город в процессе его дальнейшей разработки.

Концепция виртуального города – это попытка создать общедоступные цифровые наборы данных с целью исследования инфраструктуры. Это исследование может служить в качестве отправной точки для обсуждения полезности данной концепции и предложить другим предпринять попытку приложить аналогичные усилия с целью разработки собственного виртуального города. Библиотеки виртуальных городов с различными характеристиками могут быть ценным экспериментальным ресурсом в аспекте перспективы исследования данной темы.

 

Список литературы

  1. Kalinina N. O. Mikropolis kak sovremennaya tipologiya prostranstvennoj modeli malen'kogo goroda. // Nauka, obrazovanie i eksperimental'noe proektirovanie. Trudy MARHI. Materialy mezhdunarodnoj nauchno-prakticheskoj konferencii. Sbornik statej. M.: MARHI, 2018. 171-174.
  2. Malahov S. A. Kompozicionnyj metod: aktualizaciya modeli megaob"ekta, znachenie i procedury. // Gradostroitel'stvo i arhitektura. 2017. № 3. S. 72-79.
  3. Saprykina N. A. Bezbumazhnaya arhitektura v kontekste virtual'noj real'nosti. // Architecture and Modern Information Technologies. 2012. № 6. S. 1-12.
  4. Hollis L. Goroda vam na pol'zu: Genij megapolisa (Cities are good for you). Conville&Walsh Ltd. and Synopsis Literary Agency, 2013. 463 s.