В данной статье авторы излагают теоретические выкладки и практические результаты исследования проблемы цифровизации в сфере водных отношений: рассматривается процесс цифровизации водной отрасли, приводятся примеры необходимости его внедрения для оптимального расходования водных ресурсов, описываются процессы сборки и программирования модели водного шлюза с дистанционным управлением, формулируются выводы проведенного исследования.
Ключевые слова : цифровизация, водный шлюз, программирование, ЛЕГО-конструирование, модель.
Указ Президента РФ «Стратегия развития информационного общества в Российской Федерации на 2017–2030 годы» посвящен информационным и телекоммуникационным технологиям, как важнейшему элементу национальной инфраструктуры [3]. В Послании Президента В. В. Путина Федеральному собранию подчеркивается: «Необходимо сосредоточиться на направлениях, где накапливается мощный технологический потенциал будущего, а это цифровые, другие, так называемые сквозные технологии, которые сегодня определяют облик всех сфер жизни [2]. Построение общества знаний и создание цифровой среды являются целью развития информационного общества.
Концепция четвертой индустриальной революции (Industrie 4.0) характеризуется переходом на полное автоматизированное цифровое производство, управляемое интеллектуальными системами в режиме реального времени в постоянном взаимодействии с внешней средой. Как следствие, это позволяет вывести предприятие или иное хозяйство на качественно новый уровень целый ряд направлений деятельности, включая: проектирование, производство продукции, контроль над расходом ресурсов.
Одним из важнейших и жизненно необходимых ресурсов на планете является вода. Так ее ценность была отмечена Генеральной Ассамблеей ООН, объявившей 2018–2028 годы Водным десятилетием под лозунгом: «Вода для устойчивого развития» [3]. Как следствие, необходимо вести планомерную работу на международном уровне, оберегая и рационально расходуя общие воды.
Спектр направлений развития цифровых технологии оптимального использования водных ресурсов в хозяйстве чрезвычайно высок. Часть из них связана с разработкой систем, обеспечивающих дистанционное управление процессами переброски и распределения воды, водоснабжения и водоотведения с использованием водного шлюза.
Итак, цель работы : теоретически обосновать необходимость применения водного шлюза и сконструировать его программируемую модель на основе конструктора «Лего».
Достижение цели стало возможным при решении следующих задач :
- Теоретически рассмотреть проблему цифровизации водной отрасли и привести примеры ее реализации в части оптимального использования водных ресурсов;
- Сконструировать программируемый макет водного шлюза на основе конструктора «Лего»;
- Сформулировать выводы по проделанной работе.
Решим первую задачу , рассмотрев понятие водного шлюза, его оптимального использования в свете цифровизации.
Водный шлюз — это гидротехническое сооружение, при помощи изолированных водонепроницаемых перемычек (заграждений) обеспечивающее безопасный переход воды между зонами с разным давлением [4]. Его водосберегающая функция проявляется в минимизации инцидентов водопотери при водосбережении и опирается на оптимальность конструктивных его особенностей. Рассмотрим примеры использования шлюза в контексте цифровизации.
Пример 1. Простейшим примером водного шлюза является клапан бытового смесителя, обеспечивающий подачу напора воды и его разделение. Системы умного дома для ванной комнаты, регулирующие подачу горечей воды с помощью контроля клапана смесителя на основе данных температурных датчиков, представляют собой одну из сторон подобной цифровизации.
Пример 2. При возникновении аварийных ситуаций в сложной гидротехнической сети водоснабжения городской инфраструктуры для минимизации водопотерь и создания условия для своевременного ремонта нашли свое применение системы интегрированных водных шлюзов. Благодаря достижениям цифровых технологий на данный момент их сегментно-клапанная система позволяет на основе показателей детекторов давления изолировать аварийные участки гидротехнической сети с целью устранения утечек воды.
Пример 3. В селе Баратаевка Ульяновской области водный шлюз нашел свое применение в рамках водопропускной системы сточных сооружений в виде ограничителя, позволяющего регулировать процесс пропуска талых вод на заданном участке. Цифровизированное управление шлюзом позволит в будущем избежать технологических инцидентов, возникающих вследствие «человеческого фактора» — ситуаций непреднамеренного слабого учета параметров окружающий среды.
Таким образом, цифровизация водной отрасли позволяет оптимизировать технологические процессы работы гидроинфраструктуры, минимизировать экономические потери в ходе ее амортизации и последующие затраты на ремонт.
Для решения второй задачи работы нам необходимо сконструировать программируемую модель водного шлюза на основе конструктора «Лего». Корпусным материалом данной модели будет являться детали «Лего».
Самые главные из них: хаб — устройство, на которое можно записать программу и управлять двумя встроенными электромоторами; контакты для дополнительных датчиков и электромоторов.
Датчик приближения — обычный инфракрасный дискретный датчик, который является дополнением к хабу, но несёт только демонстрационное назначение. Сборка модели водного шлюза проводилась в три этапа:
Этап 1 «Подготовительный» — поиск необходимых деталей (рис. 1).
Рис. 1. Перечень необходимых деталей
Этап 2 «Технический» — сборка технической модели водного шлюза (рис. 2).
Рис. 2. Элементы сборки технической модели водного шлюза
Этап 3. «Программный» — создание программы для управления технической модели водного шлюза. Для прогорамирования модели использовалась программа для смартвонов Apitor. Код для демонстрации макета выполнен на языке Scratch (рис. 3).
Рис. 3. Код Scratch для программирования технической модели водного шлюза
Вывод: техническая модель, показанная выше, является уменьшенной и демонстративной копией потенциального реального водного шлюза. У шлюзов таково вида (предназначенных для водопровода и имеющих несколько промежуточных положений открытия и закрытия) есть несколько плюсов.
Во-первых, экономия воды. На производстве, на котором используется вода на нерегулярной основе, а с определенной частотой или с определённым напором, такой водный шлюз идеально подойдет. Так он позволит существенно уменьшить расход ресурса, поскольку вода будет, подавятся не постоянно, а только тогда, когда в ней есть необходимость.
Во-вторых, улучшение безопасности помещений. Так если в водопровод поместить этот шлюз, то он будит полностью контролировать подачу воды на все контуры, которые проходят через него. В случаи аварии с затоплением в жилом или промышленном помещении (которое под контролем водного шлюза) водоснабжение можно дистанционно прекратить тем самым остановить затопление.
Таким образом, цифровизация в сфере использования и сбережения водных ресурсов имеет долгосрочный и устойчивый тренд развития, как в быту, так и на производстве. Важным условием работы является использование специализированных датчиков для запуска работы водного шлюза в той или иной ситуации.
Литература:
- Конференция Организации Объединенных Наций по среднесрочному всеобъемлющему обзору хода достижения целей Международного десятилетия действий «Вода для устойчивого развития», 2018–2028 годы. URL: http://cawater-info.net/library/rus/a_res_75_212.pdf
- Путин В. В. Послание Президента Федеральному Собранию 01 декабря 2016 г. URL: http://www.kremlin.ru/events/president/news/53379 (дата обращения: 29.10.2022).
- Стратегии развития информационного общества в Российской Федерации на 2017–2030 годы / Указ Президента Российской Федерации от 09.05.2017. № 203. URL: https://sudact.ru/law/ukaz-prezidenta-rf-ot-09052017-n-203/strategiia-razvitiia-informatsionnogo-obshchestva-v/ (дата обращения: 29.10.2022).
- Уланов Н. А. Эффективность регулирования водного режима выработанных торфяников путем шлюзования каналов // Аграрная наука Евро-Северо-Востока. — № 4 (47). — Киров, 2015. — С. 56–61.
