- Email: biuro@kicb.pl
- Rondo Organizacji Narodów Zjednoczonych 1, 00-124 Warszawa
Infrastruktura krytyczna, szczególnie w sektorze wodociągowo-kanalizacyjnym, odgrywa kluczową rolę w zapewnieniu podstawowych usług publicznych. Działanie stacji uzdatniania wody, pompowni, systemów filtracji, czy oczyszczalni ścieków musi być nieprzerwane, aby zapewnić bezpieczeństwo dostępu do wody pitnej oraz efektywną gospodarkę ściekową. Zapewnienie ciągłości działania tych systemów wymaga kompleksowego podejścia, które obejmuje zarówno odpowiednią metodologię analizy niezawodności, jak i wdrożenie nowoczesnych technologii, takich jak Digital Twin i analiza RAMS (Reliability, Availability, Maintainability, Safety). Niniejszy materiał ma na celu przedstawienie głównych zagadnień związanych z zapewnieniem ciągłości działania w infrastrukturze wodociągowo-kanalizacyjnej.
Metodologia RAMS jest szeroko stosowana w inżynierii niezawodności do oceny działania systemów technicznych, w tym stacji uzdatniania wody. RAMS obejmuje cztery główne elementy:
Niezawodność (Reliability): Określa prawdopodobieństwo bezawaryjnego działania systemu w określonych warunkach środowiskowych przez określony czas. W przypadku systemów wodociągowych kluczowe elementy to pompy, zawory, zbiorniki, filtry, systemy odwróconej osmozy oraz elektronika sterująca.
Dostępność (Availability): Określa procent czasu, w którym system jest sprawny i gotowy do działania. Dla stacji uzdatniania wody oznacza to jak dużą część roku dostarcza wodę, uwzględniając czas przestoju, wynikający z awarii lub regularnych przeglądów.
Utrzymanie (Maintainability): Zdolność do szybkiego przywrócenia urządzenia do pełnej sprawności po awarii. W tym kontekście istotne jest posiadanie odpowiednich części zamiennych oraz umiejętność szybkiej reakcji na problemy techniczne.
Bezpieczeństwo (Safety): Zabezpieczenie przed sytuacjami, które mogą prowadzić do zagrożenia zdrowia lub życia ludzi. W obszarze wodociągowo-kanalizacyjnym, awaria systemu nie jest jedynie problemem technicznym, ale może prowadzić do poważnych konsekwencji, takich jak skażenie wody pitnej. Stosuje się tu różne narzędzia analityczne, takie jak analiza drzew błędów, FMEA (analiza przyczyn i skutków awarii), czy analiza drzew zdarzeń.
Technologia Digital Twin (cyfrowego bliźniaka) staje się nieocenionym narzędziem w zapewnieniu ciągłości działania infrastruktury krytycznej. Digital Twin to wirtualny model systemu, który odwzorowuje wszystkie kluczowe urządzenia i procesy fizyczne w rzeczywistym systemie. W kontekście infrastruktury wodociągowo-kanalizacyjnej cyfrowy bliźniak może obejmować:
Pompy: Kluczowy element w dostarczaniu wody i utrzymaniu ciśnienia w systemie.
Filtry: Niezbędne do oczyszczania wody, w tym systemy odwróconej osmozy.
Zbiorniki: Służące do magazynowania wody pitnej lub ścieków.
Zawory: Odpowiedzialne za regulację przepływów i ciśnienia.
Wirtualny model pozwala na monitorowanie stanu każdego z tych urządzeń, symulowanie ich awarii oraz prognozowanie czasu przestoju w przypadku usterki. Dzięki takiemu podejściu możliwe jest wczesne wykrycie potencjalnych problemów oraz optymalizacja działań naprawczych.
Systemy Digital Twin umożliwiają symulowanie działania urządzeń w przyspieszonym tempie, co pozwala na przewidywanie częstości ich awarii w długim okresie (np. 10 lat). Symulacje Monte Carlo, które bazują na losowości, pomagają oszacować średni czas przestoju poszczególnych urządzeń oraz koszt ich naprawy. W ten sposób możliwe jest wyznaczenie, czy system jest wystarczająco niezawodny, czy też wymaga zwiększenia redundancji.
Redundancja to jedno z najważniejszych narzędzi w zapewnieniu ciągłości działania systemów krytycznych. W kontekście systemów wodociągowych oznacza to wprowadzenie dodatkowych urządzeń, które mogą przejąć funkcje w przypadku awarii głównego systemu. Przykładem jest posiadanie dodatkowych linii rur, pomp czy filtrów, które w razie problemów pozwalają na utrzymanie funkcjonowania systemu.
Przykładową strukturą redundancji w takich systemach jest 2 z 3, co oznacza, że dwa urządzenia (np. pompy) są używane na co dzień, a trzecie stanowi urządzenie zapasowe. W przypadku awarii jednego z urządzeń, zapasowe przejmuje jego funkcję, minimalizując czas przestoju.
Metodologia Monte Carlo to technika stosowana w analizach ryzyka, polegająca na przeprowadzaniu dużej liczby symulacji losowych, aby uzyskać rozkład wyników w danym systemie. Zasada działania tej metody opiera się na generowaniu przypadkowych wartości wejściowych (np. awarii urządzeń, czasów napraw, dostępności części zamiennych) zgodnie z określonymi rozkładami prawdopodobieństwa, a następnie symulowaniu wielu scenariuszy, aby uzyskać najbardziej prawdopodobny obraz przyszłych wyników.
W kontekście infrastruktury wodociągowej, symulacje Monte Carlo mogą być wykorzystywane do przewidywania, jak często urządzenia ulegną awarii, jak długo potrwa ich naprawa i jakie będą związane z tym koszty. Na podstawie tych symulacji, inżynierowie mogą obliczyć średni czas przestoju systemu, oszacować ryzyko awarii oraz określić, czy redundancja systemu (np. dodatkowe urządzenia) jest wystarczająca do zapewnienia ciągłości działania. Dzięki tej metodzie możliwe jest uwzględnienie zmienności i niepewności w prognozach, co daje bardziej realistyczny obraz ryzyka. Trzeba zaznaczyć, że niemożliwe jest dokładne przewidywanie kiedy dane urządzenie ulegnie awarii. Symulacje Monte Carlo to narzędzie, które pozwala przygotować się na te nieznane scenariusze w optymalny sposób.
Wprowadzenie metodologii RAMS oraz narzędzi takich jak Digital Twin wiąże się z pewnymi wyzwaniami. W szczególności, wymaga to inwestycji w odpowiednie oprogramowanie oraz zatrudnienia wysoko wykwalifikowanych specjalistów, co może stanowić barierę w przypadku mniejszych stacji uzdatniania wody. Jednakże, z biegiem czasu, systemy te stają się coraz bardziej dostępne, a gromadzenie historii eksploatacji oraz wprowadzenie podstawowych narzędzi analitycznych (np. wskaźniki MTBF – ang. Mean Time Between Failures) może stać się pierwszym krokiem w kierunku pełnej optymalizacji procesów zarządzania ciągłością działania.
Zarządzanie ciągłością działania w infrastrukturze wodociągowo-kanalizacyjnej jest wyzwaniem, które wymaga kompleksowego podejścia, obejmującego zarówno analizę niezawodności i dostępności, jak i wdrożenie nowoczesnych technologii. Współczesne narzędzia, takie jak Digital Twin oraz metodologia RAMS, pozwalają na precyzyjne modelowanie systemów i prognozowanie ich awaryjności. Dzięki tym technologiom możliwe jest nie tylko zapewnienie ciągłości dostępu do wody pitnej, ale także minimalizowanie ryzyka związanego z awariami, co ma kluczowe znaczenie dla bezpieczeństwa publicznego i ochrony środowiska.
Nie możemy zapominać także o systemach sterowania, które stanowią centralny element infrastruktury odpowiedzialnej za ciągłość dostaw wody pitnej oraz obsługę procesów uzdatniania i dystrybucji. To one monitorują parametry jakości wody, kontrolują przepływy, dozowanie chemikaliów, pracę pomp, stacji uzdatniania czy zbiorników retencyjnych. Dzięki temu możliwe jest utrzymanie stabilności i bezpieczeństwa całego łańcucha dostaw.
W kontekście cyberbezpieczeństwa systemy sterowania są jednym z najbardziej narażonych, a jednocześnie najbardziej krytycznych zasobów. Ewentualny atak lub awaria może prowadzić nie tylko do zakłócenia ciągłości usług, ale – co kluczowe – do zagrożenia zdrowia publicznego poprzez manipulację jakością wody, przerwę w jej dostawie czy niekontrolowane zrzuty ścieków. Dlatego branża wod-kan musi traktować te systemy jako zasób o szczególnym znaczeniu, wymagający dedykowanej ochrony, regularnych audytów oraz nadzoru specjalistów. Eksperci ds. automatyki, systemów sterowania i cyberbezpieczeństwa są niezbędni, aby zapewnić prawidłową integrację warstw OT (Operational Technology) i IT, wykrywać nieprawidłowości, wdrażać procedury bezpieczeństwa oraz reagować na incydenty.
autor: Jacek Kalowski – konsultant i ekspert ds. inżynierii niezawodności, wieloletni praktyk w obszarze inżynierii niezawodności i zapewnienia ciągłości działania w infrastrukturze krytycznej. Współwłaściciel firmy doradczej i szkoleniowej statlore.com.