СИСТЕМА МОНИТОРИНГА И ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ВОДНЫХ РЕСУРСОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СИСТЕМЫ SCADA

Ma‘lumotlarni qayta ishlashniavtomatlashtirish katta hajmdagi ma‘lumotlarnitahlil qilish imkonini beradi va bu usulni bugungisuv tanqisligi sharoitida barcha omillarni hisobgaolish uchun eng samarali usullardan birigaaylantiradi. Maqolada ma‘lumotlarni qayta ishlashniavtomatlashtirish va ko‘p o‘lchovli tizimlarda SCADAtizimlaridan foydalanish masalalari muhokamaqilinadi. Shuningdek, ortogonal diskret Lagerpolinomlariga asoslangan ma‘lumotlarni tahlil qilishmodeli, ko‘p o‘lchovli tizimning prototipi va SCADAtizimining mnemonik diagrammasi keltirilgan

DOI: https://doi.org/10.5281/zenodo.16961868

СИСТЕМА МОНИТОРИНГА И ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ВОДНЫХ РЕСУРСОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СИСТЕМЫ SCADA

Национальный Эъзозбек ОЗОДОВ исследовательский университет «ТИИМСХ», PhD Старший преподаватель Национального Акрам АКБАРАЛИЕВ исследовательского университета «ТИИМСХ» Ведущий специалист управления Перспективного Бехзод КОМИЛЖОНОВ развития и реализации ГЧП проектов АО «Узбекгидроэнерго»

Аннотация. Автоматизация обработки данных позволяет анализировать большие объемы данных, что делает этот метод одним из наиболее эффективных для учета всех факторов в современных условиях дефицита воды. В статье рассматриваются вопросы автоматизации обработки данных и использования SCADA-систем в мульти-измерительных системах. В статье представлена модель анализа данных на основе ортогональных дискретных полиномов Лагерра, прототип мульти-измерительные системы и мнемоническая схема SCADA-системы.

Ключевые слова: Водные ресурсы, SCADA-система, цифровой двойник, полиномы Лагерра, математическое моделирование, прогнозирование, сенсорная сеть, ATmega328E, качество воды, автоматизированный мониторинг, замкнутые водные системы, Айдаркуль, многопараметрическое измерение, эвапотранспирация, TDS, pH, температура, интеллектуальный анализ данных, управление водопользованием, сельскохозяйственное водоснабжение,

климатические изменения, устойчивое развитие.

SCADA TIZIMIDAN FOYDALANGAN HOLDA SUV RESURSLARINI PROGNOZLASH VA MONITORING QILISH TIZIMI

E’zozbek OZODOV, “TIQXMMI” Milliy tadqiqot universiteti, PhD

Akram AKBARALIYEV, “TIQXMMI” Milliy tadqiqot universiteti katta o‘qituvchisi,

Behzod KOMILJONOV, “O‘zbekgidroenergo” AJ Istiqbolli rivojlantirish va DXSH loyihalarini amalga oshirish boshqarmasi yetakchi mutaxassisi

SYSTEM OF MONITORING AND FORECASTING WATER RESOURCES USING SCADA SYSTEM

Ezozbek OZODOV, National Research University “TIIAMME”, PhD

Akram AKBARALIEV, Senior Lecturer of the National Research University “TIIAMME”

Bekhzod KOMILJONOV, Leading specialist of the Department of Prospective Development and Implementation of PPP Projects of JSC “Uzbekhydroenergo”

PRINT ISSN 3060-4672 O‘ZBEKGIDROENERGETIKA

VOLUME 8 | ISSUE 2 | 2025 УЗБЕKГИДРОЭНЕРГЕТИКА UZBEKHYDROPOWER

Annotatsiya. Ma’lumotlarni qayta ishlashni avtomatlashtirish katta hajmdagi ma’lumotlarni tahlil qilish imkonini beradi va bu usulni bugungi suv tanqisligi sharoitida barcha omillarni hisobga olish uchun eng samarali usullardan biriga aylantiradi. Maqolada ma’lumotlarni qayta ishlashni avtomatlashtirish va ko‘p o‘lchovli tizimlarda SCADA tizimlaridan foydalanish masalalari muhokama qilinadi. Shuningdek, ortogonal diskret Lager polinomlariga asoslangan ma’lumotlarni tahlil qilish modeli, ko‘p o‘lchovli tizimning prototipi va SCADA tizimining mnemonik diagrammasi keltirilgan. Kalit so‘zlar: suv resurslari, SCADA tizimi, raqamli egizak, Lagger polinomlari, matematik modellashtirish, prognozlash, sensor tarmoq, ATmega328E, suv sifatini baholash, avtomat­ lashtirilgan monitoring, yopiq suv tizimlari, Aydarko‘l, ko‘p parametrli o‘lchov, evapotranspiratsiya, TDS, pH, harorat, intellektual ma’lumotlar tahlili, suvdan foydalanishni boshqarish, qishloq xo‘jaligida suv ta’minoti, iqlim o‘zgarishi, barqaror rivojlanish.

Abstract. Automation of data processing allows analyzing large volumes of data, which makes this method one of the most effective for taking into account all factors in modern conditions of water shortage. The article discusses the issues of automation of data processing and the use of SCADA systems in multi-measurement systems. The article presents a data analysis model based on orthogonal discrete Лаггер polynomials, a prototype of a multi-measurement system and a mnemonic scheme of a SCADA system. Keywords: Water resources, SCADA system, Digital twin, Lagger polynomials, Mathematical modeling, Forecasting, Sensor network, ATmega328E, Water quality, Automated monitoring, Closed water systems, Aydarkul, Multiparametric measurement, Evapotranspiration, TDS, pH, Temperature, Intelligent data analysis, Water use management, Agricultural water supply, Climate change, Sustainable development.

Рациональное управление водными ресурсами в XXI веке приобретает приоритетный характер глобальной экологической экономической повестки. Согласна отчёту Всемирного банка на 2023 год более 2,3 млрд человек во всём мире сталкиваются с нехваткой воды, а к 2040 году прогнозируется дефицит пресной воды 60% стран с развивающейся экономикой в том числе Центральная Азия. В Республике Узбекистан ситуация характеризуется высоким уровням стресса: по данным Министерства водного хозяйства, нагрузка на водные ресурсы составляет 169%, что означает превышение потребления над природной выполняемостью почти в 1,7 раза (Рис.1).

На основе анализов существующих данных и созданному графику мы можем видеть соотношение растущего объёма потребления с 61,5 до 63 млрд метр куб воды, а доступные водные ресурсы сократились с 50 до 47,2 млрд метр куб, что свидетельствует о том, что потребление воды повышено до стрессового уровня а существующие ресурсы воды сокращаются на протяжении трёх лет, использование водных ресурсов в соотношении к существующим запасам составляет 30%, что подтверждает наличие высокого уровня водного стресса в стране.

O‘ZBEKGIDROENERGETIKA PRINT ISSN 3060-4672 90 УЗБЕKГИДРОЭНЕРГЕТИКА UZBEKHYDROPOWER VOLUME 8 | ISSUE 2 | 2025

Рис.1. График сравнения доступных и использованных водных ресурсов Узбекистана (2022-2024).

Сельское хозяйство, формирующее около 28% ВВП Узбекистана, употребляется выше 90% доступных водных ресурсов. Что делает задачу эффективного контроля и прогнозирования водоснабжения ключевой для устойчивого развития аграрного сектора. При этом, по оценке института водных проблем и реакции ежегодные потери воды в растительной системе страны составляет до 35% из которых значительная часть обусловлена отсутствием оперативного мониторинга избыточного испарения и неэффективной эксплуатации инфраструктуры.

На этом фоне особую актуальность приобретает внедрение автомати­ зированной системы мониторинга и прогнозирования обеспечивающее не только сбор и визуализацию данных в реальном времени но и принятие обоснованных управленческих решений. В мире и региональном контексте в качестве перспективных технологий решения рассматриваются SCADA-системы (Supervisory Control and Data Acquisition), обладающий возможностью интеграции сенсорных сетей, построение цифровых двойников объектов водопользования, а также реализации интеллектуального анализа данных.

Несмотря на широкое применение SCADA – систем промышленности энергетики и транспорте, в сфере водного хозяйства их использование носят эпизодические и Экспериментальный характер особенно после ощущается нехватка системы способных работать в условиях ограниченного ресурса высокой минерализации воды и удельного расположения объектов удалённого расположения объектов как это имеет место замкнутых озёрных системах Узбекистана (например Айдаркуль).

Данное исследование основывается на комплексном подходе, который комментирует себе математическое моделирование цифровой мониторинг,

PRINT ISSN 3060-4672 O‘ZBEKGIDROENERGETIKA

VOLUME 8 | ISSUE 2 | 2025 УЗБЕKГИДРОЭНЕРГЕТИКА UZBEKHYDROPOWER

а также анализ водных ресурсов на основе SCADA архитектуры методология исследования включает в себя следующие основные элементы:

Для построения корректной модели мониторинга и прогнозирования используется Следующие виды данных: • объём потребляемых и доступных водных ресурсов (в млрд м3); • параметры качества воды, уровень pH, минерализация температура воды и потери за счёт эвапотранспирации;

1.2. Математическое моделирование и логика постоянной автома­ тизации данных

Cистема прогнозирования на основе автоматизации данных многокритерийного условия основывается на автогональных дискретных Лаггера данный подход является эффективным для учёта стохастической природы изменение параметров замкнутые гидрологической системе модель нужно написать следующим образом

где: W(t)- прогнозируемый объем воды, Ln(t)- полиномы Лагерра 𝑛-го порядка, an- коэффициенты определяемые методом наименьших квадратов ε(t)- ошибка модели.

Модель сравнивалась с классической ARIMA-моделью по критериям MAE и MSE.

1.3. Архитектура измерительной SCADA-системы

Для автоматизированного сбора данных разработан прототип многофакторной измерительной системы, включающей:

• микроконтроллер ATmega328E; • датчики: pH, мутности, TDS (электропроводность), температуры; • модуль беспроводной передачи данных GSM D-900; • интерфейс интеграции с SCADA через стандартные протоколы (MODBUS, UART). • Данные поступают на SCADA-сервер, где визуализируются в виде мнемосхем, графиков и тревожных сигналов.

O‘ZBEKGIDROENERGETIKA PRINT ISSN 3060-4672 92 УЗБЕKГИДРОЭНЕРГЕТИКА UZBEKHYDROPOWER VOLUME 8 | ISSUE 2 | 2025

Для оценки эффективности прогнозных моделей использовались следующие метрики:

• MAE (Mean Absolute Error) • MSE (Mean Squared Error) • Среднее отклонение от фактических данных в процентах

Модель на основе полиномов Лагерра продемонстрировала среднюю погрешность 0,11%, что почти в 3,5 раза ниже, чем у ARIMA-модели (0,39%).

Результаты моделирования и анализа подтвердили высокую эффективность предложенного подхода, основанного на ортогональных дискретных полиномах Лагерра, для прогнозирования динамики водных ресурсов.

На основе данных по объёму водных ресурсов Узбекистана за 2023– 2024 гг. (ежемесячные значения в диапазоне от 50,0 до 45,5 млрд м³) были построены прогнозные модели с использованием двух методов: • Модели Лаггер-полиномов • Классической ARIMA-модели (AutoRegressive Integrated Moving Average)

Результаты представлены на рисунке 2. Сравнение прогнозируемых значений с фактическими показало следующее: • Средняя абсолютная ошибка модели на основе Лаггер-полиномов составила 0,11% от среднего значения фактических данных, что соответствует высокой точности аппроксимации. • Для ARIMA-модели аналогичная ошибка составила 0,39%, что почти в 3,5 раза выше, чем у модел Лаггера.

Модель Лаггера показала стабильность при прогнозировании, а также высокую устойчивость к флуктуациям, обусловленным стохастической природой гидрологических процессов. Это делает её особенно подходящей для долгосрочного прогнозирования и оценки устойчивости водных ресурсов в условиях неопределенности и климатических изменений.

Дополнительно, разработанная SCADA-инфраструктура, интегри­ро­ ванная с измерительными сенсорами на базе ATmega328E, обеспечила: • Автоматизированный сбор данных о физических параметрах воды (pH, TDS, температура, мутность); • Мгновенную визуализацию показателей в виде мнемосхем; • Передачу данных на центральный сервер через GSM-модуль.

Комплексная интеграция моделей прогнозирования и SCADA-системы позволяет не только фиксировать изменения в водных системах в режиме

PRINT ISSN 3060-4672 O‘ZBEKGIDROENERGETIKA

VOLUME 8 | ISSUE 2 | 2025 УЗБЕKГИДРОЭНЕРГЕТИКА UZBEKHYDROPOWER

реального времени, но и заранее идентифицировать критические уровни, формируя тем самым основу для интеллектуального управления водными ресурсами.

Таким образом, результаты исследования продемонстрировали, что предложенная система обладает высокой степенью точности и надежности, а её внедрение в практику аграрного водопользования может значительно повысить эффективность и устойчивость управления водными ресурсами Узбекистана.

Рис.2. Визуальное сравнение результатов прогнозирования объема водных ресурсов с использованием двух моделей: Лаггер-полиномов и ARIMA.

На графике представлено визуальное сравнение результатов прог­ нозирования объема водных ресурсов с использованием двух моделей: Лаггер-полиномов и ARIMA.

Видно, что: • Фактические значения (синяя линия) демонстрируют стабильное снижение объема водных ресурсов в течение 2023–2024 гг. • Модель Лаггер (красная пунктирная линия) практически точно повторяет динамику фактических данных, при этом средняя погрешность составила всего 0,11%. • Модель ARIMA (зелёная точечная линия) также близка к факти­ ческим значениям, но менее точна – средняя ошибка 0,39%.

Это подтверждает преимущество использования ортогональных дискретных полиномов Лагерра для прогнозирования сложных природных процессов с высокой точностью.

O‘ZBEKGIDROENERGETIKA PRINT ISSN 3060-4672 94 УЗБЕKГИДРОЭНЕРГЕТИКА UZBEKHYDROPOWER VOLUME 8 | ISSUE 2 | 2025

а) б) Рис.3. Прототип многомерной системы управления. а) архитектура оборудования наблюдения б) конструкция мониторинга.

Дополнительно в рамках экспериментальной части исследования был разработан и собран аппаратно-программный прототип многофакторной измерительной системы, интегрированной в SCADA-инфраструктуру. На рисунке 3 представлена физическая реализация системы, включающая следующие ключевые компоненты: • Сенсорный модуль, состоящий из датчиков pH, TDS, температуры, мутности и давления, соединённых с микроконтроллером ATmega328E; • Коммутационные реле и модуль питания, обеспечивающие стабильную работу в условиях переменных нагрузок; • GSM-модуль, предназначенный для беспроводной передачи собранных данных на сервер визуализации SCADA-системы; • Физический макет гидросистемы, собранный из труб ПВХ с эмуляцией различных каналов подачи и отвода воды.

Практические испытания показали высокую работоспособность системы:

• Время отклика при изменении параметров воды составило менее 2 секунд;

• Погрешность измерения уровня pH — не превышала ±0,05;

• Передача данных на SCADA-панель осуществлялась в режиме 1 пакет в 10 секунд, обеспечивая почти реальное время мониторинга.

PRINT ISSN 3060-4672 O‘ZBEKGIDROENERGETIKA

VOLUME 8 | ISSUE 2 | 2025 УЗБЕKГИДРОЭНЕРГЕТИКА UZBEKHYDROPOWER

Такая архитектура позволяет масштабировать решение для полевых условий, в том числе — в рамках малых ирригационных систем, замкнутых озёр и мониторинга искусственных водоёмов. Макет демонстрирует, что предложенная система может быть реализована с минимальными затратами, что делает её особенно перспективной для стран с ограниченными ресурсами в области цифровизации водного сектора.

Рис.4. мнемосхема SCADA-интерфейса, отображающая показания с измерительного узла «O‘lchash-1».

Кроме аппаратной части, была разработана и внедрена визуальная SCADA-панель, обеспечивающая мониторинг параметров водной среды в реальном времени. На рисунке 5 представлена мнемосхема SCADA-интерфейса, отображающая показания с измерительного узла «O‘lchash-1», расположенного в системе озёр Айдар-Арнасой.

Функциональные возможности интерфейса включают: • Графики параметров TDS и pH в реальном времени с временной шкалой и масштабированием; • Индикаторы критических уровней (например, зелёная зона до TDS < 1000 ppm, красная зона при превышении допустимых норм);

O‘ZBEKGIDROENERGETIKA PRINT ISSN 3060-4672 96 УЗБЕKГИДРОЭНЕРГЕТИКА UZBEKHYDROPOWER VOLUME 8 | ISSUE 2 | 2025

• Географическая карта с точками расположения сенсорных узлов и отображением их текущего состояния; • Журнал событий и логирование измерений, с указанием временных меток начала и окончания сеанса наблюдений. • На момент съёмки: • TDS = 6162 ppm, что существенно превышает допустимые нормы для сельскохозяйственного водопользования; • pH = 8.1, что свидетельствует об умеренно щелочной среде.

Система позволяет не только отслеживать текущие показатели, но и формировать предупреждения и сигналы тревоги при превышении установленных порогов, что критически важно для оперативного реагирования и адаптивного управления водными ресурсами.

Таким образом, реализация программной части SCADA-модуля продемонстрировала высокую эффективность визуализации и удобство взаимодействия пользователя с системой, что делает её пригодной для масштабирования в реальные условия полевых хозяйств.

Проведенное исследование подтвердило эффективность и высокую результативность комплексного подхода к мониторингу и прогнозированию водных ресурсов с использованием современных автоматизированных технологий. Разработанная система на основе интеграции инфраструктуры SCADA, многофакторного измерительного устройства и математического модуля прогнозирования обладает высокой точностью, устойчивостью и применимостью в практических условиях дефицита воды.

Математическая модель, реализованная на основе ортогональных дискретных полиномов Лагерра, обеспечила среднюю погрешность прогноза всего 0,11%, что значительно меньше, чем у классической модели ARIMA (0,39%). Это свидетельствует о научной и практической целесообразности выбора данного математического инструмента для моделирования нестационарных гидрологических процессов.

Экспериментально разработанный прототип системы на микроконтроллере ATmega328E успешно принимал и передавал информацию с датчиков качества воды (pH, TDS, мутность, температура) в режиме реального времени. Программный интерфейс SCADA обеспечивал визуализацию, управление и формирование тревожных уведомлений в случае нарушения нормативных показателей. Особое применение имеет возможность масштабирования и адаптации данной системы в контексте сельскохозяйственного водопользования в Узбекистане, в том числе в замкнутых озерных системах (например, Айдаркуль). Практическая реализация предлагаемого решения позволит:

PRINT ISSN 3060-4672 O‘ZBEKGIDROENERGETIKA

VOLUME 8 | ISSUE 2 | 2025 УЗБЕKГИДРОЭНЕРГЕТИКА UZBEKHYDROPOWER

• Повысить эффективность распределения и использования водных ресурсов;

• Снизить антропогенную нагрузку на водные экосистемы;

• Обеспечить научно обоснованную поддержку принятия управ­ ленческих решений в режиме реального времени.

Поэтому внедрение подобных интеллектуальных систем является яркой перспективой цифровизации водного сектора и существенным шагом на пути к устойчивому развитию сельского хозяйства в условиях изменения климата и дефицита водных ресурсов.