home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ Game Killer / Game_Killer.bin / 911.WATER.DOC < prev    next >
Text File  |  1990-05-25  |  17KB  |  292 lines

  1.  
  2.  
  3.  
  4. MARTIAN COLONY WATER SIMULATOR
  5.  
  6. by Alan Meiss,
  7.  
  8. copyright 1989
  9.   
  10.  
  11.  
  12. Background
  13.  
  14.      The Martian Colony Water Simulator is the product of the 1989 Engineering 
  15. Design Student Challenge, a competition recently held at Purdue University, 
  16. sponsored by the Engineering Student Council and the General Electric 
  17. corporation.  Students formed teams with members from a variety of engineering 
  18. disciplines, with the purpose of creating a general plan for a manned outpost 
  19. on the planet Mars, and then selecting a particular subsystem of such a colony 
  20. for in-depth examination, such as power systems, construction, materials, 
  21. transportation, and so forth.  My team after much deliberation selected the 
  22. water acclamation and distribution subsystem for concentrated study, and the 
  23. Water Simulator is the centerpiece of a project that received first place in 
  24. the competition.
  25.      Though full appreciation of the simulation may be difficult without the 
  26. text of the competition report, I've chosen to release the program for the 
  27. benefit of any interested in the subject material and/or the competition.
  28. The entire empirical basis of the simulation cannot be detailed here, but I'll 
  29. try to make clear the purpose and function of the simulation, and how the user 
  30. can manipulate and interpret its various elements.
  31.  
  32.  
  33.  
  34. Running the Simulation
  35.  
  36.      The program consists of the following files:
  37.  
  38. WATER.EXE          The simulator.
  39. WATER.PIC          Simulation graphics.
  40. TITLE.PIC          Title screen.
  41. NUM.DAT            Some more graphics information.
  42. WATER.DOC          What you're now reading.
  43.  
  44. Note that the graphics files are necessary to run the program.
  45.      To run the simulation, enter water and hit return.  The title will appear 
  46. shortly, and, after a keypress, you will be asked to choose one of four 
  47. initial conditions for simulation; option two serves as a good example (these 
  48. will be explained shortly).
  49.  
  50.  
  51.  
  52. What the Display Means
  53.  
  54.      The display you see when the simulation is running is fairly complex, and 
  55. rather bewildering without some explanation.  The schematic presented on the 
  56. screen is an abstract representation of the water distribution system of the 
  57. hypothetical colony.  Each major water reservoir or significant use in the 
  58. system (described later) is represented on the screen by a shape; circles 
  59. represent storage facilities, rectangles indicate processors or uses, and 
  60. cloud shapes are atmospheric concentrations.  Connecting these are lines 
  61. representing pipes that show where water can flow between the various 
  62. elements, with red arrows indicating the direction of flow.  Dashed lines on 
  63. the right side of the screen indicate the paths of evaporation of water.  
  64. Valves along the "pipe" connections are marked by blue shapes; all are open as 
  65. the simulation begins.
  66.      The simulation time progresses in minutes, about 10 simulation minutes to 
  67. one real-time second on a turbo-speed (8Mhz) computer.  The elapsed time is 
  68. displayed in a box in the lower left; note that it is based on the 24 hour 
  69. Earth day rather than the slightly longer Martian day.
  70.      In most of the labelled shapes representing the reservoirs, processors, 
  71. and areas of use, you will see numbers in smaller rectangles that indicate how 
  72. many of each particular unit are involved in the system; for example, a 5 in 
  73. the grey storage tank area would indicate that 5 storage tanks are available 
  74. to hold water, and a 4 in the humidifier area would indicate that 4 
  75. humidifying units are currently engaged in the system.  Below this in most 
  76. elements are two white brackets, each set containing a blue bar that moves 
  77. slowly to indicate water capacity; the area between the brackets represents 
  78. the total water holding or processing capacity of that part of the system, and 
  79. the blue bar indicates what fraction is filled.  For example, a very short bar 
  80. indicates the presense of little water, and a long bar much water.  A 
  81. completely filled bar between the two brackets would thus indicate completely 
  82. filled capacity.  As water flows through the system, the various bars with 
  83. shift as water levels change.
  84.      Keep in mind the abstract nature of the arrangement shown for the system.
  85. Like a circuit diagram or a flow chart (so to speak), it simply shows the 
  86. relationships between units in the system, not the actual placement or 
  87. geometry that would be used in laying out the water units in the settlement.
  88.  
  89.  
  90.  
  91. What It's Doing
  92.  
  93.      What you see when running the simulation and watching the display is a 
  94. continuous series of transfers of imaginary "water" between the elements of 
  95. the system that forms a circular distribution cycle, where water is stored, 
  96. processed, used, collected, purified and recycling, and again stored, with 
  97. supplemental water input from the Martian environment.  The computer acts as a 
  98. "water accountant", transferring amounts of water each minute between the 
  99. various units operating in the system.  There are about 100 different flows 
  100. occurring each minute in the system (many described later), and each is 
  101. represented by some transfer of water between the units or applications, the 
  102. large shapes you see on the screen.  The computer knows what quantities to 
  103. transfer between successive elements each minute for each flow, for example, 
  104. how much water to send to the hydroponics from grey storage or how much to 
  105. send to the colonists' showers.
  106.      A considerable amount of judgement is made by the computer in performing 
  107. these transfers; no flows are made if the water is unavailable or the next 
  108. unit is full, preventing spills or sinks.  There is also a small amount of 
  109. active regulation done; the computer will manipulate valves to balance the 
  110. content of the hydroponics section and the water vapor content of the colony's 
  111. internal atmosphere (assumed 40% relative humidity), the optimal capacities of 
  112. which are indicated by tick-marks on their capacity bars.
  113.  
  114.  
  115.  
  116. The Functions of the Elements in the System
  117.  
  118.      Here I'll tell briefly the functions of each of the elements in the 
  119. system, beginning with the grey water storage tanks and proceeding roughly 
  120. clockwise through the diagram.
  121.      The grey water storage tanks contain water that has been cleaned well 
  122. enough for agricultural use or washing, but is not intended for consumption 
  123. (drinking) by humans.  Total cleaning of all the colony's water to the point 
  124. where it would be drinkable would be an incredible drain of resources, as only 
  125. a small fraction is actually ingested, and many applications do not require 
  126. pure water.  All storage tank in the system envisioned by our team are spheres 
  127. of one meter radius, as spheres were calculated to require the least amount of 
  128. material for storage of a given amount of water.
  129.      The "TIME" purifier prepares that portion of the water that must be clean 
  130. enough for human consumption or possible laboratory use.  TIME is an acronym 
  131. for Thermoelectric Integrated Membrane Evaporation system, a complex purifying 
  132. apparatus that filters, distills, and treats the input grey water. (The 
  133. simulation treats the TIME unit simply as a box with water moving in and out, 
  134. not modelling the complicated processes within it.)  Pure water thus produced 
  135. is then stored until required in the pure storage tanks.
  136.      Human water use is a general category that includes more than a dozen 
  137. different flows, not only drinking and washing uses, but also subtler flows 
  138. such as latent water absorbed while bathing and water evaporation from laundry.
  139. The direct human water uses follow a schedule; rather than having colonists 
  140. consume water at a uniform rate throughout the day, demand is highest during 
  141. meal times and minimal during early morning, and the schedule is adjusted for 
  142. the slightly longer Martian day.  It should be noted that, while a realistic 
  143. colony would likely involve 10-20 settlers initially, our design team, freed 
  144. from economic constraints by contest rules, postulated an (ambitious) 500 
  145. person settlement, the figure which the simulation is (flexibly) based on.
  146.      Industrial use introduces a random variable into the simulation.  Such 
  147. uses would involve research and construction applications that are not 
  148. definite, would change with the colony's needs, and might place erratic 
  149. demands upon the system.  Thus the inputs to and from this element are 
  150. conducted randomly, with red markers indicating when water is flowing through 
  151. the two input and one output connections.
  152.      The hydroponics section, where the colony's vegetarian diet is produced 
  153. (sorry, steak lovers), is a significant water reservoir.  The system the team 
  154. envisioned for hydroponics is one named "Phytofarm", a privately developed 
  155. conveyor system in which plants mature quickly and efficiently, currently in 
  156. use in an Illinois facility and being investigated for space colony 
  157. applications.  The water in this section is actively balanced by the computer, 
  158. as a fairly constant level is needed.
  159.      Inputs into the colony's internal atmosphere consist of evaporation in 
  160. the form of water vapor.  Surpisingly, this is the major water concentration 
  161. in the entire system, aside from storage;  bringing the air to 40% humidity 
  162. requires an enormous amount of water.  This content is adjusted 
  163. (automatically) by the humidity control system, whose direction of operation 
  164. is indicated by a red arrow above the respective box; a left arrow indicates 
  165. dehumidification and output to storage, a right arrow humidification and 
  166. release of water vapor into the internal atmosphere.  Because little water 
  167. vapor is lost from the largely sealed colony into the outside Martian 
  168. environment, the primary task of the humidity control system eventually 
  169. becomes dehumidification, as human respiration constantly introduces water 
  170. vapor.
  171.      Wastes from these applications are collected in waste storage tanks, and 
  172. then introduced into the slow sand filter.  This unit filters waste and sewage 
  173. through sand columns, and performs general treatment to prevent bacterial and 
  174. chemical contamination.  Water thus treat is input to storage as fresh grey 
  175. water, and the cycle again commences.
  176.      The atmospheric compressors provide a small amount of water to replenish 
  177. the system by condensing the thin Martian atmosphere during the local night.  
  178. This, however, is only regarded as a supplement; given present knowledge, our 
  179. team planned that the bulk of the colony's water would be brought with them 
  180. and scrupulously conserved.  While significant amounts of Martian water are 
  181. thought to lie in subsurface permafrost, the northern polar ice cap, and 
  182. chemical water of hydration in soil, these are all hypothetical sources; it 
  183. would be reckless without more definite information to propose them as primary 
  184. sources, as their use is still a subject of (vital) research.  The 
  185. condensation of atmospheric water vapor, while providing relatively small 
  186. input, is nonetheless a proven and measureable source, and thus was 
  187. tentatively chosen for our design.
  188.      A final element, airlock ingassing, is included.  It would be foolish to 
  189. release colony atmosphere to the environment when opening airlocks, given the 
  190. great amount of water it contains, and thus this air is retrieved, and 
  191. considered as input to the compressors (for conceptual ease).
  192.  
  193.  
  194.  
  195. Simulation Commands:  How to Run the Show
  196.  
  197.      Many options are available to you to change the parameters of the 
  198. simulation and direct the flow of the system.  The following commands are 
  199. supported:
  200.  
  201.    v - Switch valve.  Each blue valve is labelled with a number and can be 
  202. toggled on or off; press v, and then enter the valve's number (preface single 
  203. digit valves with a zero, for example, type "v" and then "05" to switch valve 
  204. five.)  A black square marks a shut valve, solid blue open.
  205.  
  206.    
  207.    a,f,g,h,p,s,t,u - Increment/decrement units engaged in the system.  
  208. Elements that have quantities shown in attached boxes can be changed by 
  209. pressing the letter highlighted in red in that particular element's label.  
  210. The sign after the word "mod" in the lower right indicates whether units will 
  211. be added or removed.  Note that when you change the number of units available 
  212. of a particular element, you change that element's water storage/processing 
  213. capacity, and the blue bar may jump abruptly to reflect this recalculation.  
  214. Also, you can't remove elements that are holding water, ie, removing an 
  215. element and leaving greater than 100% filled capacity in those left.
  216.  
  217.    +,- - Pressing plus or minus changes the "mod" value in the lower right, 
  218. which determines whether units will be added or removed.
  219.  
  220.    Shift + letter - Pressing, simultaneously, shift and any of the letters 
  221. highlighted in red will bring up a graph of a particular element's water usage 
  222. with time and pause the simulation.  Pressing the space bar will let the 
  223. simulation proceed and keep the graph window open as a moving "chart 
  224. recorder"; any other key will remove the graph and proceed.  The last 50 
  225. values of each element's fractional capacity are displayed by the graph.
  226.  
  227.    r - Change sampling rate for the graphs.  This number, displayed in the far 
  228. lower right, shows how many minutes elapse between the content values that are 
  229. saved for each element, and can be varied between 1 and 9 minutes.  A large 
  230. number will in effect compress the graphs, as data is then taken less often.  
  231. Sampling every minute is the default.
  232.  
  233.    q - quit the program, with the option of restarting.
  234.  
  235.  
  236.  
  237. Miscellaneous
  238.  
  239.      Obviously this documentation cannot serve as a full treatment of the 
  240. subject, nor can the simulation be regarded as a concrete plan for 
  241. implementing such a water system.  It does, however, provide an interesting 
  242. conceptual model of such a system, and endeavours to be as accurate as 
  243. possible.  Many assumptions are made, such as instantaneous transfer between 
  244. units, negligible water content of pipes, and a rough estimate of colony 
  245. atmospheric volume.  The bulk of the program, however, is firmly founded in 
  246. extensive empirical research, and can be used to predict the relationships 
  247. between units and areas where increased/decreased capacity is needed in 
  248. response to changing conditions.  It should at least prove intriguing for 
  249. those interested in such things, and give some ideas for anyone involved in 
  250. writing simulations with human-user interfaces.  
  251.      I hope you enjoy the program, and find it of some interest.  If you have 
  252. questions or comments about the program, the project, or the competition in 
  253. which it was entered, I can be reached at the addresses below.  I would be 
  254. happy to provide copies of the accompanying full report and program source 
  255. were it not for the fact that both are rather lengthy, and the report is 
  256. stuck, at least for now, in MacWrite format on a Macintosh disk.  I cannot 
  257. promise speedy reply with a full class load going on, but if you are 
  258. particularly interested in these materials, arrangements can be made for 
  259. postage and so forth.
  260.  
  261. Home:   Alan Meiss
  262.         2626 Parkwood Drive
  263.         Speedway, IN  46224
  264.  
  265. Current Campus:   Box 278, Shreve Hall
  266.                   Purdue University
  267.                   W. Lafayette, IN  47906       (may change)
  268.  
  269. Internet, etc:   ameiss@gn.ecn.purdue.edu       (perhaps swiftest route)
  270.  
  271.  
  272.  
  273. Anecdotal
  274.  
  275.      As with most such things, work proceeds most feverishly as a deadline 
  276. looms closer, and, believe it or not, this simulation was written from scratch 
  277. in about two or three painful weeks, the bulk in three days of a sacrificed 
  278. October break.
  279.      Bugs after release are probably a programmer's worst nightmare, all the 
  280. more so if they occur during presentation of a program.  One of the project's 
  281. exhibitions was made at the Midwest Space Development Conference held at 
  282. Purdue, and I had to give a presentation of the simulation for an audience.  
  283. Time was tight, and we had just long enough to set up a teammate's computer, 
  284. start the program running, and shut the monitor off before even seeing the 
  285. title screen.  Despite having made a few code changes only an hour before, I 
  286. had the harrowing task of flipping the monitor on and nonchalantly proceeding 
  287. with my talk, hoping that the program was running successfully and not 
  288. presenting "ERROR AT ..." to the audience.  It worked fine, but it was a 
  289. nerve-wracking leap of faith to put so much trust in one's own program.
  290.  
  291. Alan Meiss, 1-5-89
  292.