丁 青， 陶星光， 趙雨姍， 何昱樂， 陳清也

(湖南財政經(jīng)濟學(xué)院 數(shù)學(xué)與統(tǒng)計學(xué)院，湖南 長沙 410205)

0 引言

由于高校校園供水較一般城市供水更為特殊，供水網(wǎng)復(fù)雜多樣，暗漏問題嚴重，傳統(tǒng)的供水系統(tǒng)漏損監(jiān)測弊端多見，造成大量人工勘測成本及淡水資源的浪費，校園供水管理智能監(jiān)測系統(tǒng)[1]的需求迫在眉睫。本文建立一套與大數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用結(jié)合的自動型現(xiàn)代化管道漏損智能監(jiān)測系統(tǒng)，并對系統(tǒng)建立與運用方面進行介紹。

1 研究背景

1.1 傳統(tǒng)型水管檢漏方法[2]

第一種是音聽檢漏法。當供水管道破裂發(fā)生漏水時，對采集到的水流與破裂口的摩擦在管道壁產(chǎn)生一定頻率的聲信號進行信號處理用作漏水檢測[3]。第二種是相關(guān)檢漏法。使用相關(guān)儀器快速準確地測出地下管道漏水點的準確位置。第三種是漏水自動記錄監(jiān)測法。水泄漏噪聲自動記錄儀按預(yù)設(shè)時間記錄水聲信號，經(jīng)數(shù)字化處理后通過專用軟件在計算機上進行處理得到漏損區(qū)域位置。

基于聲信號檢測的傳統(tǒng)型水管檢漏方法實時性強但成本高，易耗費大量人力、物力、財力且其影響因素多，容易因管道材質(zhì)、環(huán)境音變等影響檢測效果。

1.2 市場對智能監(jiān)測系統(tǒng)的需求

目前淡水資源日益匱乏，僅僅一個水龍頭漏水一個月就會漏掉2.6 t水，必須重視水管漏損問題，保護淡水資源。

我國的地理信息系統(tǒng)(geographic information system，GIS)[4]在管網(wǎng)行業(yè)應(yīng)用不多，技術(shù)設(shè)計不夠成熟，大都局限于對日常管理的實現(xiàn)。傳統(tǒng)的供水管理系統(tǒng)資料保存為紙質(zhì)版，難儲存、易破損，查閱困難，無法實時反映。

2 模型建立

2.1 水表層級模型

通過高校校園各水表之間的關(guān)系得到水表層級模型，并由該模型得出水表數(shù)據(jù)的誤差。依據(jù)校園后勤部門提供的信息，確定校園水表各層級之間的關(guān)系，建立高校水表讀數(shù)數(shù)據(jù)庫。

建立水表層次關(guān)系后，水表讀數(shù)數(shù)據(jù)采用平均相對誤差MRE用公式(1)進行計算,得到相關(guān)一級表的誤差,

(1)

2.2 漏損監(jiān)測模型[5]

基于校園內(nèi)每個區(qū)域單獨的用水數(shù)據(jù)，利用SPSS軟件建立不同的數(shù)據(jù)圖表。

對此進行數(shù)據(jù)比較并詳細分析每個用水區(qū)域用水量的變化，尋找水表數(shù)據(jù)中的異常數(shù)據(jù)，包括異常值和缺失值。對異常值使用均值進行替換，而對缺失值的處理方式是模型不選取缺失的數(shù)據(jù)。

在處理完用水量異常值及缺失值后，利用SPSS軟件進行時間序列預(yù)測，得到所需要的預(yù)測值，再由公式(2)計算一級表的漏損率。

(2)

其中，P代表漏損率，X代表原始用量，Y代表預(yù)測用量。

通過BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測估計用水區(qū)域的實際用水量，依據(jù)公式得出漏損量與漏損率，得到各個水表的實際漏損率后計算水表的平均漏損率并以該值為閾值,制定出水表正常工作的范圍，閾值之外的部分則不作處理，超過這個閾值的都應(yīng)該注意。系統(tǒng)能夠通過水表實時數(shù)據(jù)，得到需要查找的地下水管暗漏或地面水管直接漏損的具體區(qū)域的水表號。

2.3 地圖可視化

對數(shù)據(jù)進行地圖可視化處理，在Google地圖上應(yīng)用地理信息系統(tǒng)作水管漏損區(qū)域示意圖，同時用顏色區(qū)分水管正常使用情況及漏損情況，橙色表示漏損區(qū)域，灰色表示未漏損區(qū)域，并通過顏色深淺表示水管漏損嚴重程度。通過此方法可以準確、實時定位標示水管漏損區(qū)域的具體位置。

3 軟件設(shè)計

本文提出的“校園供水智能漏損監(jiān)測系統(tǒng)”設(shè)計(見圖1)通過校園水表獲得大量供水系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)，建立數(shù)據(jù)庫架構(gòu),后臺將上傳數(shù)據(jù)和水表閾值進行比較:如果水表屬于正常范圍則可以忽略;如果紅點超出了設(shè)定閾值,立刻觸發(fā)地圖通信,在地圖上進行標識橙色預(yù)警顯示,后勤部門在發(fā)現(xiàn)區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)橙色區(qū)域提醒后，需要及時采取相應(yīng)的措施，及時通知就近的巡檢人員對其進行緊急處置。事件處理完畢后，橙色變灰。

圖1 設(shè)計流程圖Fig.1 Design flow chart

后續(xù)開發(fā)設(shè)想：實現(xiàn)水表層級模型+漏損監(jiān)測模型+地圖可視化為一體的校園供水管道漏損智能監(jiān)測系統(tǒng)。

4 總結(jié)

本文提出的“校園供水管道智能監(jiān)測系統(tǒng)” 與大數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用結(jié)合,可實現(xiàn)長期保存供水管理系統(tǒng)資料的設(shè)想，提高了供水系統(tǒng)漏損監(jiān)測實用性與便捷性，有效解決傳統(tǒng)型人工查漏損風(fēng)險大、成本高、耗時長等問題，減少資源浪費。