校園智能水表用水數(shù)據(jù)研究

陳禹默

（西安職業(yè)技術學院基礎課部，陜西 西安 710077）

1 前言

校園供水系統(tǒng)是校園公用設施的重要組成部分，學校為了保障供水系統(tǒng)的正常運行需要投入大量的人力、物力和財力。隨著科學技術的發(fā)展，校園內(nèi)已經(jīng)普遍使用智能水表，從而可以獲得大量的實時供水系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)。智能水表實時監(jiān)測，每15min電腦記錄一次數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)更為準確，更為全面。對這些實時監(jiān)測數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)挖掘和數(shù)據(jù)建模，能更為準確的分析地下管道的漏損情況，從而確定漏損位置。基于這些數(shù)據(jù)，通過可視化的數(shù)據(jù)挖掘方法和回歸，時間序列等數(shù)學建模方法及時發(fā)現(xiàn)和解決供水系統(tǒng)中存在的問題，即預測水管漏損率和及時發(fā)現(xiàn)漏損，定位漏損位置，實現(xiàn)校園水系統(tǒng)的智能管理。

校園水系統(tǒng)的智能管理最重要的一環(huán)節(jié)就是對水管漏損率的預測和漏損位置的定位。預測滲漏率有兩種方法，一種是根據(jù)物理機理建立滲漏水模型，另一種是根據(jù)歷史數(shù)據(jù)用模糊數(shù)學方法預測滲漏水量。物理機理的滲漏模型是基于對管網(wǎng)滲漏的全面認識，但由于供水管網(wǎng)的復雜性和供水部門的管理水平，很難收集到滲漏發(fā)生的詳細記錄，管理人員往往不知道滲漏的類型、位置和變化，導致滲漏基礎數(shù)據(jù)的準確性較差，難以建立滲漏與其影響因素之間的定量分析。因此，有必要利用歷史泄漏數(shù)據(jù)來預測現(xiàn)在或將來的泄漏量，借用模煳數(shù)學法，并利用歷史泄漏數(shù)據(jù)中隱含的規(guī)律來預測未來的泄漏量變化，模數(shù)法在給水管網(wǎng)泄漏量預測模型中的研究和應用，改變了供水行業(yè)被動的泄漏管理模式，對給水管網(wǎng)的運行和管理具有重要意義。

2 模型建立

2.1 箱線圖用水特征的現(xiàn)狀分析

一般的數(shù)據(jù)挖掘都是從數(shù)據(jù)中提取信息，發(fā)現(xiàn)規(guī)律，都是共性問題，比如各個功能區(qū)的用水規(guī)律等，這些問題做些折線圖就可以。除此之外，本文還需要對水的漏損進行觀測，也就是找異常值，差異性，而人的主觀能動性對此觀測形成了較大的干擾，關鍵點就是從相對較大的擾動中提取所需要的信息，減少人的活動對于數(shù)據(jù)分析的影響。

把整年數(shù)據(jù)一天同時刻數(shù)據(jù)進行比較，減少以天為周期的水量變化影響。比較的方法是做箱線圖，通過中位數(shù)，1/4分位數(shù)及3/4分位數(shù)以及小圓圈表示的異常點展示了數(shù)據(jù)的整體特征和異常值點。以某宿舍樓一年的數(shù)據(jù)為例，作如下箱線圖圖1，明顯能看出用水高發(fā)期在7點～9點，12點～2點，以及晚上的21點～23點，也很明顯能找到異常點，也就是可能出現(xiàn)漏損情況的點。

圖1 用水數(shù)據(jù)箱線圖

2.2 漏損模型

建立漏損模型，并計算各個水表的漏損率，設立警報閾值，提醒后勤部門檢修。

漏損率=（水表讀數(shù)-實際用水量）/實際用水量×100%，實際用水量的估計是一個困難的問題，結合校區(qū)水表層級關系分析建立數(shù)學模型：

式中，iB為未知參數(shù)，Xi為下一級水表總用水量。

2.3 失水率模型

輸水管網(wǎng)的漏損是一個嚴重問題，平均失水在5%左右為正常，而在老舊管網(wǎng)中失水會更多，使用所給數(shù)據(jù)建立模型并求解。

建立模型：

2.4 維修方案

管網(wǎng)維修需要一定的人工費和材料費，但同時可以降低管網(wǎng)漏損程度。根據(jù)本市的水價及維修成本確定管網(wǎng)漏損的最優(yōu)維修決策方案。綜合考慮維護成本以及漏損的代價，對異常情況的判斷，靈敏度高，可以及時發(fā)現(xiàn)漏損，但是也會使得誤判概率增加，無謂消耗人力。所以需要綜合兩方面均衡的角度給出決策方案。

表2 受損水管口徑

假設每個管網(wǎng)維修都需要a人，用時為t小時，人工費為每小時每個人b元，人工費為：；假設要維修的長度都為lm，所需材料費為口徑為ri毫米，單位口徑下的單位長度的水管單價為c元，所以每個有問題的水管維修的材料費為假設水價為cw，每個水管每小時的用水量為wi，則在維修期間的用水花費為假設不修漏損水管會對后期水管所在的地面和墻面產(chǎn)生的影響的價值Q等同于維修人員的工費用0-1規(guī)劃，1表示維修，0表示不維修。為

根據(jù)第四問結果所需維修的水管的用水和口徑數(shù)據(jù)如表1～表3所示。

表1 變量名

表3 受損水管每小時用水量

根據(jù)搜索相關資料，每個管網(wǎng)維修一般需要2人，用時4h，人工費為每小時每個人100元維修的長度為2m，單位口徑下的單位長度的水管單價為15元，水管維修的材料費為，每單位的水價為4元：，用lingo進行求解模型，求得。

表4中1表示修，0表示不修，根據(jù)水價和維修成本，進行規(guī)劃，求解結果得出，除了40136T，4010401T(3)，40318T不進行維修外，其余都要維修。

表4 維修方案

3 結語

校園供水系統(tǒng)是校園公用設施的重要組成部分，學校為了保障校園供水系統(tǒng)的正常運行需要投入大量的人力、物力和財力。隨著科學技術的發(fā)展，校園內(nèi)已經(jīng)普遍使用了智能水表，從而可以獲得大量的實時供水系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)。首先對某校園各個功能區(qū)（宿舍、教學樓、辦公樓、食堂等）的用水特征的現(xiàn)狀分析。其次建立漏損模型，并計算各個水表的漏損率，設立警報閾值，提醒后勤部門檢修。根據(jù)水表的實時數(shù)據(jù)和上一步的漏損率的計算，確定漏損發(fā)生的水表，再根據(jù)水表層級之間的關系，建立回歸模型，確定漏損發(fā)生的位置。最后綜合考慮維護成本以及漏損的代價，確定維修方案。