基于校園供水系統(tǒng)智能管理的建模研究

朱軍偉, 顧麗娜, 李 蕊, 蘭彩霞

(1.楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 陜西 楊凌 712100; 2.甘肅政法大學(xué), 甘肅 蘭州 730000)

0 引 言

近年來(lái),高校校園用水需求量逐年增長(zhǎng),這對(duì)于校園供水系統(tǒng)智能化的精準(zhǔn)管理頗具挑戰(zhàn)。一方面,校園供水系統(tǒng)是否正常運(yùn)行將會(huì)直接影響水資源的節(jié)約程度。另一方面,校園供水管網(wǎng)一旦出現(xiàn)老化、破損,漏水情況隨之增加,尤其是地下管道的漏損不易發(fā)現(xiàn)且實(shí)施及時(shí)維護(hù)。故通過(guò)數(shù)據(jù)處理與分析,掌握各個(gè)時(shí)間段,各個(gè)功能區(qū)的用水情況,及時(shí)發(fā)現(xiàn)和解決智能供水系統(tǒng)中存在的問(wèn)題,對(duì)于維護(hù)管道和節(jié)省維修、材料成本等起著尤其重要的作用[1-3]?；诖?可以通過(guò)數(shù)據(jù)處理分析和構(gòu)建數(shù)學(xué)模型進(jìn)一步優(yōu)化校園供水系統(tǒng),以期提升校園供水系統(tǒng)智能化管理水平。本文依據(jù)某高校2019年全年水表的層級(jí)關(guān)系以及所有水表四個(gè)季度的讀數(shù)[4],利用已知數(shù)據(jù)首先對(duì)不同功能區(qū)的用水特征進(jìn)行探討分析,表征不同區(qū)域的用水特征,進(jìn)而通過(guò)建立傅立葉函數(shù)對(duì)水表層級(jí)關(guān)系進(jìn)行誤差分析,確定水管漏損位置。在調(diào)查市場(chǎng)水價(jià)、管網(wǎng)維修成本的基礎(chǔ)上,構(gòu)建校園管道維護(hù)更新決策模型,從而實(shí)現(xiàn)校園供水系統(tǒng)智能化管理。

1 校園不同功能區(qū)用水特征分析

1.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

主要考慮水表在2019年1-12月份中每月的變化規(guī)律,將數(shù)據(jù)導(dǎo)入到Spss24.0中進(jìn)行篩選,剔除異常點(diǎn)。事實(shí)上,各季度都有部分?jǐn)?shù)據(jù)發(fā)生偏離(即異常點(diǎn)),故需剔除異常數(shù)據(jù),并將其重新歸類,現(xiàn)繪制出一級(jí)水表在1-12月用水量的變化折線圖,見(jiàn)圖1。

圖1 用水量變化折線圖

顯然,1-2月之間的用水量(即水表數(shù)據(jù))出現(xiàn)較為明顯的下降,預(yù)計(jì)學(xué)生離校,導(dǎo)致用水量減少;2-4月用水量出現(xiàn)大幅度上升,表明學(xué)生已逐漸回校,使其短時(shí)間內(nèi)校園用水量出現(xiàn)短暫的大幅提升;4-5月校園衛(wèi)生基本已清理完畢,導(dǎo)致用水量出現(xiàn)一定量的減少;隨后的5-6月出現(xiàn)回升,即隨著天氣加熱,學(xué)生洗澡的頻率及飲用水等方面有一定提升,使得用水量出現(xiàn)小幅度回升;而6-9月因高溫天氣的到來(lái),大家也因暑假暫時(shí)性離校,所以校園用水量出現(xiàn)一段時(shí)間的平滑期;9-12月天氣逐漸變冷,對(duì)熱水的需求也急速提升,導(dǎo)致用水量出現(xiàn)一定趨勢(shì)的上升,隨后到達(dá)10月時(shí),保持相對(duì)平滑,在小范圍內(nèi)波動(dòng)。

綜上可知,每月的用水量都有波動(dòng),為此需要從其波動(dòng)的趨勢(shì)聚類劃分功能區(qū),并探尋不同功能區(qū)的用水特征。

1.2 功能區(qū)劃分

基于以上結(jié)論,為探究校園內(nèi)不同功能區(qū)的用水特征,結(jié)合實(shí)際數(shù)據(jù)及各功能區(qū)的具體特征[5],將各水表按照功能區(qū)進(jìn)行聚類劃分。劃分結(jié)果具體見(jiàn)表1。劃分依據(jù)著重考慮以下方面:

表1 各功能區(qū)的聚類劃分明細(xì)

(1)功能一致的歸為一個(gè)功能區(qū);

(2)名稱接近的歸為一個(gè)功能區(qū);

(3)隸屬于一棟大樓區(qū)域的水表歸為同一個(gè)功能區(qū);

(4)部分水表無(wú)法從名稱判斷功能及一級(jí)總水表不能劃分到某特定功能區(qū)的舍棄。

結(jié)合各功能區(qū)的聚類劃分結(jié)果,可得出水表層級(jí)的隸屬關(guān)系,為使得各功能區(qū)水表用水特征表現(xiàn)明顯,現(xiàn)使用Matlab軟件作出部分功能區(qū)的用水特征圖,以期從特征圖中得出用水量波動(dòng)的具體時(shí)間及基本趨勢(shì),為功能區(qū)的劃分提供詳實(shí)依據(jù)。因考慮到校園用水實(shí)際情況與水表數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性,這里只研究四大重點(diǎn)功能區(qū)域:后勤設(shè)施、辦公樓、教學(xué)樓、宿舍。其余非重點(diǎn)功能區(qū)研究方法類似,不再贅述?，F(xiàn)就四大功能區(qū)的用水特征圖做出分析,見(jiàn)圖2。

圖2 后勤設(shè)施、辦公樓、教學(xué)樓、宿舍四大功能區(qū)用水特征圖

由圖3可得出如下結(jié)論:后勤用水設(shè)施中,危險(xiǎn)品倉(cāng)庫(kù)用水量波動(dòng)范圍最大,在1-6月之間預(yù)測(cè)為對(duì)倉(cāng)庫(kù)進(jìn)行大面積的清洗,以及安全性的處理,導(dǎo)致用水量出現(xiàn)上升趨勢(shì),而7-12月,危險(xiǎn)品入庫(kù)后,至于存放狀態(tài),所以用水量出現(xiàn)巨幅下降。

辦公樓用水量整體呈現(xiàn)平滑的趨勢(shì),但其在9-12月用水量出現(xiàn)大幅度的上升,XXXK樓可能為工業(yè)樓,在9-12月這時(shí)間段中工業(yè)生產(chǎn)導(dǎo)致工業(yè)用水量出現(xiàn)大幅度增長(zhǎng)。

教學(xué)樓的用水特征較為一致,其中XXX干訓(xùn)樓與XXX西大樓兩組數(shù)據(jù)在整體走勢(shì)上保持一致,在6-7月期間的用水量幾乎接近,所以預(yù)測(cè)其XXX西大樓與其XXX干訓(xùn)樓同為培訓(xùn)樓,在2-6月之間培訓(xùn)量的加大以及培訓(xùn)人員的增加,導(dǎo)致用水量增加。

宿舍用水量用水較為集中,放假期間用水量大幅下降,開(kāi)學(xué)之后,用水量大幅上升。

2 水表層級(jí)關(guān)系模型建立

2.1 模型建立

在上述不同功能區(qū)用水特征分析的基礎(chǔ)上,對(duì)各個(gè)水表進(jìn)行層級(jí)歸類,運(yùn)用Matlab軟件中的工具箱對(duì)其數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,以此建立有關(guān)各級(jí)表層數(shù)據(jù)關(guān)系的傅立葉函數(shù)模型。

一級(jí)、二級(jí)、三級(jí)、四級(jí)水表層級(jí)用水量按月變化的擬合曲線見(jiàn)圖3。

依據(jù)圖3擬合曲線,可得相應(yīng)的傅立葉函數(shù)模型,考慮到四級(jí)水表層級(jí)關(guān)系基本一致,故只給出一級(jí)水表層級(jí)表達(dá)式:

y1=1.842×104+1.036×104cos(1.136x)-4815sin(1.136x)+1958cos(2.272x)+64.09sin(2.272x)-4047cos(3.408x)+3175sin(3.408x)+553.4cos(4.544x)+3211sin(4.544x)-1681cos(5.68x)-8481sin(5.68x)

上述傅立葉函數(shù)模型表明:水表層級(jí)之間聯(lián)系緊密,但不難看出,數(shù)據(jù)波動(dòng)范圍依然較大,下面對(duì)這一結(jié)果做誤差分析。

2.2 誤差分析

依據(jù)上述函數(shù)模型,將1-12月水表層級(jí)數(shù)據(jù)分別代入,求出各層級(jí)每月的模擬用水?dāng)?shù)據(jù),與實(shí)際值進(jìn)行比對(duì),如表2所示。

表2 各層級(jí)擬合模擬值

對(duì)比真實(shí)值與模擬值,利用Spss24.0找出誤差值,見(jiàn)圖4。

圖4 水表層級(jí)誤差曲線圖

顯然誤差低于10%,認(rèn)為模擬效果較好,表明建立的函數(shù)模型較為合理。

3 供水管網(wǎng)漏損分析

依據(jù)水表層級(jí)函數(shù)模型可知,存在部分異常數(shù)據(jù),表明校園供水管網(wǎng)確實(shí)存在漏損情況,且管網(wǎng)漏損涉及諸多因素。本文著重研究管道口徑與漏損量的關(guān)系,利用Excel工具箱進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,步驟如下:

Step1:計(jì)算出實(shí)際水表讀數(shù)(實(shí)際水表讀數(shù)=當(dāng)前讀數(shù)-上次讀數(shù));

Step2:利用IF(TEXT(G1,“0.000”)=TEXT(F1,“0.000”),“相同”“不同”)篩選出實(shí)際水表讀數(shù)與用水量不同的數(shù)據(jù)(即漏損量);

Step3:剔除不符合實(shí)際的數(shù)據(jù)(用水量>實(shí)際水表讀數(shù));

Step4:分別篩選出口徑為15、20、25、40、50、80、100、150、200的水表,分別計(jì)算其漏損量,并做直方圖進(jìn)行觀察。

在數(shù)據(jù)處理的基礎(chǔ)上,下面將不同管徑下的漏損量做一統(tǒng)計(jì),如表3所示。

表3 不同管徑下的漏損量

從表3發(fā)現(xiàn),小口徑管道漏損量較大,其漏損率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于大口徑的漏損率。為了進(jìn)一步直觀性地驗(yàn)證該結(jié)論,所做直方圖見(jiàn)圖5。

圖5 不同管徑漏損量直方圖

結(jié)論顯然成立,據(jù)此表明:口徑越小,漏損越多;反之,漏損越少。一旦明確漏算量較大的管徑,則亟需對(duì)該管道展開(kāi)檢漏與維修。

4 校園供水管道維護(hù)決策方案

校園供水管道漏水,對(duì)于其檢漏與維修相當(dāng)重要。供水管網(wǎng)的維修方案一般需要統(tǒng)籌考慮以下幾方面:(1)維修管道的費(fèi)用(含人工費(fèi)、材料費(fèi)等)。(2)已經(jīng)漏水損失的費(fèi)用(含漏損水量營(yíng)業(yè)損失費(fèi)用、水污染引發(fā)損失費(fèi)用、漏水浸泡物品的損失費(fèi)用)。(3)管道的查漏投入費(fèi)用。故據(jù)此最終確定最優(yōu)維護(hù)決策方案。

4.1 漏水損失的費(fèi)用

結(jié)合實(shí)際情況,對(duì)于維修管道的費(fèi)用和查漏投入費(fèi)用可正常處理,故本文只對(duì)漏水損失的費(fèi)用進(jìn)行詳細(xì)探究。漏水損失的費(fèi)用w1可用如下公式表示:

作為嶺南地區(qū)千年古都的歷史名城，廣州從秦朝開(kāi)始，先后定名為任囂城、番禺城、興王府以及后來(lái)的廣州城，歷經(jīng)兩千多年。在中國(guó)的歷史上，嶺南地區(qū)先后經(jīng)歷了南越國(guó)、南漢國(guó)兩個(gè)割據(jù)王朝，統(tǒng)治時(shí)間接近兩百年，在這些王朝的統(tǒng)治過(guò)程中留下不少讓人賞心悅目的皇家園林藝術(shù)。

w1=w11+w12+w13=k1QtT+w12+w13=k1qN[k(t)+s(t)]tT+w12+w13

其中:w11為漏損水量營(yíng)業(yè)損失費(fèi)用;w12為水污染引發(fā)損失費(fèi)用;w13為漏水浸泡物品的損失費(fèi)用;k1為水價(jià)系數(shù);tT為管道漏水起止時(shí)間;Q為漏損量;q為不同口徑漏損的單位漏水量;k(t)+s(t)為相同管上不同口徑的流量時(shí)間和;N為相同口徑的管道個(gè)數(shù)。

上式要注意的是校園供水管道隨著使用年限的增大,其漏水概率必然越大,故k(t)+s(t)會(huì)隨著t的增大而增大。此外,口徑大小的不同漏損費(fèi)用也是不同的。

為方便計(jì)算,漏水浸泡物品的損失費(fèi)w13按w12的15%計(jì)算。故管網(wǎng)漏損的最優(yōu)模型為:

其中:w2表示維修管道的費(fèi)用;w3表示查漏投入的費(fèi)用。

4.2 管道維修決策方案

考慮經(jīng)濟(jì)決策為目標(biāo),構(gòu)建供水管道維修決策方案。具體如下:

(1)當(dāng)w1+w2>w3時(shí),經(jīng)濟(jì)效益低,成本太大,決策方案最差,但仍需維修供水管道,故在考慮維修的同時(shí)一定要做好后期管道維護(hù)。

(2)當(dāng)w1+w2

(3)當(dāng)w1+w2=w3時(shí),達(dá)到經(jīng)濟(jì)效益的平衡點(diǎn),決策方案有待考量,意味著查漏投入的費(fèi)用可用于維修管道和補(bǔ)償損失,但一旦出現(xiàn)大面積供水管道漏損,將產(chǎn)生次災(zāi)害,故建議慎重選擇。

5 結(jié) 論

本文基于某高校水表層級(jí)關(guān)系及四季度數(shù)據(jù)的變化趨勢(shì),通過(guò)數(shù)據(jù)清洗與挖掘,著重解決了校園供水系統(tǒng)智能管理中功能區(qū)域的劃分及用水特征探究,并對(duì)供水管道的漏損情況做了分析,提出可供參考的維修方案,該模型經(jīng)濟(jì)效益合理,決策方案可行。同樣該模型可推廣到具有水表層級(jí)、電表層級(jí)、燃?xì)鈱蛹?jí)關(guān)系的問(wèn)題上,且對(duì)于當(dāng)下節(jié)約資源具有較好的實(shí)用價(jià)值。