基于物聯(lián)網(wǎng)的公廁大數(shù)據(jù)分析

李穎 李佳 王睿 王堅 韓曉松 劉心悅

摘? 要：公共廁所是城市公共服務(wù)設(shè)施必不可少的組成部分，是一個城市文明形象和公共服務(wù)水平的重要體現(xiàn)。隨著廁所革命的深入貫徹，公廁的數(shù)量及質(zhì)量問題日益得到重視。掌握公廁準(zhǔn)確的運(yùn)行狀態(tài)及特征，將有助于合理安排保潔頻次、調(diào)整廁內(nèi)通風(fēng)設(shè)備工作時間，進(jìn)而提升公廁精細(xì)化管理水平。本次研究利用LoRa、電化學(xué)傳感器等技術(shù)獲取研究試點(diǎn)環(huán)境、氣味及人流量數(shù)據(jù)，分析數(shù)據(jù)不同時間尺度的變化規(guī)律，以及各數(shù)據(jù)間的相關(guān)性。初步得出公廁夏季人流量開始增多的時間要早于冬季;工作日人流高峰時段為上午9-11點(diǎn);通風(fēng)設(shè)備可明顯改善公廁環(huán)境質(zhì)量等結(jié)論，為公共廁所精細(xì)化管理提供參考。

關(guān)鍵詞：智慧公廁;大數(shù)據(jù)分析;物聯(lián)網(wǎng)

中圖分類號：TP391.44? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）04-0038-06

Abstract： Public toilet is an indispensable part of urban public service facilities， and it is an important embodiment of the city's civilized image and public service level.With the further implementation of the toilet revolution， more and more attention has been paid to the quantity and quality of public toilets. Mastering the accurate operation state and characteristics of public toilets will help to arrange the cleaning frequency reasonably， adjust the working time of ventilation equipment in the toilets， and improve the fine management level of public toilets. In this study， Lora， electrochemical sensors and other technologies are used to obtain the environmental， odor and human flow data of the research pilot， analyze the change rule of data in different time scales， and the correlation between the data. It is concluded that the increase of people flow in public toilets in summer is earlier than that in winter; the peak period of people flow in working days is 9-11 a.m.; ventilation equipment can significantly improve the environmental quality of public toilets， providing reference for the fine management of public toilets.

Keywords： smart public toilet; big data analysis; Internet of Things

引言

公共廁所是城市公共服務(wù)設(shè)施必不可少的組成部分，體現(xiàn)了一個城市的文明形象和公共服務(wù)水平[1]。公廁的干凈和整潔與街道、城市的整潔度息息相關(guān)，直接影響人們對這個城市的感知。目前城市公廁管理還有許多亟待解決的難題：公廁基礎(chǔ)數(shù)據(jù)量龐大且雜亂，需要耗費(fèi)巨大的人力且效率低下;“臟亂差”的公廁影響居民的使用體驗(yàn);公廁數(shù)量、規(guī)格不符合現(xiàn)有需求和規(guī)定;公廁設(shè)施陳舊落后;問題響應(yīng)速度不及時;市民參與監(jiān)管度低。

物聯(lián)網(wǎng)時代，智慧城市的建設(shè)推動城市的公共設(shè)施朝智能化方向發(fā)展。全面建設(shè)現(xiàn)代智慧城市，打造“智慧公廁”是其中的重要一環(huán)。基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧公廁能夠?qū)崿F(xiàn)對公廁流量監(jiān)測、異味檢測、蹲位檢測、自動除臭等智能化遠(yuǎn)程管理;采用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)環(huán)衛(wèi)公廁管理與智能技術(shù)的完美融合?！爸腔酃珟奔茨芴嵘珟恼麧嵥剑材転楣珟沫h(huán)境衛(wèi)生提供科學(xué)、合理的管理手段，使城市的環(huán)衛(wèi)公廁管理業(yè)務(wù)更加高效、智能和有序。

1 發(fā)展現(xiàn)狀

縱觀世界范圍內(nèi)智慧公廁的研究情況，在國外學(xué)者對智慧公廁的研究中，同樣涉及了應(yīng)用如氣體檢測，溫濕度檢測，超聲波水位檢測等多個傳感器形成集成系統(tǒng)來收集衛(wèi)生間的監(jiān)測數(shù)據(jù)[2]。Prashant Namekar對智慧公廁的研究中設(shè)計了一套完整的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，收集信息后可將數(shù)據(jù)呈現(xiàn)在工作網(wǎng)頁中，顯示指數(shù)和衛(wèi)生等級，此外也設(shè)計了移動端的查詢應(yīng)用，以滿足城市中市民對公廁地理位置知曉及良好環(huán)境的需求[2]。

在國內(nèi)，“廁所革命”已為老式公共衛(wèi)生間帶來了全新的氣象，各個城市的新建或翻新公廁建設(shè)中，不少都應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)智慧公廁的運(yùn)營[3，4]。蕭山有著智能化水平最高的公廁，這座智能廁所內(nèi)記憶功能面部識別取紙機(jī)，自動感應(yīng)沖水器、整套安全扶手、一鍵報警按鈕、除臭噴香設(shè)備、一次性坐便墊紙及消毒液等設(shè)備一應(yīng)俱全，體現(xiàn)著人性化細(xì)節(jié)。公廁入口處的大屏幕播放著公廁出入口和城管驛站內(nèi)的實(shí)時監(jiān)控畫面，溫度、濕度、天氣等便民信息以及公廁打掃次數(shù)、使用人數(shù)、水電用量等詳細(xì)情況，既為市民提供了直觀的如廁指引，也為管理者的清潔、維護(hù)工作提供了數(shù)據(jù)支持[5]。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)及部署

2.1.1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

通過前端的智能檢測終端采集公廁環(huán)境和人流量數(shù)據(jù)，如圖1，數(shù)據(jù)通過LoRa傳輸，在每個試點(diǎn)部署網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)將統(tǒng)計的數(shù)據(jù)通過4G有線/無線通信方式傳輸至物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)接入及管理平臺，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)回傳。LoRa傳輸不受當(dāng)?shù)剡\(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)情況影響，沒有每月流量和連接數(shù)限制，數(shù)據(jù)傳輸費(fèi)用較低，相比于其他傳輸方式，更適用于本次研究。

2.1.2 設(shè)備部署

本論文中的研究數(shù)據(jù)來源于北京市某公共廁所，該公廁位于公園旁邊，國內(nèi)外游客多，人流量大，配套設(shè)施完善，按《城市公共廁所設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》屬于二類公廁，可代表配套設(shè)施相對完善的公廁。基于上述系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計，實(shí)際公廁內(nèi)無線物聯(lián)網(wǎng)傳感設(shè)備布點(diǎn)情況可見圖2：

（1）男女廁內(nèi)各裝有無線環(huán)境監(jiān)測終端（PM2.5、溫度、濕度）1臺、無線氣體監(jiān)測終端（氨氣、硫化氫）1臺，用于監(jiān)測公共廁所環(huán)境和氣味情況。

（2）男女廁入口處各裝設(shè)無線客流量監(jiān)測終端1臺，用于統(tǒng)計衛(wèi)生間的人流量。

2.2 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集時間為2019年6月至2019年11月，研究數(shù)據(jù)通過無線傳感器配合智能網(wǎng)關(guān)的方式，主要采集數(shù)據(jù)見表1。

數(shù)據(jù)的采樣時間間隔為一小時，傳感器每逢整點(diǎn)采樣后向平臺傳回采集的數(shù)據(jù)，其中人流量數(shù)據(jù)為一小時內(nèi)的客流量累計數(shù)據(jù)。

3 數(shù)據(jù)處理與分析

3.1 數(shù)據(jù)處理

3.1.1 數(shù)據(jù)清洗

數(shù)據(jù)清洗是指發(fā)現(xiàn)并糾正數(shù)據(jù)文件中可識別的錯誤，檢查數(shù)據(jù)一致性，處理無效值和缺失值。本論文中處理的數(shù)據(jù)共7992條，每條數(shù)據(jù)包含采樣地點(diǎn)、采樣時間、人流量、氨氣濃度、硫化氫濃度、溫濕度、PM2.5數(shù)據(jù)。清洗數(shù)據(jù)包含刪除設(shè)備傳回的空數(shù)據(jù)、錯誤數(shù)據(jù)。清洗后剩下的有效數(shù)據(jù)共7944條。

3.1.2 數(shù)據(jù)融合

為分析公廁人流量、硫化氫濃度、溫濕度數(shù)據(jù)的分布特征與相關(guān)性，需要以時間維度進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，建立時空基準(zhǔn)。融合后的數(shù)據(jù)見圖3。

本文的數(shù)據(jù)分析方法主要采用的是數(shù)據(jù)可視化分析和相關(guān)性分析法。數(shù)據(jù)可視化即借助圖形化手段，清晰有效地傳達(dá)與溝通信息。對多維數(shù)據(jù)進(jìn)行切片、塊、旋轉(zhuǎn)等動作剖析數(shù)據(jù)，將大型數(shù)據(jù)集中的數(shù)據(jù)以圖形圖像形式表示，并利用數(shù)據(jù)分析和開發(fā)工具發(fā)現(xiàn)其中未知信息的處理過程，通過直觀地傳達(dá)關(guān)鍵的方面與特征，從而實(shí)現(xiàn)對于相當(dāng)稀疏而又復(fù)雜的數(shù)據(jù)集的深入洞察。

相關(guān)性分析主要使用圖表相關(guān)分析、協(xié)方差和相關(guān)系數(shù)三種方法。單純從數(shù)據(jù)的角度很難發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)的趨勢和聯(lián)系，而將數(shù)據(jù)點(diǎn)繪制成圖表后趨勢和聯(lián)系就會變得清晰起來。協(xié)方差用來衡量兩個變量的總體誤差，相關(guān)系數(shù)用于衡量變量之間關(guān)系密切程度的統(tǒng)計指標(biāo)，相關(guān)系數(shù)的取值區(qū)間在1到-1之間。

3.2 人流量特征分析

3.2.1 以月為周期的特征分析

由圖4可以看出，6-11月除了10月女廁日均人流量超過了男廁，9月份基本一致，其余月份男廁的日人流量均比女廁高。男女廁日均人流量均是10月份日均人流量最高，11月份次之，9月份日均人流量最低，其余3個月日均人流量介于兩者之間。

6-11月，選取女廁每月第一周周六人流量數(shù)據(jù)分析其變化趨勢（圖5）。從整體看，每月人流量隨時間的變化趨勢大致相同。從局部看，早上5-6點(diǎn)人數(shù)增加的時間段有所差異，6-8月女廁人流量在5-6點(diǎn)開始增加，9-11月女廁人流量增加約延后一小時。

從圖6看，在相同時間內(nèi)男廁每月第一周周六人流量數(shù)據(jù)變化整體趨勢和局部差異均與女廁基本一致。

3.2.2 以天為周期的特征分析

以6月第三周男女廁人流量數(shù)據(jù)分析，由表2的統(tǒng)計結(jié)果可以看出，男廁周末人流量高于工作日，周日人流量最多，相同時間內(nèi)女廁一周人流量變化特征同男廁保持一致。

3.2.3 以小時為周期的特征分析

以10月份30天（10月15日設(shè)備無數(shù)據(jù)傳回）24小時人流量數(shù)據(jù)做分析。從堆積面積分布圖看（圖7），縱坐標(biāo)的人流量是一個累積值?；久刻焐衔?點(diǎn)和11點(diǎn)人流量相對密集，每小時累計人流量上午11點(diǎn)達(dá)到最高值。

從圖8看，相同時間內(nèi)男廁10月份每小時人流量堆積面積分布圖同女廁保持一致。每天上午9點(diǎn)-11點(diǎn)人流量相對密集，下午16點(diǎn)和晚上20點(diǎn)人流量達(dá)到另外兩個小高峰。

3.3 氣味特征分析

3.3.1 以月為周期的特征分析

在6-11月，該公廁女廁硫化氫濃度隨月份的變化趨勢不明顯，圖9為該公廁女廁硫化氫濃度隨月份的變化趨勢。由圖可以看出各月份25%左右的時間處于0.001-0.002ppm階段，大約65%的時間在0.002-0.005ppm階段，10%左右的時間處于0.005%-0.009%階段。

3.3.2 以天為周期的特征分析

以6月1-2日女廁采集到的硫化氫濃度數(shù)據(jù)分析（圖11），可以看出大部分時間硫化氫濃度在0.005ppm以下，從時間軸上看，氨氣濃度隨時間變化特征不明顯。

從圖12看，相同時間內(nèi)男廁硫化氫濃度與女廁一致，在大部分時間低于0.005ppm，從時間軸上看，沒有明顯的變化特征。

3.4 溫濕度特征分析

分析6-11月女廁采集到的溫度數(shù)據(jù)，由圖13可以看出男女廁內(nèi)溫度均在6-7月處于一個較高溫的狀態(tài)，其中7月份達(dá)到了最高溫度，從10月開始溫度下降較快。且整體上女廁的溫度要高于男廁溫度。

圖14為6月份男女廁濕度隨時間變化的趨勢對比圖，由圖可以看出大部分時間同時段內(nèi)男廁濕度稍高于女廁濕度。

3.5 相關(guān)性分析

對各研究組數(shù)據(jù)間協(xié)方差和相關(guān)系數(shù)進(jìn)行計算，分析其相關(guān)性。表3為該公共廁所10月份男廁數(shù)據(jù)相關(guān)性分析結(jié)果：

表格中計算了人流量與硫化氫濃度、人流量與溫度、溫度與硫化氫濃度、溫度與濕度四組數(shù)據(jù)的協(xié)方差和相關(guān)系數(shù)。其中協(xié)方差用來衡量兩個變量的總體誤差，相關(guān)系數(shù)用于反應(yīng)變量之間關(guān)系密切程度的統(tǒng)計指標(biāo)，數(shù)據(jù)越趨近于0表示相關(guān)關(guān)系越弱。

由表3中計算結(jié)果可以看出：人流量與硫化氫濃度呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系且相關(guān)性較低，人流量與溫度、溫度與硫化氫濃度、溫度與濕度三組變量成正相關(guān)關(guān)系，其中溫度和濕度的相關(guān)性較高，溫度和硫化氫濃度的相關(guān)性較低。

4 主要結(jié)論與建議

4.1 主要結(jié)論

4.1.1 公廁人流量變化趨勢

（1）每天9：00-11：00點(diǎn)為公廁人流量最大的時間段

每天9-11點(diǎn)為公廁人流量最大的時間段，隨后人流量減少，在下午17-18點(diǎn)人流量會出現(xiàn)小幅增長，周末公廁人流量大于工作日。

（2）10月日均人流量最大，9月最少

公廁日均人流量9月份最小，約為1840人/天，10月最大，達(dá)到了8340人/天，11月次多，其余6個月份的人數(shù)介于兩者之間。

（3）男廁日均人流量高于女廁

10月份女廁的日均人流量高于男廁，9月份基本一致，其余各月男廁日均人流量均高于女廁。

（4）公廁人流量的增加時間受到季節(jié)影響

6-8月早上5-6點(diǎn)公廁人流量迅速增加，9-11月份人流快速增加的時間大約延后一小時。

4.1.2 公廁人流量和硫化氫濃度具有相關(guān)性，但沒有明顯的線性關(guān)系

根據(jù)公廁的人流量和硫化氫濃度協(xié)方差可知兩者具有相關(guān)性，其相關(guān)系數(shù)為-0.08131表明兩者沒有明顯的線性關(guān)系。人流量集中在800人/小時以下，硫化氫濃度集中在0.005ppm以下。

4.1.3 人流量與溫度呈正相關(guān)

由人流量和溫度的協(xié)方差大于0可知人流量與溫度呈正相關(guān)，即當(dāng)人流量增多時，溫度會隨之上升;而當(dāng)人流量下降時溫度會隨之下降。

4.2 建議

（1）公廁清掃工作可分時段調(diào)整頻次

由人流量特征的分析結(jié)果可以得出男女廁在上午9-11點(diǎn)達(dá)到人流高峰，周末下午17-18點(diǎn)人流量呈現(xiàn)次高峰，可以在此時段增加公廁的清掃工作頻次。而工作日下午時段人流量逐漸減少，公廁環(huán)境較好，可減少打掃頻次。

（2）公廁節(jié)假日期間需增加清掃頻次

由人流量月度特征的分析結(jié)果可以得出，在10月人流量最高，分析該結(jié)果可能與國慶假期有關(guān)，建議在節(jié)假日期間增加打掃頻次。

（3）環(huán)境較差的公廁建議安裝自動通風(fēng)設(shè)備

由硫化氫特征濃度特征分析結(jié)果可以得出本次研究的公廁雖然人流量較大但環(huán)境質(zhì)量很好，這可能與公廁內(nèi)安裝的自動通風(fēng)設(shè)備有關(guān)。由此可以建議在投訴率較高或環(huán)境較差的廁所內(nèi)安裝自動通風(fēng)設(shè)備，在一定程度上可以改善廁所內(nèi)環(huán)境質(zhì)量。

（4）人流量數(shù)據(jù)對改善公廁環(huán)境有較大意義

由硫化氫濃度與人流量相關(guān)性和硫化氫濃度與溫濕度相關(guān)性分析結(jié)果可以得出，硫化氫濃度與人流量相關(guān)性較高，和溫濕度相關(guān)性較低。公廁管理工作中，應(yīng)主要關(guān)注公廁氣體環(huán)境數(shù)據(jù)和公廁人流量數(shù)據(jù)。

5 結(jié)束語

通過開展基于物聯(lián)網(wǎng)的公共廁所大數(shù)據(jù)分析研究，可以增強(qiáng)城市管理委員會對城市環(huán)衛(wèi)基礎(chǔ)設(shè)施運(yùn)行狀況的感知能力，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)對公共廁所運(yùn)行情況進(jìn)行指導(dǎo)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)提升城市精細(xì)化管理水平、保障民生的目標(biāo)。

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