小區(qū)漏損預(yù)警中最小夜間流量法的改進(jìn)與應(yīng)用

江永偉，楊 奇，王海濤，應(yīng)志豪，何必仕，徐 哲

(1.杭州水務(wù)控股集團(tuán)有限公司，浙江 杭州 310009；2.杭州電子科技大學(xué) 自動化學(xué)院，浙江 杭州 310018)

隨著大表遠(yuǎn)傳技術(shù)的成熟，杭州水務(wù)城東分公司于2016年完成91個(gè)小區(qū)入水口考核表數(shù)據(jù)自動采集和傳輸。水司管理人員利用這些流量數(shù)據(jù)進(jìn)行小區(qū)漏損情況評估，及時(shí)安排巡檢和檢漏，減少水量損失，起到積極作用。目前，采用夜間最小流量法(minimum night flow， MNF)[1-4]進(jìn)行漏損自動監(jiān)測，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)置各小區(qū)夜間0:00—5:00時(shí)段最低流量閾值，若該時(shí)段最小流量數(shù)據(jù)大于閾值，則自動觸發(fā)報(bào)警。但是，此舉帶來了誤報(bào)警居高不下問題，2018年累計(jì)報(bào)警4 554次，經(jīng)甄別真報(bào)警525次，誤報(bào)警占報(bào)警總數(shù)的比例高達(dá)88.5%。從小區(qū)檢漏層面看，轄區(qū)內(nèi)存在報(bào)警的小區(qū)71個(gè)，實(shí)際漏損檢修小區(qū)僅11個(gè)，誤報(bào)警占比達(dá)到84.5%。

針對夜間最小流量MNF法在實(shí)際應(yīng)用中存在大量誤報(bào)警問題，本文從轄區(qū)內(nèi)小區(qū)考核表實(shí)測數(shù)據(jù)出發(fā)，分析夜間流量數(shù)據(jù)，嘗試針對性地改進(jìn)MNF方法。

1 小區(qū)夜間流量實(shí)測數(shù)據(jù)分析

小區(qū)考核表流量數(shù)據(jù)，每15 min采集、傳輸一次，一天有96個(gè)數(shù)據(jù)。SCADA系統(tǒng)記錄保存了考核表安裝以來的歷史數(shù)據(jù)，但偶有數(shù)據(jù)缺失或異常，按插值補(bǔ)缺、異常剔除、放棄某天等常規(guī)方法進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理。

根據(jù)2018年的小區(qū)漏損報(bào)警信息，特選取了報(bào)警次數(shù)較多的12個(gè)小區(qū)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。這12個(gè)小區(qū)主要是居民生活用水，適合MNF法?，F(xiàn)利用每日0:00—6:00的夜間用水量數(shù)據(jù)，計(jì)算上述小區(qū)的每月、全年的15 min用水量平均值、方差，得到各小區(qū)的夜間用水量變化情況。限于篇幅，僅給出其中BLDW、DXJBL兩小區(qū)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，結(jié)果(見圖1—2)。

圖1 BLDW小區(qū)夜間0:00-6:00每15 min用水量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)

圖2 DXJBL小區(qū)夜間0:00—6:00每15 min用水量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)

從圖1、圖2可以看出，無論BLDW或DXJBL小區(qū)，夜間0:00—6:00小區(qū)用水量時(shí)間軸上基本不會隨季節(jié)的變化而發(fā)生偏移，幅值上夏季略高；從每15 min流量月平均值/年平均值、月方差/年方差，BLDW小區(qū)的夜間流量低谷在2:00—5:00，DXJBL小區(qū)的夜間流量低谷在2:00—4:00，流量低谷時(shí)段的水量變化波動都極小，表明這個(gè)時(shí)間段內(nèi)基本無居民用水，為利用最小夜間流量觀察小區(qū)漏損情況的最佳時(shí)段。

圖2中，DXJBL小區(qū)的每15 min流量平均值和方差呈鋸齒形，是由于小區(qū)屬于高層住宅，采用水箱二次供水所致。

原MNF方法針對0:00—5:00時(shí)段流量數(shù)據(jù)進(jìn)行自動監(jiān)測報(bào)警，顯然夜間時(shí)段范圍偏大。以BLDW小區(qū)為例，0:00—2:00平均值和方差較大，高于低谷時(shí)段30%以上，存在用戶正常用水量干擾。因此，0:00—2:00時(shí)段不適合采用MNF法。

考察其余10個(gè)小區(qū)的夜間流量，低谷時(shí)段基本與BLDW、DXJBL兩小區(qū)情況類似。

2 MNF法的改進(jìn)

MNF法的第一項(xiàng)改進(jìn)就是選擇最佳的夜間流量觀察時(shí)段。通過上一節(jié)0:00—6:00每15 min用水量平均值和方差分析，可以確定小區(qū)的最佳夜間觀察時(shí)段2:00—4:00或2:00—5:00。之所以不統(tǒng)一為2:00—4:00，是因?yàn)榭疾鞎r(shí)段長有助于漏損監(jiān)測。

MNF法的第二項(xiàng)改進(jìn)就是設(shè)置合適的報(bào)警閾值UCL。經(jīng)10個(gè)小區(qū)各自夜間流量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，正常工況下符合正態(tài)分布。按照統(tǒng)計(jì)學(xué)中心極限定理[5]，觀測值超過u+1.3σ(u為平均值，σ為標(biāo)準(zhǔn)差)的預(yù)警，有10%的概率；觀測值超過u+2σ的預(yù)警，有2.275%的概率；觀測值超過u+3σ的預(yù)警，其概率僅為0.135%。若閾值偏低，報(bào)警敏感度高，誤報(bào)警增多；若閾值偏高，報(bào)警敏感度低，可減少誤報(bào)，但可能出現(xiàn)漏報(bào)。因此，閾值設(shè)定除了減少誤報(bào)，還要考慮避免漏報(bào)。各小區(qū)不同閾值下報(bào)警次數(shù)(見表1)。

表1 各小區(qū)不同閾值下報(bào)警次數(shù)

從表1可以看出，在閾值設(shè)為u+3σ時(shí)，報(bào)警次數(shù)最少，且誤報(bào)率最低。其中，對于DDGY小區(qū)未出現(xiàn)漏報(bào)，但對于SDFC小區(qū)2次漏損事件，出現(xiàn)漏報(bào)1次。若設(shè)立閾值為u+3σ，在小區(qū)對應(yīng)最佳時(shí)段內(nèi)進(jìn)行報(bào)警可以大大減少誤報(bào)警次數(shù)，但存在漏報(bào)風(fēng)險(xiǎn)。若設(shè)立閾值為u+2σ，則誤報(bào)警次數(shù)增多，未出現(xiàn)漏報(bào)。

一般情況下，閾值在(u+3σ，u+2σ]區(qū)間，可以通過小區(qū)過去12個(gè)月發(fā)生漏損事故概率求得。事實(shí)上，單一閾值報(bào)警方法，在減少誤報(bào)的同時(shí)將增大漏報(bào)風(fēng)險(xiǎn)，且與小區(qū)管網(wǎng)狀況相關(guān)。為減少漏報(bào)風(fēng)險(xiǎn)，可以增加檢測樣本次數(shù)，并利用連續(xù)樣本過程信息。

MNF法的第三項(xiàng)改進(jìn)就是利用統(tǒng)計(jì)過程控制SPC原理[6-7]，以夜間2:00—4:00或2:00—5：00的整點(diǎn)時(shí)段流量進(jìn)行跨日連續(xù)監(jiān)測，SPC檢測規(guī)則(見表2)。由此通過增加檢測次數(shù)，并監(jiān)測一定周期的趨勢性變化，檢測出漸變異常，具有更高的可靠性。

表2 統(tǒng)計(jì)過程控制SPC檢測規(guī)則

3 夜用水量分配系數(shù)法和時(shí)變化系數(shù)法

為了驗(yàn)證改進(jìn)MNF法的有效性，對同樣10個(gè)小區(qū)2018-03—2019-03的夜間流量數(shù)據(jù)進(jìn)行重新檢測處理。同時(shí)，采用夜用水量分配系數(shù)法和時(shí)變化系數(shù)法2個(gè)常用檢測方法，進(jìn)行分析處理，跟原MNF方法進(jìn)行比較。

3.1 夜用水量分配系數(shù)法

夜間最小流量與日均用水量的比值即為夜間最小流量分配系數(shù)[8]。這里，夜用水量分配系數(shù)是指夜間時(shí)段用水量占全天用水量的比例，以撇除氣溫、用水量因素影響。

具體做法是利用小區(qū)的間隔水量來進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，根據(jù)小區(qū)夜間2:00—4:00的用水量在一整天24 h用水量中的占比來分析小區(qū)漏損情況。設(shè)某小區(qū)某日24 h用水量為Q24h，該日夜間2:00—4:00點(diǎn)用水量為Q2:00-4:00，該小區(qū)該日夜用水量分配系數(shù)為y，則有夜用水量分配系數(shù)公式如下：

(1)

3.2 時(shí)變化系數(shù)法

時(shí)變化系數(shù)一般指最高日最高時(shí)供水量與該日平均時(shí)供水量的比值[9]。這里，令時(shí)變化系數(shù)K為日最大時(shí)段流量與最小時(shí)段流量的比值。通常，K值與小區(qū)漏損率成負(fù)相關(guān)，K值越小則漏損率越大，因此可以通過觀察K值來間接觀察小區(qū)的漏損情況。

具體做法是采集小區(qū)流量數(shù)據(jù)，根據(jù)每日的最大時(shí)段流量與最小時(shí)段流量計(jì)算K值，計(jì)算小區(qū)一年的K值，并繪制成曲線圖觀察其變化情況，再根據(jù)設(shè)定的K值警報(bào)閾值觀察分析數(shù)據(jù)。

4 實(shí)測數(shù)據(jù)驗(yàn)證及應(yīng)用

采用改進(jìn)MNF方法對10個(gè)小區(qū)進(jìn)行預(yù)警處理，并與原MNF法、夜用水量分配系數(shù)法和時(shí)變化系數(shù)法進(jìn)行分析比較，結(jié)果(見表3)。

表3 改進(jìn)MNF方法的預(yù)警情況

由表3看出，改進(jìn)MNF方法采用統(tǒng)計(jì)過程控制SPC，不僅可以檢測明顯異常，而且可以盡早檢測出漸變異常，防止漏報(bào)、遲報(bào)。SDFC小區(qū)的2次漏損均被成功檢測出來。

采用原MNF法、改進(jìn)MNF法、夜用水量分配系數(shù)法和時(shí)變化系數(shù)法等4種方法，對相同的10個(gè)小區(qū)進(jìn)行檢測預(yù)警處理，結(jié)果(見表4)。

表4 不同方法10個(gè)小區(qū)預(yù)警情況

由表4看出，在無漏報(bào)前提下，改進(jìn)MNF法具有最低的誤報(bào)率。因此，具有更高的預(yù)警準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性。

5 結(jié) 論

本文通過優(yōu)化夜間流量觀察時(shí)段、設(shè)置合理閾值以及應(yīng)用統(tǒng)計(jì)過程控制SPC，對傳統(tǒng)MNF方法進(jìn)行了改進(jìn)。實(shí)際分析表明，改進(jìn)MNF法，減少了用水因素的干擾，不僅有效減少誤報(bào)警次數(shù)，且避免漏報(bào)，較傳統(tǒng)的MNF方法、分配系數(shù)法、時(shí)變系數(shù)法，具有更高的預(yù)警準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性。杭州水務(wù)城

東分公司2019年6月起逐步開展應(yīng)用，已取得初步效果。