一種校園供水系統(tǒng)智能管理模型的構(gòu)建

蒲寶卿，包 蕾，劉代娜

目前，城市供水企業(yè)為實(shí)現(xiàn)企業(yè)盈利、節(jié)能降耗等目標(biāo)，已經(jīng)將抄表催費(fèi)、維修搶修、在線監(jiān)控等各項(xiàng)業(yè)務(wù)工作逐步信息化、標(biāo)準(zhǔn)化，實(shí)現(xiàn)了智能化管理［1］.基于現(xiàn)代通訊技術(shù)和云計(jì)算的城市供水智能管理系統(tǒng)的構(gòu)建，可有效整合各系統(tǒng)資源，從而實(shí)現(xiàn)供水系統(tǒng)各模塊最大程度的共享，為供水系統(tǒng)科學(xué)管理提供決策支持［2］.

學(xué)校內(nèi)部用水點(diǎn)及用水量的逐年增加，迫切需要校園供水系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)智能化管理，智能水表的普及安裝有助于校園后勤管理部門實(shí)時(shí)獲取全面、準(zhǔn)確的系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)，基于此可以通過(guò)數(shù)據(jù)挖掘和數(shù)學(xué)建模技術(shù)優(yōu)化校園供水系統(tǒng)，提升校園服務(wù)和管理水平.

1 校園不同功能區(qū)的用水規(guī)律特征分析

基于某校區(qū)水表層級(jí)關(guān)系以及所有水表四個(gè)季度的讀數(shù)（以一定時(shí)間為間隔，如15 分鐘）與相應(yīng)的用水?dāng)?shù)據(jù)［3］，利用Matlab 軟件首先對(duì)每塊水表每天的小時(shí)用水量進(jìn)行計(jì)算；然后對(duì)每塊水表在每一季度內(nèi)的小時(shí)平均用水量進(jìn)行求解；最后作出每塊水表在每一季度內(nèi)的小時(shí)平均用水量隨時(shí)間變化的曲線.部分水表數(shù)據(jù)變化曲線如圖1 和圖2 所示.

基于每塊水表的編號(hào)及名稱，結(jié)合每塊水表的用水變化曲線將該校區(qū)劃分為宿舍、食堂、教學(xué)、辦公、后勤保障、文娛服務(wù)、綠化養(yǎng)殖7 個(gè)功能區(qū)，如表1 所示.

圖1 某校區(qū)第五食堂水表數(shù)據(jù)變化規(guī)律圖

圖2 物業(yè)水表數(shù)據(jù)變化規(guī)律圖

功能區(qū)的劃分主要遵循以下原則：名稱相似的歸為一個(gè)功能區(qū)；功能相似的歸為一個(gè)功能區(qū)；工作性質(zhì)相似的歸為一個(gè)功能區(qū)；同屬于一個(gè)大樓區(qū)域的水表屬于同一個(gè)功能區(qū)；有些水表從名稱上看不出功能，給予舍棄.一級(jí)總水表屬于區(qū)域水表，不能劃分到某一特定的功能區(qū)，給予舍棄.

1.1 宿舍功能區(qū)用水特征分析

宿舍功能區(qū)用水隨時(shí)間和季度的變化趨勢(shì)如圖3 所示，從日用水量的變化趨勢(shì)上看，宿舍功能區(qū)在6：00～9：00、20：00～23：00 用水量較大，2：00～6：00、15：00～19：00 用水量相對(duì)較小，這與學(xué)生的生活學(xué)習(xí)節(jié)奏相一致；不同季度中宿舍用水變化趨勢(shì)一致，其中第一季度用水較少，第四季度用水最多.這受到學(xué)校寒暑假、冬天供暖等因素的影響.總之，宿舍功能區(qū)呈現(xiàn)出早晨晚上用水多、深夜和下午用水少、第四季度用水多、第一季度用水少的特征.

圖3 宿舍功能區(qū)平均用水量的變化趨勢(shì)圖

表1 功能區(qū)劃分明細(xì)

1.2 食堂功能區(qū)用水特征分析

食堂功能區(qū)用水隨時(shí)間和季度的變化趨勢(shì)如圖4 所示，從日用水量的變化趨勢(shì)上看，食堂功能區(qū)在6：00～15：00、17：00～20：00 用水量較大，1：00～6：00、20：00～23：00 用水量相對(duì)較小，這與學(xué)校一日三餐期間用水多、晚上和夜里不做飯而用水少的習(xí)慣相一致；不同季度中宿舍用水變化趨勢(shì)一致，其中第一季度用水較少，其他季度用水較多且用水量差距小，這是因?yàn)榈谝患径劝佟W(xué)校食堂關(guān)閉.總之，食堂功能區(qū)呈現(xiàn)出白天三餐期間用水多、晚上深夜用水少、第一季度用水少、其他季度用水差距小的特征.

圖4 食堂功能區(qū)平均用水量的變化趨勢(shì)圖

1.3 其余五個(gè)功能區(qū)的用水特征分析

教學(xué)功能區(qū)呈現(xiàn)出白天上課期間用水多、晚上深夜用水少、上午用水多于下午；第一季度用水少、第二季度用水較多的特征.

辦公功能區(qū)呈現(xiàn)出白天辦公期間用水多、晚上深夜用水少、上午用水多于下午；第一季度用水少、其他季度用水量差距小的特征.

后勤保障功能區(qū)呈現(xiàn)出全天24 小時(shí)用水、季度用水趨勢(shì)一致、用水量差距小的特征.

文娛服務(wù)功能區(qū)呈現(xiàn)出白天和傍晚用水多、第三季度用水明顯增多、游泳池對(duì)用水量影響較大的特征.

綠化養(yǎng)殖功能區(qū)呈現(xiàn)出全天多個(gè)用水高峰點(diǎn)、不同季節(jié)用水變化趨勢(shì)差異大的特征.

2 水表數(shù)據(jù)關(guān)系模型的構(gòu)建及誤差分析

基于校區(qū)水表層級(jí)關(guān)系，分別統(tǒng)計(jì)一級(jí)水表、二級(jí)水表、三級(jí)水表的累積用水量，建立一級(jí)水表和二級(jí)水表的用水量關(guān)系對(duì)比模型、二級(jí)水表和三級(jí)水表用水量的關(guān)系對(duì)比模型.其中一級(jí)水表和二級(jí)水表用水量隨時(shí)間的變化關(guān)系對(duì)比模型如圖5、圖6 所示.其中圖5 時(shí)間間隔為15 分鐘，圖6 時(shí)間間隔為6小時(shí).

圖5 一級(jí)水表和二級(jí)水表數(shù)據(jù)關(guān)系模型圖

圖6 一級(jí)水表和二級(jí)水表數(shù)據(jù)關(guān)系模型圖

從圖5、圖6 可以看出，一級(jí)水表和二級(jí)水表曲線變化趨勢(shì)基本吻合，但是在某些點(diǎn)一級(jí)水表數(shù)據(jù)有多個(gè)峰點(diǎn).分析可能存在三個(gè)原因：一是由于管網(wǎng)泄漏造成；二是因?yàn)楝F(xiàn)實(shí)的供水管網(wǎng)由許多環(huán)路和支路共同組成，一級(jí)水表的供水不僅僅要供給其下游的二級(jí)水表和管網(wǎng)，還要供給整個(gè)管網(wǎng)中其他一級(jí)水表下的二級(jí)水表；三是由于水表時(shí)滯造成的讀數(shù)誤差；有時(shí)候二級(jí)水表用水量總和大于一級(jí)水表，這其中也包括三個(gè)原因：一是管道存水引起；二是因?yàn)楣┧芫W(wǎng)環(huán)路中由其他的一級(jí)水表進(jìn)行供給；三是由供水時(shí)滯造成的.

對(duì)于一級(jí)水表，401X、403X 和405X 水表下面有多個(gè)二級(jí)水表，且水表都有讀數(shù)，而其他一級(jí)水表因?yàn)橄旅娑?jí)水表較少或者無(wú)記錄，統(tǒng)計(jì)誤差較大，所以只分析了一級(jí)水表401X、403X 和405X 與其二級(jí)水表的數(shù)據(jù)關(guān)系.同理，針對(duì)二級(jí)水表分析了40337X、40134X和40133X 與其三級(jí)水表的讀數(shù)關(guān)系誤差.

基于附件數(shù)據(jù)用Matlab 對(duì)要分析的水表的用水量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得出一級(jí)水表401X、403X和405X 與其二級(jí)水表數(shù)據(jù)關(guān)系模型如圖7～圖9 所示.這3 個(gè)圖的時(shí)間間隔均為15 分鐘.

圖7 一級(jí)水表401X 與其二級(jí)水表的數(shù)據(jù)對(duì)比模型

圖8 一級(jí)水表403X 與其二級(jí)水表的數(shù)據(jù)對(duì)比模型

圖9 一級(jí)水表405X 與其二級(jí)水表的數(shù)據(jù)對(duì)比模型

從圖7～圖9 可以看出，一級(jí)水表用水量和二級(jí)水表用水量變化趨勢(shì)基本一致，當(dāng)一級(jí)水表用水量低于二級(jí)水表用水量時(shí)，說(shuō)明存在供水讀數(shù)時(shí)滯、管網(wǎng)存水、以及環(huán)路中其他水表供水情況；當(dāng)一級(jí)水表用水量大于二級(jí)水表用水量時(shí)，說(shuō)明存在供水管網(wǎng)的漏損情況，如果差距小，說(shuō)明管網(wǎng)屬于正常供水損耗，如果差距較大，說(shuō)明存在管道破裂、閥門松動(dòng)等較為明顯的漏損情況.經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)計(jì)算，一級(jí)水表401X、403X 和405X 與其二級(jí)水表數(shù)據(jù)關(guān)系模型誤差分別為1.81%、0.74%和10.62%.同 理，二 級(jí) 水 表40337X、40134X 和40133X 與其三級(jí)水表的讀數(shù)關(guān)系對(duì)比模型如圖10～圖12 所示.這3 個(gè)圖的時(shí)間間隔均為15分鐘.

圖10 二級(jí)水表40337X 與其三級(jí)水表的數(shù)據(jù)對(duì)比模型

圖11 二級(jí)水表40134X 與其三級(jí)水表的數(shù)據(jù)對(duì)比模型

圖12 二級(jí)水表40133X 與其三級(jí)水表的數(shù)據(jù)對(duì)比模型

從圖10～圖12 可以看出，二級(jí)水表用水量和三級(jí)水表用水量變化趨勢(shì)基本一致，但是兩者之間的讀數(shù)差距較大，說(shuō)明存在較強(qiáng)的讀數(shù)時(shí)滯和漏水現(xiàn)象，這是因?yàn)樗砗凸艿罃?shù)量多，水表分布相對(duì)分散，有些管道甚至是老舊管網(wǎng).經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)計(jì)算，二級(jí)水表40337X、40134X 和40133X 與其三級(jí)水表數(shù)據(jù)關(guān)系模型誤差分別為-23.67%、45.30%和41.41%.

3 供水管網(wǎng)漏損分析

如果不用水時(shí)，水表繼續(xù)勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，說(shuō)明存在漏水現(xiàn)象；如果水表連續(xù)勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，說(shuō)明管網(wǎng)也存在漏水現(xiàn)象.針對(duì)該校區(qū)的每個(gè)水表數(shù)值，因?yàn)楦郊?shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)時(shí)間間隔為15 分鐘，若連續(xù)12 條記錄的用水量相同，也就是3個(gè)小時(shí)內(nèi)某個(gè)水表轉(zhuǎn)動(dòng)均勻，那么判定相關(guān)的管網(wǎng)漏水.基于此模型，分別統(tǒng)計(jì)每個(gè)水表讀數(shù)變化趨勢(shì)，進(jìn)而分析出整個(gè)供水管網(wǎng)的漏水比例如表2 所示.

表2 校區(qū)內(nèi)所有水表的讀數(shù)變化情況及管網(wǎng)漏損情況

從表2 可以看出，不同水表反映的管網(wǎng)漏水情況差距較大，最高的漏水比例可達(dá)到90%以上，總漏水比例為12.63%，大于良好供水網(wǎng)絡(luò)5%的標(biāo)準(zhǔn)，說(shuō)明該校區(qū)的供水網(wǎng)絡(luò)存在較大的漏損情況，需要進(jìn)行漏損管網(wǎng)的檢測(cè)、定位和維修.

漏損位置的確認(rèn)主要是通過(guò)水表的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)規(guī)律確定.一般步驟如下：

Step 1：根據(jù)各級(jí)水表中實(shí)時(shí)的用水量數(shù)據(jù)規(guī)律，分辨哪個(gè)水表下的水管存在漏損情況.

Step 2：對(duì)每個(gè)存在漏損水管的水表判斷是否存在下級(jí)水表同樣有漏水情況，若存在，則繼續(xù)找下一級(jí)水表，直到不存在為止.

Step 3：若找到最下級(jí)的漏水水表下不存在更低級(jí)的水表，則漏水點(diǎn)在該水表下的某個(gè)水管中；若找到最下級(jí)的漏水水表下存在更低級(jí)的水表，則漏水點(diǎn)在兩級(jí)水表的水管之間.

4 供水管網(wǎng)最優(yōu)維修決策方案

供水管網(wǎng)維修方案需要綜合考慮3 個(gè)方面：一是管道維修需要的人工費(fèi)和材料費(fèi)；二是維修降低管網(wǎng)漏損程度所降低的損失；三是管道更新的投入費(fèi)用.根據(jù)以上3 點(diǎn)構(gòu)建管道維護(hù)更新決策模型.

4.1 管道維修費(fèi)用模型

管道維修費(fèi)與漏水口數(shù)量、漏水類型等因素相關(guān)，費(fèi)用構(gòu)成包括人工費(fèi)、材料費(fèi)、破路費(fèi)、機(jī)械費(fèi)等方面［4-6］，管道總的維修費(fèi)用可以表示成如下公式：

其中：N x(t)表示t年管道口漏數(shù)量（處）；N y(t)表示t年折管的漏水口數(shù)量（處）；ax表示管道口漏維修的工費(fèi)（元/處）；ay表示管道折管維修的工費(fèi)（元/處）；bx表示管道口漏維修材料費(fèi)（元/處）；by表示管道折管維修材料費(fèi)（元/處）；cx表示管道口漏維修的破路費(fèi)（元/處）；cy表示管道折管維修的破路費(fèi)（元/處）；dx表示管道口漏的機(jī)械費(fèi)（元/處）；dy表示管道折管的機(jī)械費(fèi)（元/處）.

在上述公式中，需要注意的是，不同口徑管道的各類維修費(fèi)用存在較大差距，在分析學(xué)校的管道維修費(fèi)用中應(yīng)該區(qū)別對(duì)待.

4.2 水費(fèi)損失模型

建立漏水水量水費(fèi)損失模型，損失模型如公式（2）所示：

其中：k表示每立方米水的價(jià)格；Q表示每處漏水點(diǎn)每天的漏水量；T表示管道漏水持續(xù)時(shí)間.

管道使用年限越長(zhǎng)，因?yàn)樗芾匣仍虬l(fā)生漏水點(diǎn)的概率越大，因此N x(t) 和N y(t)會(huì)隨著t增大而增大，維修費(fèi)用也因此會(huì)隨著水管老化而增加.

4.3 管道更新費(fèi)用模型

當(dāng)水管每年維修費(fèi)用太高時(shí)，需要對(duì)管道進(jìn)行更新，管道更新費(fèi)用包括設(shè)計(jì)費(fèi)、監(jiān)理費(fèi)、管道安裝費(fèi)等，管道更新費(fèi)用可以表示為如下公式：

其中：c1=γL，表示管道的材料費(fèi)用，L表示管道長(zhǎng)度，γ表示單位長(zhǎng)度的管道費(fèi)用，γ與管道的粗細(xì)、材料等因素相關(guān)；c2表示管道附屬設(shè)施安裝費(fèi)用；c3表示刨路費(fèi)；c4表示設(shè)計(jì)費(fèi).

4.4 管道維護(hù)更新經(jīng)濟(jì)決策模型

以經(jīng)濟(jì)決策為目標(biāo)，建立管道更新經(jīng)濟(jì)決策模型.

①當(dāng)P

②當(dāng)F

③當(dāng)P>C時(shí)，漏水造成的水費(fèi)損失大于管道更新費(fèi)用，此時(shí)對(duì)管道進(jìn)行更新.

5 模型的應(yīng)用

將管道維護(hù)更新決策模型應(yīng)用到隴南師專校園供水管網(wǎng)系統(tǒng)管理中，以本校區(qū)為實(shí)例進(jìn)行分析.用水區(qū)域根據(jù)水表布局和功能可劃分為教學(xué)區(qū)、辦公區(qū)、宿舍區(qū)、教師住宅區(qū).根據(jù)后勤物業(yè)提供的數(shù)據(jù)，2019 年度本校區(qū)用水總量達(dá)到了11.139 萬(wàn)立方米.用水量統(tǒng)計(jì)及維修情況如表3 所示.

從表3 可以看出，本校區(qū)第一季度用水量少，第二季度用水量較多，第三、第四季度差距小.宿舍區(qū)和住宅區(qū)的漏損相對(duì)比較嚴(yán)重，這和用水點(diǎn)多以及管網(wǎng)老化有關(guān)，全年用水漏損達(dá)到了5.04%.根據(jù)全年漏損情況、維修費(fèi)用、更新費(fèi)用作出決策，漏損費(fèi)用（P）為0.561 萬(wàn) 立 方 米×2.5 元/立 方 米=1.402 5 萬(wàn) 元，維修費(fèi)用（F）達(dá)到了1.386 萬(wàn)元，F(xiàn)

然而在實(shí)際供水管網(wǎng)維護(hù)當(dāng)中，各季度、各區(qū)域的情況都不盡相同.即使水費(fèi)損失小于維修費(fèi)用的情況下，為了節(jié)省寶貴的水資源，仍然需要進(jìn)行管網(wǎng)維修，必要時(shí)需要進(jìn)行管網(wǎng)更新.

6 結(jié)語(yǔ)

本文基于某校區(qū)水表層級(jí)關(guān)系以及所有水表四個(gè)季度的數(shù)據(jù)變化關(guān)系，通過(guò)數(shù)據(jù)挖掘，對(duì)每個(gè)水表的讀數(shù)規(guī)律進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，并基于此進(jìn)行功能區(qū)域的劃分和用水特征分析；對(duì)不同級(jí)別水表的數(shù)據(jù)關(guān)系進(jìn)行建模，并完成了模型誤差的分析；計(jì)算每塊水表的漏水比例，進(jìn)一步完成了整個(gè)供水管網(wǎng)的漏損分析，最后提出了供水管道最優(yōu)維修決策方案，并將模型應(yīng)用到隴南師專的校園供水管網(wǎng)管理當(dāng)中，可實(shí)現(xiàn)資源浪費(fèi)最低，經(jīng)濟(jì)效益最高的雙重目標(biāo).

表3 本校區(qū)分季度用水量統(tǒng)計(jì)及維修費(fèi)用情況