校園智能水表用水數(shù)據(jù)研究

陳禹默

（西安職業(yè)技術(shù)學院基礎(chǔ)課部，陜西 西安 710077）

1 前言

校園供水系統(tǒng)是校園公用設(shè)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(shù)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?；谶@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(yù)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(yù)測和漏損位置的定位。預(yù)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(yù)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(chǔ)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(yù)測現(xiàn)在或?qū)淼男孤┝?，借用模煳?shù)學法，并利用歷史泄漏數(shù)據(jù)中隱含的規(guī)律來預(yù)測未來的泄漏量變化，模數(shù)法在給水管網(wǎng)泄漏量預(yù)測模型中的研究和應(yīng)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(guān)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(shè)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(jié)合校區(qū)水表層級關(guān)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(shè)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(shè)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(shè)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(shè)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(jié)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(guān)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(jié)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(jié)語

校園供水系統(tǒng)是校園公用設(shè)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(shù)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(shè)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(guān)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。