一種校園供水系統智能管理模型的構建

蒲寶卿，包 蕾，劉代娜

目前，城市供水企業為實現企業盈利、節能降耗等目標，已經將抄表催費、維修搶修、在線監控等各項業務工作逐步信息化、標準化，實現了智能化管理［1］.基于現代通訊技術和云計算的城市供水智能管理系統的構建，可有效整合各系統資源，從而實現供水系統各模塊最大程度的共享，為供水系統科學管理提供決策支持［2］.

學校內部用水點及用水量的逐年增加，迫切需要校園供水系統實現智能化管理，智能水表的普及安裝有助于校園后勤管理部門實時獲取全面、準確的系統運行數據，基于此可以通過數據挖掘和數學建模技術優化校園供水系統，提升校園服務和管理水平.

1 校園不同功能區的用水規律特征分析

基于某校區水表層級關系以及所有水表四個季度的讀數（以一定時間為間隔，如15 分鐘）與相應的用水數據［3］，利用Matlab 軟件首先對每塊水表每天的小時用水量進行計算；然后對每塊水表在每一季度內的小時平均用水量進行求解；最后作出每塊水表在每一季度內的小時平均用水量隨時間變化的曲線.部分水表數據變化曲線如圖1 和圖2 所示.

基于每塊水表的編號及名稱，結合每塊水表的用水變化曲線將該校區劃分為宿舍、食堂、教學、辦公、后勤保障、文娛服務、綠化養殖7 個功能區，如表1 所示.

圖1 某校區第五食堂水表數據變化規律圖

圖2 物業水表數據變化規律圖

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

1.1 宿舍功能區用水特征分析

宿舍功能區用水隨時間和季度的變化趨勢如圖3 所示，從日用水量的變化趨勢上看，宿舍功能區在6：00～9：00、20：00～23：00 用水量較大，2：00～6：00、15：00～19：00 用水量相對較小，這與學生的生活學習節奏相一致；不同季度中宿舍用水變化趨勢一致，其中第一季度用水較少，第四季度用水最多.這受到學校寒暑假、冬天供暖等因素的影響.總之，宿舍功能區呈現出早晨晚上用水多、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 宿舍功能區平均用水量的變化趨勢圖

表1 功能區劃分明細

1.2 食堂功能區用水特征分析

食堂功能區用水隨時間和季度的變化趨勢如圖4 所示，從日用水量的變化趨勢上看，食堂功能區在6：00～15：00、17：00～20：00 用水量較大，1：00～6：00、20：00～23：00 用水量相對較小，這與學校一日三餐期間用水多、晚上和夜里不做飯而用水少的習慣相一致；不同季度中宿舍用水變化趨勢一致，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，這是因為第一季度包含寒假、學校食堂關閉.總之，食堂功能區呈現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 食堂功能區平均用水量的變化趨勢圖

1.3 其余五個功能區的用水特征分析

教學功能區呈現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.

辦公功能區呈現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.

后勤保障功能區呈現出全天24 小時用水、季度用水趨勢一致、用水量差距小的特征.

文娛服務功能區呈現出白天和傍晚用水多、第三季度用水明顯增多、游泳池對用水量影響較大的特征.

綠化養殖功能區呈現出全天多個用水高峰點、不同季節用水變化趨勢差異大的特征.

2 水表數據關系模型的構建及誤差分析

基于校區水表層級關系，分別統計一級水表、二級水表、三級水表的累積用水量，建立一級水表和二級水表的用水量關系對比模型、二級水表和三級水表用水量的關系對比模型.其中一級水表和二級水表用水量隨時間的變化關系對比模型如圖5、圖6 所示.其中圖5 時間間隔為15 分鐘，圖6 時間間隔為6小時.

圖5 一級水表和二級水表數據關系模型圖

圖6 一級水表和二級水表數據關系模型圖

從圖5、圖6 可以看出，一級水表和二級水表曲線變化趨勢基本吻合，但是在某些點一級水表數據有多個峰點.分析可能存在三個原因：一是由于管網泄漏造成；二是因為現實的供水管網由許多環路和支路共同組成，一級水表的供水不僅僅要供給其下游的二級水表和管網，還要供給整個管網中其他一級水表下的二級水表；三是由于水表時滯造成的讀數誤差；有時候二級水表用水量總和大于一級水表，這其中也包括三個原因：一是管道存水引起；二是因為供水管網環路中由其他的一級水表進行供給；三是由供水時滯造成的.

對于一級水表，401X、403X 和405X 水表下面有多個二級水表，且水表都有讀數，而其他一級水表因為下面二級水表較少或者無記錄，統計誤差較大，所以只分析了一級水表401X、403X 和405X 與其二級水表的數據關系.同理，針對二級水表分析了40337X、40134X和40133X 與其三級水表的讀數關系誤差.

基于附件數據用Matlab 對要分析的水表的用水量進行統計，得出一級水表401X、403X和405X 與其二級水表數據關系模型如圖7～圖9 所示.這3 個圖的時間間隔均為15 分鐘.

圖7 一級水表401X 與其二級水表的數據對比模型

圖8 一級水表403X 與其二級水表的數據對比模型

圖9 一級水表405X 與其二級水表的數據對比模型

從圖7～圖9 可以看出，一級水表用水量和二級水表用水量變化趨勢基本一致，當一級水表用水量低于二級水表用水量時，說明存在供水讀數時滯、管網存水、以及環路中其他水表供水情況；當一級水表用水量大于二級水表用水量時，說明存在供水管網的漏損情況，如果差距小，說明管網屬于正常供水損耗，如果差距較大，說明存在管道破裂、閥門松動等較為明顯的漏損情況.經過統計計算，一級水表401X、403X 和405X 與其二級水表數據關系模型誤差分別為1.81%、0.74%和10.62%.同 理，二 級 水 表40337X、40134X 和40133X 與其三級水表的讀數關系對比模型如圖10～圖12 所示.這3 個圖的時間間隔均為15分鐘.

圖10 二級水表40337X 與其三級水表的數據對比模型

圖11 二級水表40134X 與其三級水表的數據對比模型

圖12 二級水表40133X 與其三級水表的數據對比模型

從圖10～圖12 可以看出，二級水表用水量和三級水表用水量變化趨勢基本一致，但是兩者之間的讀數差距較大，說明存在較強的讀數時滯和漏水現象，這是因為水表和管道數量多，水表分布相對分散，有些管道甚至是老舊管網.經過統計計算，二級水表40337X、40134X 和40133X 與其三級水表數據關系模型誤差分別為-23.67%、45.30%和41.41%.

3 供水管網漏損分析

如果不用水時，水表繼續勻速轉動，說明存在漏水現象；如果水表連續勻速轉動，說明管網也存在漏水現象.針對該校區的每個水表數值，因為附件數據統計時間間隔為15 分鐘，若連續12 條記錄的用水量相同，也就是3個小時內某個水表轉動均勻，那么判定相關的管網漏水.基于此模型，分別統計每個水表讀數變化趨勢，進而分析出整個供水管網的漏水比例如表2 所示.

表2 校區內所有水表的讀數變化情況及管網漏損情況

從表2 可以看出，不同水表反映的管網漏水情況差距較大，最高的漏水比例可達到90%以上，總漏水比例為12.63%，大于良好供水網絡5%的標準，說明該校區的供水網絡存在較大的漏損情況，需要進行漏損管網的檢測、定位和維修.

漏損位置的確認主要是通過水表的實時數據規律確定.一般步驟如下：

Step 1：根據各級水表中實時的用水量數據規律，分辨哪個水表下的水管存在漏損情況.

Step 2：對每個存在漏損水管的水表判斷是否存在下級水表同樣有漏水情況，若存在，則繼續找下一級水表，直到不存在為止.

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

4 供水管網最優維修決策方案

供水管網維修方案需要綜合考慮3 個方面：一是管道維修需要的人工費和材料費；二是維修降低管網漏損程度所降低的損失；三是管道更新的投入費用.根據以上3 點構建管道維護更新決策模型.

4.1 管道維修費用模型

管道維修費與漏水口數量、漏水類型等因素相關，費用構成包括人工費、材料費、破路費、機械費等方面［4-6］，管道總的維修費用可以表示成如下公式：

其中：N x(t)表示t年管道口漏數量（處）；N y(t)表示t年折管的漏水口數量（處）；ax表示管道口漏維修的工費（元/處）；ay表示管道折管維修的工費（元/處）；bx表示管道口漏維修材料費（元/處）；by表示管道折管維修材料費（元/處）；cx表示管道口漏維修的破路費（元/處）；cy表示管道折管維修的破路費（元/處）；dx表示管道口漏的機械費（元/處）；dy表示管道折管的機械費（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用存在較大差距，在分析學校的管道維修費用中應該區別對待.

4.2 水費損失模型

建立漏水水量水費損失模型，損失模型如公式（2）所示：

其中：k表示每立方米水的價格；Q表示每處漏水點每天的漏水量；T表示管道漏水持續時間.

管道使用年限越長，因為水管老化等原因發生漏水點的概率越大，因此N x(t) 和N y(t)會隨著t增大而增大，維修費用也因此會隨著水管老化而增加.

4.3 管道更新費用模型

當水管每年維修費用太高時，需要對管道進行更新，管道更新費用包括設計費、監理費、管道安裝費等，管道更新費用可以表示為如下公式：

其中：c1=γL，表示管道的材料費用，L表示管道長度，γ表示單位長度的管道費用，γ與管道的粗細、材料等因素相關；c2表示管道附屬設施安裝費用；c3表示刨路費；c4表示設計費.

4.4 管道維護更新經濟決策模型

以經濟決策為目標，建立管道更新經濟決策模型.

①當P

②當F

③當P>C時，漏水造成的水費損失大于管道更新費用，此時對管道進行更新.

5 模型的應用

將管道維護更新決策模型應用到隴南師專校園供水管網系統管理中，以本校區為實例進行分析.用水區域根據水表布局和功能可劃分為教學區、辦公區、宿舍區、教師住宅區.根據后勤物業提供的數據，2019 年度本校區用水總量達到了11.139 萬立方米.用水量統計及維修情況如表3 所示.

從表3 可以看出，本校區第一季度用水量少，第二季度用水量較多，第三、第四季度差距小.宿舍區和住宅區的漏損相對比較嚴重，這和用水點多以及管網老化有關，全年用水漏損達到了5.04%.根據全年漏損情況、維修費用、更新費用作出決策，漏損費用（P）為0.561 萬 立 方 米×2.5 元/立 方 米=1.402 5 萬 元，維修費用（F）達到了1.386 萬元，F

然而在實際供水管網維護當中，各季度、各區域的情況都不盡相同.即使水費損失小于維修費用的情況下，為了節省寶貴的水資源，仍然需要進行管網維修，必要時需要進行管網更新.

6 結語

本文基于某校區水表層級關系以及所有水表四個季度的數據變化關系，通過數據挖掘，對每個水表的讀數規律進行了統計，并基于此進行功能區域的劃分和用水特征分析；對不同級別水表的數據關系進行建模，并完成了模型誤差的分析；計算每塊水表的漏水比例，進一步完成了整個供水管網的漏損分析，最后提出了供水管道最優維修決策方案，并將模型應用到隴南師專的校園供水管網管理當中，可實現資源浪費最低，經濟效益最高的雙重目標.

表3 本校區分季度用水量統計及維修費用情況