校園供水管道漏損智能監測系統研究

丁 青， 陶星光， 趙雨姍， 何昱樂， 陳清也

(湖南財政經濟學院 數學與統計學院，湖南 長沙 410205)

0 引言

由于高校校園供水較一般城市供水更為特殊，供水網復雜多樣，暗漏問題嚴重，傳統的供水系統漏損監測弊端多見，造成大量人工勘測成本及淡水資源的浪費，校園供水管理智能監測系統[1]的需求迫在眉睫。本文建立一套與大數據、互聯網應用結合的自動型現代化管道漏損智能監測系統，并對系統建立與運用方面進行介紹。

1 研究背景

1.1 傳統型水管檢漏方法[2]

第一種是音聽檢漏法。當供水管道破裂發生漏水時，對采集到的水流與破裂口的摩擦在管道壁產生一定頻率的聲信號進行信號處理用作漏水檢測[3]。第二種是相關檢漏法。使用相關儀器快速準確地測出地下管道漏水點的準確位置。第三種是漏水自動記錄監測法。水泄漏噪聲自動記錄儀按預設時間記錄水聲信號，經數字化處理后通過專用軟件在計算機上進行處理得到漏損區域位置。

基于聲信號檢測的傳統型水管檢漏方法實時性強但成本高，易耗費大量人力、物力、財力且其影響因素多，容易因管道材質、環境音變等影響檢測效果。

1.2 市場對智能監測系統的需求

目前淡水資源日益匱乏，僅僅一個水龍頭漏水一個月就會漏掉2.6 t水，必須重視水管漏損問題，保護淡水資源。

我國的地理信息系統(geographic information system，GIS)[4]在管網行業應用不多，技術設計不夠成熟，大都局限于對日常管理的實現。傳統的供水管理系統資料保存為紙質版，難儲存、易破損，查閱困難，無法實時反映。

2 模型建立

2.1 水表層級模型

通過高校校園各水表之間的關系得到水表層級模型，并由該模型得出水表數據的誤差。依據校園后勤部門提供的信息，確定校園水表各層級之間的關系，建立高校水表讀數數據庫。

建立水表層次關系后，水表讀數數據采用平均相對誤差MRE用公式(1)進行計算,得到相關一級表的誤差,

(1)

2.2 漏損監測模型[5]

基于校園內每個區域單獨的用水數據，利用SPSS軟件建立不同的數據圖表。

對此進行數據比較并詳細分析每個用水區域用水量的變化，尋找水表數據中的異常數據，包括異常值和缺失值。對異常值使用均值進行替換，而對缺失值的處理方式是模型不選取缺失的數據。

在處理完用水量異常值及缺失值后，利用SPSS軟件進行時間序列預測，得到所需要的預測值，再由公式(2)計算一級表的漏損率。

(2)

其中，P代表漏損率，X代表原始用量，Y代表預測用量。

通過BP神經網絡預測估計用水區域的實際用水量，依據公式得出漏損量與漏損率，得到各個水表的實際漏損率后計算水表的平均漏損率并以該值為閾值,制定出水表正常工作的范圍，閾值之外的部分則不作處理，超過這個閾值的都應該注意。系統能夠通過水表實時數據，得到需要查找的地下水管暗漏或地面水管直接漏損的具體區域的水表號。

2.3 地圖可視化

對數據進行地圖可視化處理，在Google地圖上應用地理信息系統作水管漏損區域示意圖，同時用顏色區分水管正常使用情況及漏損情況，橙色表示漏損區域，灰色表示未漏損區域，并通過顏色深淺表示水管漏損嚴重程度。通過此方法可以準確、實時定位標示水管漏損區域的具體位置。

3 軟件設計

本文提出的“校園供水智能漏損監測系統”設計(見圖1)通過校園水表獲得大量供水系統運行數據，建立數據庫架構,后臺將上傳數據和水表閾值進行比較:如果水表屬于正常范圍則可以忽略;如果紅點超出了設定閾值,立刻觸發地圖通信,在地圖上進行標識橙色預警顯示,后勤部門在發現區域內出現橙色區域提醒后，需要及時采取相應的措施，及時通知就近的巡檢人員對其進行緊急處置。事件處理完畢后，橙色變灰。

圖1 設計流程圖Fig.1 Design flow chart

后續開發設想：實現水表層級模型+漏損監測模型+地圖可視化為一體的校園供水管道漏損智能監測系統。

4 總結

本文提出的“校園供水管道智能監測系統” 與大數據、互聯網應用結合,可實現長期保存供水管理系統資料的設想，提高了供水系統漏損監測實用性與便捷性，有效解決傳統型人工查漏損風險大、成本高、耗時長等問題，減少資源浪費。