自来水管网在线监测系统平台.doc

滁州市智慧水务科技有限公司长三角挑战赛一、 技术需求名称：物联网自来水管网漏损在线监测系统自来水损耗问题一直是供水企业最为关注的问题。即使在我国城市地区，供水管网漏损也相当严重，据统计平均水平在20%左右，有的城市漏失率高达40%以上。农村的管网水损则更高。现有的管网漏损监测方法往往除了在供水端总管安装流量计外，还要在各支路管网的入口处安装流量计，通过比较两者的差值来判断漏损情况。由于流量计数量多，造成投资和维护成本都很高。虽然在各终端用户装有自来水表，但由于目前普遍采用人工抄表方式，无法准确统计在相同一段时间内的总用水量，因而无助于漏损计算与诊断。近年来，随着物联网技术的快速发展，我们需要研发在流量计和水表中安装一种无线物联网智能终端，可以实时发送用水量数据，在省去抄表等繁重工作的同时，还可以借此进行自来水管网漏损在线监测。二、 完整的企业基本信息本公司全称：滁州市智慧水务科技有限公司，成立于2018年5月9日，注册资金叁佰万元。股东：顾晓菲东南大学本科、香港浸会大学硕士研究生毕业，陈夕松博士、东南大学教授，王晓俊博士、东南大学教授，杨红梅工程师。主要从事水质监测设备、智能水处理设备、智能泵站设备、管网漏损在线监测设备、物联网水表平台设备的研发、制造、销售、维修；软件开发。（这个技术需求，对于我公司来说完全合理。）三、 明确的技术需求参数、标准1、分布式自来水管网损耗监测系统，包括：建立了由远程服务器、区域供水总表和区域内的用户水表构成的自来水管网监测系统，区域供水总表和用户水表上装有具有窄带物联网通信功能的智能终端，该智能终端定时向远程服务器发送流量数据，远程服务器进行模型预测和计算分析，识别管网流量异常的区域，向区域自来水管理者发出报警。2、所述的分布式自来水管网损耗监测系统的使用方法，具体包括以下：S1、用户水表通过智能终端定时向远程服务器发送当前水表累积流量；S2、远程服务器建立区域管网流量模型，根据该区域每个用户发送的当前水表累积流量及历史累积流量，计算当前总用水累积流量，预测该区域当前总用水量的上、下限阈值；S3、区域总表通过智能终端定时向数据库服务器发送当前总供水流量；S4、远程服务器将该区域当前总供水流量与区域总用水量上、下限阈值进行比较，若总供水流量超出区域总用水量上、下限阈值，则发出水管泄漏报警；S5、若当前总供水流量在区域总用水量上、下限阈值范围内，而当日供水量的增幅超过设定的阈值，远程服务器发出水管泄漏报警；S6、若当前总供水流量在区域总用水量上、下限阈值范围内，且在设定的时间范围内，用水累积流量曲线波动频率超过设定的阈值，远程服务器发出水管泄漏报警。3、根据所述的一种分布式自来水管网损耗监测系统的使用方法，其特征在于：对区域管网流量采用自回归积分滑动建模，具有以下步骤：a、取该区域过去一年每天的流量数据；b、将数据进行去趋势运算；c、检测数据是否平稳，若平稳，转到步骤S5，否则向下执行；d、将数据进行差分运算，转到步骤S3；e、将得到的平稳时间序列分别求得自相关系数和偏自相关系数，自相关系数曲线第一次穿过上置信区间的横轴值记为p，为数据本身的滞后数；偏自相关系数曲线第一次穿过上置信区间的横轴值记为q，为预测误差的滞后数；f、根据p，q，d的值进行建模，其中d为将数据处理成平稳时间序列所经过的差分次数，得到模型如下：其中，为时刻的预测值，为常数项，为时刻的真实值，为时刻的预测误差，、为系数。4、 所述的分布式自来水管网损耗监测系统的使用方法，在于：将一定时间的区域历史用水量输入模型后进行预测，得到区域当前用水量，取预测值的130%作为该区域当前总用水量的上限阈值；取预测值的90%作为该区域当前总用水量的下限阈值。5、 所述的分布式自来水管网损耗监测系统的使用方法，在于：取昨日供水量的10%作为当日供水量增幅的阈值。6、 所述的分布式自来水管网损耗监测系统的使用方法，在于：根据过去15天的供水量，日供水量增幅大于前一日供水量5%的次数超过5次，发出水管泄漏报警。四、 技术需求的合理性本技术需求，构建了一种分布式自来水管网损耗监测系统及方法，监测系统内的智能终端可实时发送各区域、各用户的用水数据到远程服务器，服务器再根据区域内用户用水量和区域供水量对各区域的用水情况进行建模、预测和分析，可快速定位管道漏损区域并报警，节省大量人力成本，对降低水损具有显著促进作用。五、 技术需求符合技术战略发展思路智慧水务，需要在自来水物联网远程自动取水、水质在线检测、自动加药系统、自来水管网损耗在线监测系统、云存贮、大数据分析六大模块上综合研发。本需求属于六大模块之一，符合我公司的技术战略发展思路。我国水资源严重短缺，按照一个县级水厂日均产水五万立方米计算，全国2862个县，综合漏损率30%，年漏损自来水1567亿立方米。经过自来水管网损耗在线监测，可将综合漏损率降至20%以下，可节约自来水500多亿立方米。六、 东南大学提供的技术方案分布式自来水管网损耗监测系统，建立了由远程服务器、区域供水总表和区域内用户水表构成的自来水管网监测系统，区域供水总表和用户水表上装有具有窄带物联网（NB-IoT）通信功能的智能终端，定时向远程服务器发送流量数据；远程服务器进行模型预测和计算分析，识别管网流量异常的区域，向区域自来水管理者发出报警。具体实施方案下面将结合实施方案的附图，对本方案进行清楚、完整地描述。本方案例以某区域996户的用水情况为例，自来水管网监测网络如图1所示。首先在区域供水总表和用户水表上安装具有窄带物联网（NB-IoT）通信功能的智能终端，每天上传用水数据到远程服务器，远程服务器进行模型预测和计算分析，识别管网流量异常的区域，向区域自来水管理者发出报警。本技术方案流程如图2所示，具体的步骤如下：1）服务器收到区域每户截至2018年7月31日的累积用水量，并且与历史累积流量相减，得到每户在7月31日的当日用水量，如表1所示。将每户日用水量求和，得到区域日用水量为459.29m3。表1某区域用户7月31日用水量（m3）户号当前累积用水量历史累计用水量当日用水量1-14265.304264.640.661-23110.653110.100.552-11755.411754.850.562-22566.732566.060.673-12009.632009.140.493-2380.75380.500.254-11200.341200.040.304-2617.47615.472.005-1920.35920.020.335-21200.521200.260.266-12086.912086.510.406-2249.22249.220.00498-14513.674513.570.10498-24723.994723.990.002）读取区域日用水量过去一年的数据，采用经典的ARIMA时间序列分析法建立区域管网流量模型，建模过程如图3所示。经过去趋势和去周期运算后，根据数据的自相关系数和偏自相关系数取p=10，q=3，因为不经过差分运算数据就已经平稳，所以d=0。根据p，q，d这三个参数和平稳后的用水量数据，可以得到区域管网流量模型如下：将区域日用水量最近30天的数据输入到区域管网流量模型中，算出区域日用水量的预测值，如表2所示。表2区域管网日供水量及预测值（m3）用水量日期区域日用水量最近30天的区域日用水量7月1日475.717月2日489.297月3日481.427月4日477.867月5日473.577月30日475.00区域日用水量的预测值7月31日463.733）服务器收到区域总表发出的区域当前总供水量后，减去区域历史供水量，得到7月31日的区域日供水量为532.70m3。根据区域日用水量的预测值取区域日供水量的上、下限阈值分别为602.85和417.36，而532.70在此范围内，因此不发出水管泄漏报警。相反，只要区域日供水量不在上述合理区间范围，此时则发出水管泄露报警。4）读取7月30日区域日供水量为547.10m3，将当日供水量532.70m3与其相减，得到增幅为-14.40m3。取阈值为7月30日区域日供水量的10%，为54.71m3，显然增幅小于阈值，不发出水管泄漏报警。如区域今日供水量为602.74m3，在日供水量的合理区间范围内，但与7月30日区域日供水量相减，得到增幅为55.64m3，大于阈值54.71，将发出水管泄漏报警。5）读取过去15天的区域日供水量和增幅数据，如表3所示，计算区域日供水量增幅大于前一日供水量的5%的次数，只有7月17日这一次，小于阈值5，不发出水管泄漏报警。表3区域日供水量的增幅（m3）日期区域日供水量前一日供水量的5%增幅7月17日555.2126.4226.817月18日571.7427.7616.537月19日554.9028.59-16.847月20日558.6727.753.777月21日550.9327.93-7.747月30日547.2327.55-3.707月31日532.7027.36-14.53如过去一个月的区域日供水量和增幅数据如表4所示，区域日供水量增幅大于前一日供水量的5%的次数为6次，超过了阈值5，将发出水管泄漏报警。表4区域日供水量的增幅（m3）日期区域日供水量前一日供水量的5%增幅状态7月17日555.2126.4226.81异常7月18日571.7427.7616.537月19日554.9028.59-16.847月20日585.6727.7530.77异常7月21日550.9329.28-34.747月22日588.6727.7533.77异常7月23日550.9329.43-37.747月24日585.9227.5534.99异常7月25日558.6429.30-27.287月26日589.6127.9330.97异常7月27日559.4029.48-30.217月28日589.6827.9730.28异常7月29日551.0029.48-38.687月30日547.2327.55-3.777月31日532.7027.36-14.53本分布式自来水管网损耗监测系统技术方案，建立了由远程服务器、区域供水总表和区域内用户水表构成的自来水管网监测系统，区域供水总表和用户水表上装有具有窄带物联网通信功能的智能终端，定时向远程服务器发送流量数据；远程服务器进行模型预测和计算分析，识别管网流量异常的区域，向区域自来水管理者发出报警。本发明可快速找出管道漏损区域并报警，节省大量人力成本，对降低水损具有显著促进作用。图1图2图3七、 知识产权分布式自来水管网损耗监测系统技术，由东南大学研发，成果及转化归我公司所有。填补了国内空白，属于发明专利。八、 技术与产品市场自来水损耗问题一直是供水企业最为关注的问题。在我国城市地区，供水管网漏损在