CN111155600B - 一种用于二次供水设备的水龄控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于二次供水设备的水龄控制系统，包括流量计、液位计、调节阀、压力计、水箱和控制器，其中，控制器分别与流量计、液位计、调节阀和压力计相连；所述控制器内部设有智能分析引擎，所述智能分析引擎将采集到的若干个月的用水量数据，并基于若干个月的用水量数据预测出用水量模式曲线；所述控制器通过所述用水量模式曲线对用水性质进行判定与分类，并根据所述用水量模式曲线计算出进水量曲线，再根据进水量曲线和用水量模式曲线得到水箱的蓄水量曲线，根据目标进水量对调节阀进行实时控制。本发明能够保证水箱中自来水的动态调节。
Description
技术领域
本发明涉及水箱储水水质控制技术领域，特别是涉及一种用于二次供水设备的水龄控制系统。
背景技术
随着我国城镇化进程的加快，高层住宅拔地而起，二次供水日益增多，但饮用水通过二次供水设备后常常会受到二次污染，影响供水水质，在二次供水系统中存在很多悬浮物，部分水箱水经取样检测后，还发现细菌严重超标的情况。据调查，一般情况下只需要两、三个月的时间，水箱中的悬浮物就会达到每立方米几十升，水池底下淤泥厚度将会超过十厘米，同时还会伴随着臭味，这与二次供水水质要求相比差的非常远。
目前解决水龄问题通常为定期的设备清洗与二次加氯，以一定的周期人工去对二次供水设备进行维护清洗或者是再次加氯，这些方式消耗的人力成本无疑比较大，并且二次加氯也会增加经济成本，水质也不能得到及时更新，在清洗或加氯之前水质也可能会达到细菌临界值。
发明内容
本发明提供一种用于二次供水设备的水龄控制系统，能够通过软件智能分析引擎去控制二次供水设备的阀门开合度，来解决二次供水设备里的水龄问题。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种用于二次供水设备的水龄控制系统，包括流量计、液位计、调节阀、压力计、水箱和控制器，所述流量计用于监测实时进水流量；所述液位计用于监测水箱实时液位值；所述压力计用于监测实时压力；所述调节阀用于控制水箱进水流量大小；所述水箱用于存储用水；所述控制器分别与流量计、液位计、调节阀和压力计相连，并根据流量计、液位计和压力计的实时检测值对调节阀进行控制；所述控制器内部设有智能分析引擎，所述智能分析引擎将采集到的若干个月的用水量数据，并基于若干个月的用水量数据预测出用水量模式曲线；所述控制器通过所述用水量模式曲线对用水性质进行判定与分类，并根据所述用水量模式曲线计算出进水量曲线，再根据进水量曲线和用水量模式曲线得到水箱的蓄水量曲线，根据目标进水量对调节阀进行实时控制。
所述智能分析引擎通过BP神经网络预测出用水量模式曲线，并通过当天的实际用水数据，生成真实的用水量模式曲线，并计算真实的用水量模式曲线与预测的用水量模式曲线之间的误差，将所述误差反向传播到BP神经网络的各个隐含层，计算出各隐含层的误差，再根据各隐含层的误差更新权值，得到新的预测结果，利用新的预测结果对调节阀进行控制。
当由于随机因素导致预测结果与当天的实际用水数据产生偏差时，所述智能分析引擎还通过卡尔曼滤波理论对预测结果进行纠偏，所述控制器根据不满足用水需求的具体情况实时调整调节阀的开度。
当所述智能分析引擎通过所述预测的用水量模式曲线对用水性质判定为非高峰时段时，所述控制器通过所述压力计和液位计的变化来控制调节阀，具体为：当市政压力大于负压解除时，若液位计的检测值低至第一阈值液位，调节阀全开进水，若液位计的检测值上升至第二阈值液位，调节阀开度调节为40％，若液位计的检测值达到第三阈值液位，则调节阀关闭；当市政压力处于负压下限与负压解除之间时，若液位计的检测值低至第一阈值液位，调节阀全开进水，若液位计的检测值上升到第二阈值液位，调节阀开度调节为30％，若液位计的检测值达到第三阈值液位，调节阀自动关闭；当市政压力小于负压下限时，调节阀关闭，当液位计的检测值低至第一阈值液位，调节阀全开进水。
当所述智能分析引擎通过所述预测的用水量模式曲线对用水性质判定为高峰时段时，所述控制器控制调节阀关闭，并根据上位机的指示调整调峰时段周期，当液位计的检测值低至第一阈值液位，调节阀全开进水。
当所述智能分析引擎通过所述预测的用水量模式曲线对用水性质判定为夜间蓄水时段时，所述控制器控制调节阀的开度，保证在夜间蓄水时段结束前水箱处于满水状态。
根据所述用水量模式曲线计算出进水量曲线，再根据进水量曲线和用水量模式曲线得到水箱的蓄水量曲线，根据目标进水量对调节阀进行实时控制具体为：将未来N小时用水量平均值作为当前进水量，得到进水量曲线，再将进水量曲线减去用水量曲线得到蓄水量曲线，当蓄水量曲线上的某点为负值时，通过在该值上加理论水箱蓄水量的最小值进行修正，其中，所述理论水箱蓄水量的最小值根据0点时刻的蓄水量为零计算得到。
有益效果
由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：本发明通过大数据和BP神经网络对末端用水数据进行分析，模拟出用户用水量曲线，对非高峰期、高峰期用水模式进行识别和预测，再结合水箱的储水量，自动控制二次供水设备的阀门开合度，保证水箱中自来水的动态调节，使得水箱储水每天循环更新。本发明采用可自我调节与远程控制的调节阀，使二次供水设备中的出水平均水龄得到缩短，相比定期水箱清洗与二次加氯无疑节省了人工成本与经济成本，提高了二次供水末端的水质质量。
附图说明
图1是本发明实施方式中预测的用水量模式曲线图；
图2是本发明实施方式中基于用水量模式曲线得到的水箱的蓄水量曲线图；
图3是本发明实施方式中水箱蓄水量和理论蓄水量曲线图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
本发明的实施方式涉及一种用于二次供水设备的水龄控制系统，包括流量计、液位计、显示屏、调节阀、压力计、水箱和控制器。
其中，流量计位于水龄控制系统的入口处，用于监测实时进水流量。液位计位于水箱内部，用于监测水箱实时液位值，通过流量计与液位计可计算出下游用水量模式曲线，用于预测模型的调节。
显示屏提供了对下位机的手动模式控制，通过触摸屏的操作可实现高、中、低液位值的设置，对于当前实际用水量远小于水箱容积的情况可通过直接修改高、中、低液位值使关阀液位降低，并保证了水在水箱中可及时更新。所述显示屏还提供了供水时段的设置功能，可根据实际情况手动更改各个供水时段的区间范围，并也提供了直接操作调节阀的开合度的功能。
调节阀用于控制水箱进水流量大小，实现对水箱的调度方案，保证自来水可获得及时的更新。
压力计用于监测实时压力，用于与液位计、流量计联动控制调节阀的开合度。水箱则用于存储用水，用于对下游设施进行水量与压力的调节并展现水龄控制系统对二次供水设备中水龄问题的解决。
本实施方式具有自动调节能力的控制阀，且支持远程控制，相比于浮球阀更加智能。本实施方式中流量计、液位计、调节阀和压力计均与控制器相连，该控制器内部设有智能分析引擎。
该智能分析引擎可以为用水行为进行特征识别。其可以在收集了当地接近三个月的用水量数据后，对用水量数据进行清洗与分类，将处理后的用水量数据作为BP神经网络的输入层输入进行训练，并对影响用水行为的因素进行量化分析，包括：天气、气温、周别、季节、节假日等，这些因素都是影响用水量趋势的影响因素，将这些影响因素作为不同隐含层输入BP神经网络，通过输入层与不同隐含层之间的权值计算得到输出层，具体计算方式为
其中yj表示对应的第j个隐含层的结果值，wij表示第i个输入层对应第j个隐含层的权值，xi表示第i个输入层对应值，bj为第j个隐含层对应阈值，f()为激活函数，n对应输入层个数。对于权值初始化使用均值为0方差为k/n的正太分布，其中k取决于激活函数，该输出层的计算结果即为预测的当地用水量模式曲线，通过该曲线对当地的用水性质进行判定与分类，并根据所述用水量模式曲线计算出水箱的蓄水量曲线与水箱的进水量曲线，根据目标进水量对调节阀进行实时控制。
在预测出用水量模式曲线的基础上，为了满足水箱中用水水龄不超过4小时的国家标准且水箱中进水时考虑水量为瞬间完全混合，本实施方式采用将未来N小时用水量平均值作为当前进水量的思路，其中，N为大于1的自然数，具体取值需要根据实际情况进行判断。具体实现方法为：图1所示的是预测出用水量曲线，假定N＝2，在此用水量基础上通过上述思路，可得到1点水箱中的进水量为2点与3点用水量的平均值，也就是8.5m3，以此类推，即可得到水箱的进水量曲线，如图2所示。将进水量曲线减去用水量曲线可以得到理论蓄水量曲线，见图3中浅色柱状图，不难发现，其中存在部分负值，此时需要对得到的理论蓄水量曲线进行修正，具体修正方式为：在该理论蓄水量上增加理论水箱水量的最小值，保障水箱用水量不为负。其中，理论水箱水量的最小值是根据0点时刻的蓄水量为零计算得到，如此便可得到修正后的蓄水量曲线图。再根据修正后的蓄水量可以得到每小时的目标进水量，基于通过平台将每小时的目标进水量传送给下位机，便可实时控制调节阀以达到目标进水量完成控制调度。
该智能分析引擎为自我学习反向调节预测模型。上述得到的模式曲线只是通过历史数据样本生成的，输入的影响因素也只是近三个月的数据，对于一年内可能会产生的影响因素，如：季节变化，人口迁移变化，目标群体变化等因素考虑的会较少，所以为了保证每一天都能较为精确地预测未来一天的用水规律，所述智能分析引擎还需不断采集当天的实际用水数据，生成真实的用水量模式曲线，计算真实的用水量与预测的用水量之间的误差，将该误差反向传播到各个隐含层，计算出各隐含层的误差，再根据各隐含层的误差更新权值，之后便可获得新的预测结果，利用该新的预测结果得到新的调度方案。
最后对于当天已开始实行的调度方案，当实际用水需求与预测值发生较大偏差时，即由于随机因素导致预测值与实际值产生偏差，如发生爆管等意外情况，导致用水需求得不到满足时，所述智能分析引擎还可以通过卡尔曼滤波理论对预测值进行纠偏，根据不满足用水需求的具体情况实时调整调节阀的开度，保证用水需求，从而做到根据实际用水需求实时调整预测值。
本实施方式的用于二次供水设备的水龄控制系统具有三种控制模式，具体如下：
一、水龄控制仪手动模式控制
进入手动模式后，通过人机界面修改调节阀的开度比例，水龄控制系统准确按开度比例进行开度调节，控制水箱进水流量。
二、水龄控制仪自动模式控制，自来水管网中存在不同供水时段(非高峰、高峰、夜间)，这些时段可通过取三个月用户用水数据，并利用大数据分析与人工智能预测算法模拟出的用户用水量曲线来获得，在不同时段下所述方法对应了不同控制策略，包括：
策略一、非高峰时段控制
该时段下还要参考自来水压力值，通过压力、液位的变化来联动控制水龄控制仪。
当市政压力大于负压解除时，若水箱水位低至缺水液位，调节阀全开进水。若水箱内水位上升到中液位后，调节阀的开度调节为40％。若达到高液位后，调节阀自动关闭。
当市政压力处于负压下限与负压解除之间时，若水箱内水位低至缺水液位时，调节阀全开进水。若水箱水位上升到中液位后，调节阀的开度调节为30％。若达到高液位后，调节阀自动关闭。
当市政压力小于负压下限时，调节阀强行关闭水箱进水，水箱内水位低至缺水液位时，调节阀全开进水。
策略二、高峰时段控制
在人机界面出厂配置有三个初始高峰时段时间，该时间会通过经验值或者大数据加人工智能预测算法计算得出，进入高峰时段后，为避免市政压力波动水龄控制系统的调节阀强制关闭水箱进水。上位机平台结合用户使用的一定时间范围(1个星期、1个月、1个季度、半年、全年)的一天之中用水量最多的时间段，每个时间段可以是1个小时或2个小时。并根据流量变化值自动远程调整下位机调峰时段周期。高峰时段内当水箱内水位低至缺水液位时，调节阀全开进水。
策略三、夜间蓄水模式
可通过上位机设置夜间时间区间，当夜间蓄水模式开始时，调节调节阀的开度，保证夜间时间区间内水箱水蓄满，夜间蓄水模式结束前确保水箱处于满水状态。
三、水龄控制仪远程模式控制
远程控制不支持手动控制，当激活远程控制时，可通过指令切断自动控制，之后可进行远程控制。水龄控制系统可通过远程控制命令打开、关闭或进行开度调整。
上位机平台通过深度学习算法利用当天的用水数据调节已有预测模型，不断对预测模型进行调整，确保水箱蓄水每天能循环更新。上位机可直接修改供水时段区间，并可设置关阀液位。
不难发现，本发明通过大数据和BP神经网络对末端用水数据进行分析，模拟出用户用水量曲线，对非高峰期、高峰期用水模式进行识别和预测，再结合水箱的储水量，自动控制二次供水设备的阀门开合度，保证水箱中自来水的动态调节，使得水箱储水每天循环更新。本发明采用可自我调节与远程控制的调节阀，使二次供水设备中的出水平均水龄得到缩短，相比定期水箱清洗与二次加氯无疑节省了人工成本与经济成本，提高了二次供水末端的水质质量。
Claims (6)
1.一种用于二次供水设备的水龄控制系统，包括流量计、液位计、调节阀、压力计、水箱和控制器，其特征在于，所述流量计用于监测实时进水流量；所述液位计用于监测水箱实时液位值；所述压力计用于监测实时压力；所述调节阀用于控制水箱进水流量大小；所述水箱用于存储用水；所述控制器分别与流量计、液位计、调节阀和压力计相连，并根据流量计、液位计和压力计的实时检测值对调节阀进行控制；所述控制器内部设有智能分析引擎，所述智能分析引擎将采集到的若干个月的用水量数据，并基于若干个月的用水量数据预测出用水量模式曲线；所述控制器通过所述用水量模式曲线对用水性质进行判定与分类，并根据所述用水量模式曲线计算出进水量曲线，再根据进水量曲线和用水量模式曲线得到水箱的蓄水量曲线，根据目标进水量对调节阀进行实时控制，具体为：将未来N小时用水量平均值作为当前进水量，得到进水量曲线，再将进水量曲线减去用水量曲线得到蓄水量曲线，当蓄水量曲线上的某点为负值时，通过在该值上加理论水箱蓄水量的最小值进行修正，其中，所述理论水箱蓄水量的最小值根据0点时刻的蓄水量为零计算得到。
2.根据权利要求1所述的用于二次供水设备的水龄控制系统，其特征在于，所述智能分析引擎通过BP神经网络预测出用水量模式曲线，并通过当天的实际用水数据，生成真实的用水量模式曲线，并计算真实的用水量模式曲线与预测的用水量模式曲线之间的误差，将所述误差反向传播到BP神经网络的各个隐含层，计算出各隐含层的误差，再根据各隐含层的误差更新权值，得到新的预测结果，利用新的预测结果对调节阀进行控制。
3.根据权利要求1所述的用于二次供水设备的水龄控制系统，其特征在于，当由于随机因素导致预测结果与当天的实际用水数据产生偏差时，所述智能分析引擎还通过卡尔曼滤波理论对预测结果进行纠偏，所述控制器根据不满足用水需求的具体情况实时调整调节阀的开度。
4.根据权利要求1所述的用于二次供水设备的水龄控制系统，其特征在于，当所述智能分析引擎通过所述预测的用水量模式曲线对用水性质判定为非高峰时段时，所述控制器通过所述压力计和液位计的变化来控制调节阀，具体为：当市政压力大于负压解除时，若液位计的检测值低至第一阈值液位，调节阀全开进水，若液位计的检测值上升至第二阈值液位，调节阀开度调节为40％，若液位计的检测值达到第三阈值液位，则调节阀关闭；当市政压力处于负压下限与负压解除之间时，若液位计的检测值低至第一阈值液位，调节阀全开进水，若液位计的检测值上升到第二阈值液位，调节阀开度调节为30％，若液位计的检测值达到第三阈值液位，调节阀自动关闭；当市政压力小于负压下限时，调节阀关闭，当液位计的检测值低至第一阈值液位，调节阀全开进水。
5.根据权利要求1所述的用于二次供水设备的水龄控制系统，其特征在于，当所述智能分析引擎通过所述预测的用水量模式曲线对用水性质判定为高峰时段时，所述控制器控制调节阀关闭，并根据上位机的指示调整调峰时段周期，当液位计的检测值低至第一阈值液位，调节阀全开进水。
6.根据权利要求1所述的用于二次供水设备的水龄控制系统，其特征在于，当所述智能分析引擎通过所述预测的用水量模式曲线对用水性质判定为夜间蓄水时段时，所述控制器控制调节阀的开度，保证在夜间蓄水时段结束前水箱处于满水状态。
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