CN117722606A - 一种适应于供水管网分区结构的管网故障多层辨识系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种适应于供水管网分区结构的管网故障多层辨识系统，包括中央单元和N个分区单元，N≥1且为正整数，中央单元分别和N个分区单元有线/无线连接；所述每个分区单元设置在供水管网对应的分区结构区域，用于采集分区结构中传感器和其它业务系统的信息，并判断故障类型；所述中央单元，用于采集各个分区单元的信息和故障类型。本发明将目前面向管网整体建立集中管网故障故障侦测系统的架构模式，改变为根据供水管网分区结构，分区分级建设再统一整合的架构模式，即包括多个分区单元和中央单元，更加贴合于供水管网的管理现状，因此技术方案更易于部署与实施。

Description

一种适应于供水管网分区结构的管网故障多层辨识系统

技术领域

本发明涉及官网技术领域，特别涉及一种适应于供水管网分区结构的管网故障多层辨识系统。

背景技术

供水管网作为生产、生活的重要基础设施，其可靠运行对于民生保障具有极其重要的意义。为保证供水管网可靠运行就必须及时发现管网故障，并且发现得越早，造成损失越小，维修成本越低，相应的供水管网可靠性就越高。

供水管网是一个由大量泵组、阀门、管道及相应控制系统构成的广域复杂系统。设备结构复杂(数量大、管路里程长、连接复杂)、周边复杂地质环境演变过程复杂、管道水力动态特性复杂等复杂情况交相复合耦合在一起，使故障的成因、演化及各阶段的表现形式非常复杂。

目前的供水管网故障侦测系统的建设思路均在于建立一个统一的诊断模型(或系统)面对整个供水管网的管网故障诊断。但因目前技术及经济条件的限制，现有技术手段表现出了较大的局限性，主要表现在以下几个方面：

(1)供水管网故障诊断模型的显著效果一般仅局限于较小规模的供水管网，当面对较大规模的供水管网时，普遍存在着建模及模型维护困难、模型诊断效果显著下降、投入产出比低等问题。

(2)管网故障诊断系统所采集的数据类型、数量有限，极大限制了故障诊断的实际使用效果。造成这种现象的主要原因是由于一般把供水管网故障诊断系统作为专题项目进行建设，独立考虑传感器等数据源，未考虑使用其他项目已存在资源，大大限制了供水管网故障诊断系统对供水管网故障的检测和诊断能力；例如相关区域临近二次供水监控系统中的水力、泵组运行数据可集中在一起，很好地用于该区域高峰时段的水压过低(缺水)故障的检测；加压泵站的电机运行故障数据，可以成为区域供水故障的故障追查源头数据。

(3)故障辨识时间滞后，故障的发生常常即是事故的发生。目前的供水管网故障诊断，主要集中在针对供水流量变化进行故障辨识。供水流量异常变化常常已是故障演变最末段呈现出来的特征，此时已出现供水事故。引起供水流量异常有诸多外因，例如周边地质破坏、源头供水泵组故障、管道锈蚀漏损等都可能引起流量异常；只有向上追溯这些源头因素，才能提前故障辨识时间，避免供水故障发生；但故障诊断系统的独立建设又限制了其获取相关应用系统中的可用数据资源，阻碍了能够基于上游故障原因进行故障诊断的模型建立。另一方面，在供水管网一张大网之上，受运营管理区域的设定，在管理上常常都被划分为更小的管理分区。各管理分区间因管理主体不同，管网数据之间一般不能直接访问。

近年来，随着DMA分区管理技术在供水管网运营管理中的推广，供水管网正在被划分为更小的管理区域。因此如何因应供水管网分区管理的结构特点，更好地建设供水管网故障辨识系统，成为了该领域的重要问题。

发明内容

针对现有技术中管网故障辨识精度、实时性较低的技术问题，本发明提出一种适应于供水管网分区结构的管网故障多层辨识系统。

为了实现上述目的，本发明提供以下技术方案：

一种适应于供水管网分区结构的管网故障多层辨识系统，包括中央单元和N个分区单元，N≥1且为正整数，中央单元分别和N个分区单元有线/无线连接；

所述每个分区单元设置在供水管网对应的分区结构区域，用于采集分区结构中传感器和其它业务系统的信息，并判断故障类型；

所述中央单元，用于采集各个分区单元的信息和故障类型。

优选地，所述分区单元包括分区数据采集模块、分区故障诊断模块和分区网关；其中，

分区数据采集模块，用于采集各传感器和其它业务系统中的信息；

分区故障诊断模块，用于根据采集的信息判断故障类型；

分区网关，用于将分区故障诊断模块的故障类型上传到中央单元。

优选地，所述分区单元还包括分区消息湖和分区数据湖；其中，

分区消息湖，用于获取分区数据采集模块中的消息并存储，形成支撑管网故障辨识的统一消息空间；

分区数据湖，用于获取分区数据采集模块中的数据并存储，形成支撑管网故障辨识的统一数据空间。

优选地，所述分区故障诊断模块包括渗漏故障侦测APP、爆管故障侦测APP。

优选地，所述中央单元包括中心数据采集模块、故障显示模块和故障分析模块；其中，

中心数据采集模块，用于采集并存储各分区单元中分区故障诊断模块上传的故障类型和信息；

故障分析模块，用于对故障类型进行检索和分析；

故障显示模块，用于显示各分区故障诊断模块输出的故障类型，同时根据信息对管网进行演进分析。

优选地，所述中央单元还包括中心消息湖和中心数据湖；其中，

中心消息湖，用于将各分区消息湖上传的消息汇聚存储，形成覆盖全系统的统一消息空间；

中心数据湖，用于将各分区数据湖内上传的数据汇聚存储，形成支撑故障诊断分析计算所需的统一数据空间。

优选地，所述中心消息湖中设置有消息映射空间，用于根据故障分析模块的需求从对应的分区消息湖中提取所需消息；所述中心数据湖中设置有数据映射空间，用于根据故障分析模块的需求从对应的分区数据湖中提取所需数据。

优选地，所述分区消息湖的消息命名规则为：

e/分区名/应用名/1级编号/2级编号/消息名/优先级；

其中，e是标志位，表示该条命名是消息命名；分区名表示生成该消息的供水分区编号；应用名表示生成该消息的应用系统、传感器或检测设备；1级编号/2级编号表示产生消息设备的编号；消息名表示对一条具体的故障消息的命名；优先级表示消息的等级。

优选地，所述分区数据湖的数据命名规则为：

d/分区名/应用名/1级编号/2级编号/变量名；

其中，d是标志位，表示该条命名是数据命名；分区名表示生成该消息的供水分区编号；应用名表示生成该消息的应用系统、传感器或检测设备；1级编号/2级编号表示产生消息设备的编号；变量名表示数据变量的名称。

综上所述，由于采用了上述技术方案，与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

1.本发明将目前面向管网整体建立集中管网故障故障侦测系统的架构模式，改变为根据供水管网分区结构，分区分级建设再统一整合的架构模式(即包括多个分区单元和中央单元)，更加贴合于供水管网的管理现状，因此技术方案更易于部署与实施。

2.本发明在分区单元布设分区故障诊断模块，即应用于规模更小的网络结构，明显降低了故障侦测系统建模、模型维护与拓展的难度，同时也显著提高了模型的侦测精度，提高了供水管网故障侦测的整体水平。

3.本发明提供了分区单元统一的消息与数据格式，解决了目前供水管网测控系统常见的数据孤岛、消息隔离等问题，使得中央单元对各分区单元中消息和数据的互联，支撑了跨分区建立大规模供水管网故障侦测系统。

4.本发明充分利用了除传感器以外的其他供水业务系统(例如加压泵站的电机运行)的数据及分析结果，使故障侦测系统建模可以使用更多的变量，为建立更加复杂的故障侦测模型提供信息支撑。

5.本发明将故障侦测的复杂分析与计算分解到了各分区单元上，充分利用了现有的供水管网计算、存储及网络资源，提升了计算与存储效率，从而提升了供水管网故障侦测的整体效率。

附图说明：

图1为根据本发明示例性实施例的一种适应于供水管网分区结构的管网故障多层辨识系统示意图。

图2为根据本发明示例性实施例的分区单元结构示意图。

图3为根据本发明示例性实施例的中央单元结构意图。

具体实施方式

下面结合实施例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

如图1所示，本发明提供一种适应于供水管网分区结构的管网故障多层辨识系统，包括中央单元和N个分区单元，N≥1且为正整数，中央单元分别和N个分区单元有线/无线连接。

本实施例中，将供水管网划分为N个分区结构，每个分区结构中设置有多个传感器，包括压力传感器、流量传感器、水位传感器等，多个传感器分别和对应的分区单元连接。

例如第一分区结构中设置有第一分区单元，第一分区结构中设置有传感器，该传感器与第一分区单元连接，即传感器将采集的数据传输到第一分区单元。

本实施例中，如图2所示，分区单元包括分区数据采集模块、分区消息湖、分区数据湖、分区故障诊断模块和分区网关。

分区数据采集模块的输入端和分区结构中各类型的传感器、供水业务系统连接，分区数据采集模块的输出端分别与分区消息湖的输入端、分区数据湖的输入端连接；分区消息湖的输出端分别与分区故障诊断模块的输入端、分区网关的输入端连接，分区数据湖的输出端分别与分区故障诊断模块的输入端、分区网关的输入端连接，分区故障诊断模块的输出端与分区网关的输入端连接。

例如第一分区单元包括第一分区数据采集模块、第一分区消息湖、第一分区数据湖、第一分区故障诊断模块和第一分区网关。

第一分区数据采集模块的输入端和第一分区结构中各类型的传感器、供水业务系统连接，第一分区数据采集模块的输出端分别与第一分区消息湖的输入端、第一分区数据湖的输入端连接；第一分区消息湖的输出端分别与第一分区故障诊断模块的输入端、第一分区网关的输入端连接，第一分区数据湖的输出端分别与第一分区故障诊断模块的输入端、第一分区网关的输入端连接，第一分区故障诊断模块的输出端与第一分区网关的输入端连接。

第二分区数据采集模块的输入端和第二分区结构中各类型的传感器、供水业务系统连接，第二分区数据采集模块的输出端分别与第二分区消息湖的输入端、第二分区数据湖的输入端连接；第二分区消息湖的输出端分别与第二分区故障诊断模块的输入端、第二分区网关的输入端连接，第二分区数据湖的输出端分别与第二分区故障诊断模块的输入端、第二分区网关的输入端连接，第二分区故障诊断模块的输出端与第二分区网关的输入端连接。

分区数据采集模块，用于采集各类型传感器监测和其它业务系统中的信息，所述信息包括数据和消息；

本实施例中，数据为本分区下设备输出的工况数据，主要为时间序列数据，例如二次供水泵房输出的进水压力、出水压力、功率等；还包括报警状态变量，主要为布尔值，例如加压装置发出的工作状态变量，加压或未加压。分区下的系统为智能化设备时，会对监控对象进行故障诊断，诊断结果会以标准消息的形式传输给分区数据采集模块，例如二次供水泵房智能监控系统会输出对电机的故障诊断消息。

分区消息湖，用于获取分区数据采集模块中的消息并存储，形成支撑管网故障辨识的统一消息空间；

本实施例中，数据是原生采集未经分析的结果，主要供上一级分析单元进行进一步分析；消息主要是智能设备分析后的结果，主要为分析结论，并附加得出分析结果的数据。

分区数据湖，用于获取分区数据采集模块中的数据并存储，形成支撑管网故障辨识的统一数据空间；

分区故障诊断模块，用于根据分区消息湖上传的消息和分区数据湖上传的数据判断故障类型；本实施例中，分区故障诊断模块包括渗漏故障侦测APP、爆管故障侦测APP，使故障诊断建模、程序设计、迭代更新都更加易于进行。

分区网关，用于将分区故障诊断模块的故障类型、分区消息湖中的消息、分区数据湖中的数据上传到中央单元中的中心数据采集模块；同时中央单元也可通过分区网关主动获取所需的消息和数据。

本实施例中，在划分的分区结构层面，将来自于各业务系统和传感器的消息流汇聚于分区消息湖，数据流汇聚于分区数据湖，在分区消息湖与分区数据湖基础上建立分区故障诊断模块，突破了传统管网故障侦测中数据类型、数据量全部汇总到中央判断故障类型的限制，为建立更加复杂的供水管网侦测模型提供信息支撑。

本实施例中，如图3所示，中央单元包括中心数据采集模块、中央消息湖、中央数据湖、故障显示模块和故障分析模块。

中心数据采集模块的输出端分别和中央消息湖的输入端、中央数据湖的输入端连接，中央消息湖的输出端、中央数据湖的输出端分别和故障显示模块的输入端连接，故障显示模块的输入端还与故障分析网关的输出端连接，故障分析网关的输入端还分别与中央消息湖的输出端、中央数据湖的输出端连接。

其中，中心数据采集模块，用于采集并存储各分区单元中分区故障诊断模块的诊断类型、分区消息湖中的消息、分区数据湖中的数据；同时可根据中心消息湖与中心数据湖的需求，从相应的分区消息湖和分区数据湖提取消息和数据；

中心消息湖，用于将各分区消息湖上传的消息汇聚在一起，形成覆盖全域的统一消息空间；分区消息湖的消息并不是全部都传递复制到中心消息湖，而是将分区故障诊断模块的故障类型以及已设定的故障分析模块分析所需的消息上传聚集至中心消息湖；但中心消息湖设置有消息映射空间，可以通过分区网关和中心数据采集模块，透明地反向提取各分区消息湖中的消息，再传递给故障分析模块。

本实施例中，故障分析模块分析所需的消息二次供水监控设备能够发出的事件，如表1所示。那么对于中心进行的能耗异常相关分析，就可以提取其中ec类型的消息，以分析分区下管网的整体能耗情况

表1、二次供水设备大类下的事件类型

中心数据湖，用于将各分区数据湖内上传的数据汇聚在一起，形成支撑中心故障诊断分析计算所需的统一数据空间。分区数据湖的消息并不是全部都传递复制到中心数据湖，而是将故障分析模块分析所需的数据传递并聚集在中心数据湖。同时中心数据湖设置有数据映射空间，可以通过分区网关和中心数据采集模块，透明地反向提取各分区数据湖中的数据，再传递给故障分析模块。

故障分析模块，是故障相关业务分析、建模与生产所需要的软件环境，技术人员可以检索中央消息湖的消息与中央数据湖的数据，创建故障侦测应用。

故障显示模块，用于显示各分区故障诊断模块输出的故障类型；同时对更长期的管网状态演进进行分析。

本实施例中，通过中央单元对各分区单元的汇总，实现覆盖多分区结构的大范围管网故障预测，以及长周期的预测和计算。

传统管网故障侦测系统只有一个中心节点，面对分区、分层次的复杂供水管网结构，进行故障侦测与诊断。如此结构的缺点包括：

目前的故障侦测算法能力有限，在面对如此复杂管网结构时效果不佳；

分区管网之间存在着数据权限、通信权限、操作权限隔离，以一个中心节点模式来管理，如何融合分区间的通信与数据，实现难度大。

因此，针对上述结构的缺点，本专利提出建立多层分布式故障诊断系统，在各分区结构建立面向该分区的分区单元，由中心单元汇总、协调各分区单元的诊断结果，有效解决以上传统结构中存在的问题。

本实施例中，传统方法中，因为是集中式管网故障侦测结构，不存在分区管网故障侦测系统的分区数据与通信融合问题。在本申请中，由于设置了多个分区单元，如果每个分区单元上传的消息和数据格式不一致，就会导致中央单元无法对消息和数据进行互联，降低工作效率。

本实施例中，对各分区单元中消息进行命名，将包括各分区消息湖与中心消息湖在内的所有消息统一在一个消息空间下，命名基本规则如下：

e/分区名/应用名(分类名)/1级编号/2级编号/消息名/优先级；

其中，e是标志位，表示该条命名是消息命名；分区名表示生成该消息的供水分区编号，例如d1、d3、d9等；应用名(分类名)表示生成该消息的应用系统(例如二次供水应用系统eg、加压泵站监控系统)，或者被分类的传感器或检测设备(例如污水多参数分析仪)；1级编号/2级编号表示产生消息设备的具体编号，提供了两级编号，当没有2级编号时使用下划符“_“占位，例如对于二次供水泵站(编号为s0001)下第2台泵组(在该泵站下的编号为2)，可命名为“s0001/2”，对于泵站整体整体使用“s0001/_”；消息名表示对一条具体的故障消息的命名，基本格式为xxx_xxx_xxx，具体命名权留给了具体应用的开发者根据自身需要进行定义，例如二次供水设备监控系统可将自身系统遇到的进水水压低的故障消息定义为pr_in_low；优先级表示消息的等级，取值为1-5，1表示优先级最高，5表示优先级最低；生成该消息的设备或应用，可根据自身的分析结果，自行确定优先级，以方便接收该消息的故障侦测应用更好地利用该消息；例如进水水压低持续时间越长，频率越高，二次供水设备监控系统便可将其发出的故障消息pr_in_low的优先级定义得越高。

例如，一条完整故障消息命名如下：

e/d2/eg/s0001/2/pr_in_low/2；

表示该消息是一条来自于分区编号为d2下的二次供水泵站s0001下的第2台泵组的进水水压低消息，消息优先级为2。

具体与产生这条消息有关的数据，例如判断水压低的数据以及其他因素，将以标准数据格式(例如JSON)包含在消息体中，以供收到该条消息的故障诊断应用进一步利用这些数据进行自身的分析。具体的消息格式，二次供水应用将以标准格式对其他应用公开。

同理，分区数据中数据的命名基本规则如下：

d/分区名/应用名(分类名)/1级编号/2级编号/变量名；

其中，d是标志位，表示该条命名是数据命名；分区名表示生成该消息的供水分区编号，例如d1、d3、d9等；应用名(分类名)表示生成该消息的应用系统(例如二次供水应用系统eg、加压泵站监控系统)，或者被分类的传感器或检测设备(例如污水多参数分析仪)；1级编号/2级编号表示产生消息设备的具体编号，提供了两级编号，当没有2级编号时使用下划符“_“占位，例如对于二次供水泵站(编号为s0001)下第2台泵组(在该泵站下的编号为2)，可命名为“s0001/2”，对于泵站整体整体使用“s0001/_”；变量名表示数据变量名称。

例如，一条完整故障数据命名如下：

e/d2/eg/s0001/2/pr_out；

该故障数据表示分区编号为d2下二次供水泵站s0001下的第2台泵组的出水水压数据。故障侦测应用可以用该命名在在跨分区的情况下准确定位到数据源，并使用该数据流。

本实施例中，首先在整体架构上将供水管网故障诊断系统划分为多级分布式系统，即低级系统面向较小范围独立分区的供水管网故障侦测，其上级系统负责更大区域以及更长周期的故障侦测，甚至是优化计算。该架构更好适应于目前供水管网的管理结构，同时也让故障诊断模型适应于其更能驾驭的较小规模的供水管网，充分发挥其性能特点。

本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本发明的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。

Claims (9)

1.一种适应于供水管网分区结构的管网故障多层辨识系统，其特征在于，包括中央单元和N个分区单元，N≥1且为正整数，中央单元分别和N个分区单元有线/无线连接；

所述每个分区单元设置在供水管网对应的分区结构区域，用于采集分区结构中传感器和其它业务系统的信息，并判断故障类型；

所述中央单元，用于采集各个分区单元的信息和故障类型。

2.如权利要求1所述的一种适应于供水管网分区结构的管网故障多层辨识系统，其特征在于，所述分区单元包括分区数据采集模块、分区故障诊断模块和分区网关；其中，

分区数据采集模块，用于采集各传感器和其它业务系统中的信息；

分区故障诊断模块，用于根据采集的信息判断故障类型；

分区网关，用于将分区故障诊断模块的故障类型上传到中央单元。

3.如权利要求2所述的一种适应于供水管网分区结构的管网故障多层辨识系统，其特征在于，所述分区单元还包括分区消息湖和分区数据湖；其中，

分区消息湖，用于获取分区数据采集模块中的消息并存储，形成支撑管网故障辨识的统一消息空间；

分区数据湖，用于获取分区数据采集模块中的数据并存储，形成支撑管网故障辨识的统一数据空间。

4.如权利要求2所述的一种适应于供水管网分区结构的管网故障多层辨识系统，其特征在于，所述分区故障诊断模块包括渗漏故障侦测APP、爆管故障侦测APP。

5.如权利要求1所述的一种适应于供水管网分区结构的管网故障多层辨识系统，其特征在于，所述中央单元包括中心数据采集模块、故障显示模块和故障分析模块；其中，

中心数据采集模块，用于采集并存储各分区单元中分区故障诊断模块上传的故障类型和信息；

故障分析模块，用于对故障类型进行检索和分析；

故障显示模块，用于显示各分区故障诊断模块输出的故障类型，同时根据信息对管网进行演进分析。

6.如权利要求5所述的一种适应于供水管网分区结构的管网故障多层辨识系统，其特征在于，所述中央单元还包括中心消息湖和中心数据湖；其中，

中心消息湖，用于将各分区消息湖上传的消息汇聚存储，形成覆盖全系统的统一消息空间；

中心数据湖，用于将各分区数据湖内上传的数据汇聚存储，形成支撑故障诊断分析计算所需的统一数据空间。

7.如权利要求6所述的一种适应于供水管网分区结构的管网故障多层辨识系统，其特征在于，所述中心消息湖中设置有消息映射空间，用于根据故障分析模块的需求从对应的分区消息湖中提取所需消息；所述中心数据湖中设置有数据映射空间，用于根据故障分析模块的需求从对应的分区数据湖中提取所需数据。

8.如权利要求6所述的一种适应于供水管网分区结构的管网故障多层辨识系统，其特征在于，所述分区消息湖的消息命名规则为：

e/分区名/应用名/1级编号/2级编号/消息名/优先级；

其中，e是标志位，表示该条命名是消息命名；分区名表示生成该消息的供水分区编号；应用名表示生成该消息的应用系统、传感器或检测设备；1级编号/2级编号表示产生消息设备的编号；消息名表示对一条具体的故障消息的命名；优先级表示消息的等级。

9.如权利要求6所述的一种适应于供水管网分区结构的管网故障多层辨识系统，其特征在于，所述分区数据湖的数据命名规则为：

d/分区名/应用名/1级编号/2级编号/变量名；

其中，d是标志位，表示该条命名是数据命名；分区名表示生成该消息的供水分区编号；应用名表示生成该消息的应用系统、传感器或检测设备；1级编号/2级编号表示产生消息设备的编号；变量名表示数据变量的名称。