用于水分配及管道的信息分析系统.pdf

一种用于水分配及管道的信息分析系统包括：数据收集单元(21)，用于以预定时间间隔接收分别从一个流量计和一个压力指示器所发送的流量数据和压力数据，所述流量计测量从水分配池流到水分配管道网络中的净水的流量，而所述压力指示器测量所述水分配管道网络内适当位置处的一个管道的压力；近似表达式计算单元(24)，用于接收由所述数据收集单元顺序地收集的一天的所述流量数据和压力数据，以基于Hazen William′s近似表达式Hloss＝10.67×L×Q1.85×α/(C1.85×D4.87)来计算数据，以及用于得到每天的虚拟管道总长度和流量校正系数作为最小二乘法的参数，以便把这样得到的值数据存储在数据库(25)中；以及在线故障检测单元(26)，用于以所述预定时间间隔来接收由所述数据收集模块(21)所收集的流量数据和压力数据、利用所述数据库(25)中所存储的参数基于上述近似表达式来计算压力值、以及当所计算的压力值与实际测量的压力值之间的水头差彼此偏差超过预定值时检测到异常值。

1、  一种用于水分配及管道的信息分析系统，其特征在于包括：
数据收集模块(21)，用于以预定时间间隔接收分别从一个流量计和一个压力指示器所发送的流量数据和压力数据，所述流量计测量从水分配池流到水分配管道网络中的净水的流量，而所述压力指示器测量所述水分配管道网络内适当位置处的一个管道的压力；
近似表达式计算模块(24)，用于接收由所述数据收集模块顺序地收集的一天的所述流量数据和压力数据，以基于如下所示的HazenWilliam′s近似表达式来计算数据，以及用于得到每天的虚拟管道总长度和流量校正系数作为最小二乘法的参数，以便把这样得到的值数据存储在管道状态掌握数据库中，
H_loss＝10.67×L×Q^1.85×α/(C^1.85×D^4.87)
其中，H_loss：水头损失
L：虚拟管道总长度(m)
Q：流量计的指示值
C：流速系数
D：管道直径(mm)
α：水分配区段的流量校正系数；以及
在线故障检测模块(26)，用于以预定时间间隔来接收由所述数据收集模块所收集的流量数据和压力数据、利用所述管道状态掌握数据库中所存储的参数基于Hazen William′s近似表达式来计算压力值、以及当所计算的压力值与实际测量的压力值之间的水头差彼此偏差预定值或更多时检测到异常值。

2、  一种用于水分配及管道的信息分析系统，其特征在于包括：
数据收集模块(21)，用于以预定时间间隔接收分别从一个流量计和一个压力指示器所发送的流量数据和压力数据，所述流量计测量从水分配池流到水分配管道网络中的净水的流量，而所述压力指示器测量所述水分配管道网络内适当位置处的一个管道的压力；
近似表达式计算模块(24)，用于接收由所述数据收集模块顺序地收集的一天的所述流量数据和压力数据，以基于如下所示的HazenWilliam′s近似表达式来计算数据，以及用于得到每天的虚拟管道总长度和流量校正系数作为最小二乘法的参数，以便把这样所计算的值数据存储在管道状态掌握数据库中，
H_loss＝10.67×L×Q^1.85×α/(C^1.85×D^4.87)
其中，H_loss：水头损失
L：虚拟管道总长度(m)
Q：流量计的指示值
C：流速系数
D：管道直径(mm)
α：水分配区段的流量校正系数；以及
管道状态分析模块(27)，用于识别管道状态同时监视存储在所述管道状态掌握数据库中的每天的参数值，所述分析模块具有学习功能，其把所述参数的组合标记为学习项目并且把所述管道网络分类为模式。

3、  根据权利要求1或权利要求2所述的用于水分配及管道的信息分析系统，其特征在于还包括：
每日时滞补偿模块(23)，具有用于接收由所述数据收集模块收集的所述流量数据和压力数据并存储一天的所述数据的存储器，所述每日时滞补偿模块用于选择存储于所述存储器中的表示一天的流量数据和压力数据之间的最高相关性的时滞，以补偿所述时滞并且用于向所述近似表达式计算模块顺序地提供所述一天的补偿过的流量数据和压力数据。

用于水分配及管道的信息分析系统
技术领域
本发明涉及一种用于水分配及管道的信息分析系统，其对有关水分配及管道的信息进行分析、接收关于从一配水池中流到水分配管道网络中的净水的流入量的数据以及关于在水分配管道网络中适当选择的一个位置的压力的数据。
背景技术
在日本，通常在滤水厂对取自河流中的原水进行净化以获得净水，净水由水泵压入水分配池，然后在自然流动下从这个池中被送出并分配到水分配管道网络中。当把水从水分配池分配到水分配管道网络中时，如果水分配区域处于地形起伏的地区则很难在水分配管道网络中适当地保持水压。
近来，有一些地方把水分配管道网络分成几个区段并进行管理，或者采用减压阀以便根据地形起伏来减弱水压的改变。这能够适度地保持水压，从而减少了从水分配管道网络中漏水并节约了净水，这将有助于提高供水交易中的利润。
在常规供水监控系统中，在水分配管道网络中管道的所需位置处安装了流量计和压力指示器以便测量管道的流量和压力，并根据这些测量值来监视水分配管道网络的状态。在这种情况下，这些测量数据用于创建压力控制和流量控制的反馈信号、通过设置流量的上限/下限来检测异常值以及创建每日和每月报告作为基本信息。
在常规供水监控系统中，仅按时间收集数据但是对所收集的测量数据既不进行分析也不使用来维护和管理水分配管道网络。
因此，很难掌握以秒为单位发生变化的水量分配管道网络的状态以及由水分配管道网络的老化变质所引起的漏水。
另外，作为一种用于掌握水分配管道网络的状态的方法，通常执行管道网络分析，但是它必须预先设置必要的数据，包括水分配管道的信息、设置管道的高度以及每个点的流量数据，从而通过模拟来分析管道网络。因此，需要花费很长时间和许多劳力。
考虑到上述情况提出本发明，并且本发明的目的在于提供一种用于水分配及管道的信息分析系统，所述系统总是可以在水分配管道网络中适当地保持压力并且可以充分地了解以秒为单位发生变化的水分配管道网络的状态。
发明内容
为了实现上述目的，本发明提供了一种由以下结构所组成的水分配/管道信息分析系统。
根据本发明第一个方面的一种用于水分配及管道的信息分析系统包括：数据收集模块，用于以预定时间间隔接收分别从一个流量计和一个压力指示器所发送的流量数据和压力数据，所述流量计测量从水分配池流到水分配管道网络中的净水的流量，而所述压力指示器测量所述水分配管道网络内适当位置处的一个管道的压力；近似表达式计算模块，用于接收由所述数据收集模块顺序地收集的一天的所述流量数据和压力数据，以基于如下所示的Hazen William′s近似表达式来计算数据，以及用于得到每天的虚拟管道总长度和流量校正系数作为最小二乘法的参数，以便把这样得到的值数据存储在管道状态掌握数据库中，
H_loss＝10.67×L×Q^1.85×α/(C^1.85×D^4.87)
其中，H_loss：水头损失
L：虚拟管道总长度(m)
Q：流量计的指示值
C：流速系数
D：管道直径(mm)
α：水分配区段的流量校正系数；以及在线故障检测模块，用于以预定时间间隔来接收由所述数据收集模块所收集的流量数据和压力数据、利用所述管道状态掌握数据库中所存储的参数基于HazenWilliam′s近似表达式来计算压力值、以及当所计算的压力值与实际测量的压力值之间的水头差彼此偏差预定值或更多时检测到异常值。
根据本发明第二方面的一种用于水分配及管道的信息分析系统包括：数据收集模块，用于以预定时间间隔接收分别从一个流量计和一个压力指示器所发送的流量数据和压力数据，所述流量计测量从水分配池流到水分配管道网络中的净水的流量，而所述压力指示器测量所述水分配管道网络内适当位置处的一个管道的压力；近似表达式计算模块，用于接收由所述数据收集模块顺序地收集的一天的所述流量数据和压力数据，以基于如下所示的Hazen William′s近似表达式来计算数据，以及用于得到每天的虚拟管道总长度和流量校正系数作为最小二乘法的参数，以便把这些参数存储在管道状态掌握数据库中，
H_loss＝10.67×L×Q^1.85×α/(C^1.85×D^4.87)
其中，H_loss：水头损失
L：虚拟管道总长度(m)
Q：流量计的指示值
C：流速系数
D：管道直径(mm)
α：水分配区段的流量校正系数；以及管道状态分析模块，用于识别管道状态同时监视存储在所述管道状态掌握数据库中的每天的参数值，所述模块具有学习功能，其把所述参数的组合标记为学习项目并且把所述管道网络分类为模式。
根据本发明第三方面的一种用于水分配及管道的信息分析系统，在第一和第二方面的系统之一中，还包括：每日时滞补偿模块，具有用于接收由所述数据收集模块收集的所述流量数据和压力数据并存储一天的所述数据的存储器，所述每日时滞补偿模块用于选择存储于所述存储器中的表示一天的流量数据和压力数据之间的最高相关性的时滞，以补偿并且向所述近似表达式计算模块顺序地提供所述一天的流量数据和相关压力数据。
根据本发明的系统，有可能在水分配管道网络中总是适当地保持压力并且充分地识别以秒为单位发生变化的水分配管道网络的状态。
附图说明
图1是显示一种应用于根据本发明的用于水分配及管道的信息分析系统的处理的示意图；
图2是显示一种根据本发明的用于水分配及管道的信息分析系统的第一实施例的方框图；
图3A是显示其中在日平均供水与全国的供水交易单位的数目之间的相关性不呈正态分布的常规情况的图表；
图3B是显示其中相关性呈正态分布的本发明的情况的图表；
图4是用数字显示将要分析的水分配区段的内部结构的具体例子的视图；
图5是根据第一实施例，显示由图4所示的用于分析水分配区段的水分配信息分析系统的分析结果的视图；
图6是显示一种根据本发明的用于水分配及管道的信息分析系统的第二实施例的方框图；
图7是当把管道网络表示为一条管道时用于阐明流量损耗的示意图；
图8是根据第二实施例，以放大的方式显示在一个时段中流入量与水头之间的相关性的图表，其中该相关性是由在线故障检测器发现的；
图9是根据第二实施例，在流量校正系数α与虚拟管道总长度L之间的相关性图表，作为由管道状态分析单元分析的结果的一个例子；以及
图10是根据第二实施例，在解决减压阀的故障之后的一个时段中从压力和流量的测量数据中获得的在流量校正系数α与虚拟管道总长度L之间的相关性图表，作为由管道状态分析单元分析的结果的一个例子。
具体实施方式
将参考附图来描述本发明的实施例。
图1是显示一种应用于根据本发明的用于水分配及管道的信息分析系统的处理的示意图。
如图1中所示，所述系统用于其中把净水从一个水分配池1提供到水分配管道网络(在下文中称为水分配区段)2的处理。它具有用于测量水分配区段2的入口附近的净水注入管道3中的净水的流入量的流量计4以及用于在水分配区段2内的适当管道中测量水分配区段2内的水分配压力的压力指示器5。由流量计4和压力指示器5所测量的数据被传送到用于水分配及管道的信息分析系统10。
当由一个流量计4和一个压力指示器5来监视如上所述的从水分配池1提供到水分配区段2的水分配量时，必须基于全国供水统计的日平均供水来应用这种目标(object)供水交易的内容，以比较供水交易的特性(characteristics)。
根据全国供水统计的日平均供水范围广阔分布在1,000m³/d到4500,000m³/d之间，并且在用供水除以常规水分配量的柱状图中它不是正态分布的。因此，没有正态分配水量的区域，不能获得关于全国供水统计的目标分配区段的日平均供水的等级。
因此，根据本发明，用正态分布转换公式来转换全国供水统计中的日平均供水以预先得到正态分布柱状图。通过利用从这个柱状图中所获得的平均值和方差值，对从关于上述分配区段的数据所获得的日平均供水进行分析，所述数据是在预定周期(例如5秒的周期)由流量计4和压力指示器5所收集的，借此有可能识别出具有概率的供水规模，而不必通过利用在另一个要被分析的供水区段中的日平均供水来检验供水统计。
图2是显示一种根据本发明的用于水分配及管道系统的信息分析系统的第一实施例的方框图。
在图2中，参考标记11表示其中存储了根据全国供水统计的每个供水交易单位的实际日平均供水数据的数据库。操作单元12从该数据库11中获得每个日平均供水数据，并且用在下列公式(1)中所示的正态分布转换公式来转换该日平均供水。根据全国供水统计的每个供水交易单位的日平均供水的柱状图是正态分布的，并且被存储在盘13中作为日平均供水指标(平均值和方差值)。
V＝log₁₀(Q/1000)^(1/2.5)…(1)
以图表来表示数据库11中所存储的在整个国家中每个供水交易单位的日平均供水分配，如图3A中所示，其中横坐标是日平均供水，纵坐标是交易单位的数目。如从图3A中显而易见的那样，即使得到了常规水分配量的日平均供水的柱状图，也可以发现该柱状图不是正态分布的。
另一方面，以如在图3B中所示的图表来表示由上述公式(1)所转换的在整个国家中每个供水交易单位的日平均供水分布。如从图3B中所显而易见的那样，日平均供水是正态分布的并且可以从该正态分布的日平均供水指标来获得平均值和方差值。
接下来，将会描述一种装置，其根据日平均供水指标获得供水交易单位将期望被核实的供水规模占整个国家规模的百分比是多少，其中在所述日平均供水指标中全国水系统交易单位的每个日平均供水是正态分布的。
如图2中所示，将要被分析的水分配区段中的日平均供水数据提供给操作单元14，并且操作单元14根据上述公式(1)来转换该日平均供水以及把结果值提供给规模分析装置15。规模分析装置15具有正态分布概率表(未例示)，其中预先存储了在上述盘13中存储的日平均供水指标(平均值和方差值)，规模分析装置15基于正态分布概率表中所存储的平均值和方差值计算在操作单元14中所转换的值在整个国家规模中的百分比并输出结果。
此处，在图5中显示了利用上述水分配信息分析系统，对具有如图4中所示规模的水分配区段A和B(作为具体的水分配区段)进行分析的结果。
当由上述水分配信息分析系统对图4中所示的水分配区段A和水分配区段B中的每个日平均供水进行分析时，水分配区段A和B中的每个日平均供水是如图5所示正态分布的，并且可以对全国的全部供水交易单位来比较通过在横坐标上划分供水量而得到的日平均供水。当从每一天供水人口数的观点来看上述水分配区段A和B时，发现它们位于工厂数较多的地方并且它们是在日本的供水交易中具有典型规模的工厂。
用这种方式，在本发明的第一实施例中，预先得到了通过利用正态分布转换公式(1)对根据全国供水统计的日平均供水进行转换所获得的正态分布柱状图，以及利用从这个柱状图中所获得的平均值和方差值对要被分析的在水分配区段中的日平均供水进行分析，借此从全国供水统计的观点来看易于识别出在水分配规模中所监视的区段对应于什么规模的交易单位，而不必以传统方式用全国供水统计对它进行检验。
图6是显示根据本发明第二实施例的用于水分配及管道的信息分析系统的方框图。
在图6中，参考标号21是数据收集单元，其每隔一定时间间隔(例如每隔0.85秒)接收分别由一流量计4和一压力指示器5所测量的流量数据和压力数据，所述流量计4安装在水分配区段2入口附近的净水注入管道3中，所述压力指示器5安装在水分配区段2内的适当管道中，如图1中所示。参考标号22是数据转换器，其把由数据收集单元21收集的流量数据和压力数据转换成计算所需时间间隔的数据，例如5秒时间间隔的数据。
参考标号23是每日时滞补偿单元，其接收由数据转换器22所转换的流量数据和压力数据，把一天的数据存储在单元23中所提供的存储器(未例示)中，并且选择显示出存储器中所存储的一天的流量数据和压力数据之间最高相关性的时滞以补偿该滞后。因为分别从流量计4和压力指示器5发送的数据之间的测量具有各自的时滞，所以每日时滞补偿单元23要对这些时滞进行补偿以得到相关数据。即，因为流量计4的输出和压力指示器5的输出不是同时得到的，所以不可能正确地得到Hazen William′s公式(随后描述)的计算结果。因此，为了执行正确的计算，当流量数据和压力数据具有最高相关性时出现的时滞被补偿为零。
参考标号24是近似表达式计算单元，其每隔5秒顺序地接收由每日时滞补偿单元23所补偿的一天的流量数据和压力数据，以及基于变形的Hazen William′s公式(以下具体阐述)来计算近似压力，把虚拟管道总长度L和每天的流量校正系数α处理为在最小二乘法中的参数。当所计算的近似压力与所测量的压力之间的最小二乘差变得最小时可得到近似压力。参考标号25是管道状态掌握数据库，其存储了由该近似表达式计算单元24所得到的参数。
参考标号26是在线故障检测器，其在每隔5秒从数据转换器22接收流量数据和压力数据的同时利用存储在管道状态掌握数据库25中的参数基于Hazen William′s近似表达式来计算压力值，并且当在上述压力值与实际测量的压力值之间的水头差偏差超过预定值(例如，2.5m或3.3m或更多)时检测到异常值。
参考标号27是管道状态分析单元，其具有学习功能，能够识别管道状态，同时监视存储在管道状态掌握数据库单元25中的虚拟管道总长度L和每天的流量校正系数α的值、把所述参数的组合(portfolio)标记为学习项目、以及把管道网络分类为模式。
例如，假定总长度L在五个级别中变化，并且流量校正系数α也在五个级别中变化，那么管道网络将会具有25种类别或模式。例如，当总长度L处于第三级(L＝3)而流量校正系数α处于第二级(α＝2)时，管道网络被标记为“标记2”。因而，有可能用这种标记处理来对管道网络的特性进行分类。
参考标号28是数据显示器，其显示了由在线故障检测器26所检测的异常值以及由数据转换器22所转换的5秒时间间隔的流量数据和压力数据。
接下来，将描述如上所述构建的用于水分配及管道的信息分析系统的功能。
当数据收集单元21接收分别由流量计4和压力指示器5所测量(例如每隔0.85秒)的流量数据和压力数据时，由数据转换器22把该流量数据和压力数据转换为例如5秒时间间隔的数据并且提供给每日时滞补偿单元23。
每日时滞补偿单元23把从数据转换器22提供的一天的流量数据和压力数据存储在存储器中(未例示)并且选择显示出在流量数据和压力数据之间的最高相关性的时滞以补偿滞后。
当近似表达式计算单元24顺序地接收已补偿了一天时滞的5秒时间间隔的流量数据和压力数据时，它基于公式(2)中所示的变形的Hazen William′s公式来执行计算，以得到每天的虚拟管道总长度L和流量校正系数α作为最小二乘法的参数。
H_loss＝10.67×L×Q^1.85×α/(C^1.85×D^4.87)    …(2)
其中，H^loss：水头损失(water head loss)
L：虚拟管道总长度(m)
Q：流量计的指示值
C：流速系数(设为110)
D：管道直径(在这种情况下，设为图4中所示的流入管道直径500[mm])
α：水分配区段的流量校正系数。
Hazen William′s公式主要是用于计算一个管道的水头损失的公式，但是它是用于管道网络的。在这种情况下，因为管道网络不是由一个管道形成的，所以在一些情况下即使以相同的流量水头损失也会变得很大。因此，用于提高表观流量的系数α被引入变形的公式(2)。
更具体地说，通过由变形的Hazen William′s公式所得到的近似值，能够由一个虚拟管道来近似出管道网络的流量和压力，并且可以相互比较它们的特性。在这种情况下，因为不虚拟提高它的流量，有压降的管道就不能显示出损耗，所以采用了在它的流量部分有α的近似表达式并且所述近似法用于提取参数，其中这个表达式与实际测量之间的最小二乘差是最小的。即，当提高表观流量时，例如，将会提高由水流阻力所引起的管道损耗，这可以通过管道中压力的降低来进行识别。
此处，当由如图7中所示的一个管道来表示管道网络时，水头损失为
H_loss＝R×Q^1.85×α
其中，R＝10.67×L/C^1.85×D^4.85
L：虚拟管道总长度，C：流速系数，D：管道直径。
用这种方法得到的每日虚拟管道总长度L存储在管道状态掌握数据库25中，以从上述表示式中获得的R和流量校正系数α作为参数。符号R表示通常管道阻力，其明确地与管道中的流量无关地被确定。因为流速系数C和管道直径D是预先确定的，所以可以根据虚拟管道总长度L的值来确定管道阻力R。
接下来，将会描述水分配区段2中的反常状态的在线检测功能。
当在线故障检测器26从数据库转换器22中以5秒的时间间隔接收流量数据和压力数据时，把参数R和α以及例如前一天的存储在管道状态掌握数据库25中的实际测量的流量数据提供给HazenWilliam′s近似表达式以便计算压力值，并且把这个压力值和实际测量的压力值提供给数据显示器27。
图8是以放大的方式显示在趋势图的一个时区(13:00到13:30)中流入量与水头之间的关系的图表，所述趋势图是由数据显示器27所显示的水分配区段2中的每日流量与每日水头的趋势图。
在图8中，流量随时在改变，通过公式(2)中所示的近似表达式计算流量与水头之间的关系而得到的压力如细线波形所示，实际测量的压力如粗线波形所示。
当在近似表达式中把上/下限设置为±2.5[m]时，可以通过把超出上/下限的图8中的部分C和D作为水头的异常改变来检测流量的异常改变。
接下来，将会描述水分配区段2中的状态改变检测功能。
管道状态分析单元27对存储在管道状态掌握数据库25中的每天的虚拟管道总长度L和流量校正系数α的值进行监视，以便识别管道状态，并且它具有将参数的组合标记为学习项目并把管道网络分类为模式的学习功能。
图9显示了当用于保持水压而被设置的减压阀正常操作的时期期间，从压力和流量的测量数据中得到的流量校正系数α与虚拟管道总长度L之间的相关性图表的例子。
如图9中所示，流量校正系数α分布于1.57到1.71的范围内，而虚拟管道总长度L分布在45,000[m]到66,000[m]的范围内。因此，当减压阀正常工作时，水分配区段2中的管道阻力会升高，并且在公式(2)中所示的近似表达式中的虚拟管道总长度L增加，并且因此流量校正系数α也增加。换句话说，当长度L和系数α之间的相关性如图9的图表所示那样变化时，有可能识别管道网络中的减压阀正在正常工作。
图10显示了在解决了减压阀故障之后的一段时期期间，从压力和流量的测量数据中得到的流量校正系数α与虚拟管道总长度L之间的相关性图表的例子。
如图10中所示，流量校正系数α在0.97到1.13的范围内变化，而虚拟管道总长度L在11,000[m]到16,800[m]的范围内变化。这来自下述事实，即，解决了减压阀的故障并且减压阀的二级(secondary)侧压变得正常，并且从而可以发现虚拟管道总长度变短并且流量校正系数α的值在“1”附近变化。例如，如果即使在减压阀无效以后管道中还是出现了指定的压力损耗，那么可以确定减压阀处于故障状态。
用这种方法，通过由管道状态分析单元21对存储在管道状态数据库25中的每天的虚拟管道总长度L和流量校正系数α的参数进行监视并且假定这些值的变化趋势，有可能识别出由减压阀故障所引起的水分配区段的状态方面的变化。