一种水箱错峰调蓄管理系统的制作方法

本发明涉及水箱供水系统技术领域，尤其涉及一种水箱错峰调蓄管理系统。

背景技术：

目前水务终端供水分为两部分，一部分是市政管网直供水，一部分是通过加压设备进行二次供水。其中，水箱就是二次供水的一种方式，其方法为将自来水泄在水箱中，当用户供水高峰时期，就利用水箱的水进行供应，解决水不够的问题。

目前行业内水箱普遍采用浮球阀进行液位控制，浮球阀的控制方式特点在于，一旦监测到水箱液位下降，就会打开阀门向水箱进水。而通常液位下降一般发生在用户用水高峰时段，这样容易导致水箱在用户用水高峰时段集中向市政管网取水，造成市政管网压力骤降，影响直供区用户用水。

采用浮球阀进行液位控制存在以下问题：(1)浮球阀控制逻辑简单，且不符合实际居民用水需求；(2)城市大量水箱无法进行合理蓄水调度，导致高峰时段用水量不足；(3)没有根据用户用水习惯，进行精细化水箱的蓄水。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的上述问题，现提供一种水箱错峰调蓄管理系统。

具体技术方案如下：

一种水箱错峰调蓄管理系统，应用于水箱供水系统中，所述水箱供水系统包括多个终端设备，每个所述终端设备用于记录用水区域的每个水箱的日用水量，其中，所述水箱错峰调蓄管理系统包括：

一数据采集单元，用于采集所述用水区域的每个所述水箱的日用水量；

一数据分析单元，连接所述数据采集单元，根据所述用水区域的每个所述水箱的日用水量，分析出所述用水区域的用水规律并处理得到每个所述水箱的蓄水结束时刻；

一动态调整单元，连接所述数据分析单元，根据每个所述水箱的物理尺寸参数构建一蓄水初始顺序，结合每个所述水箱的蓄水结束时刻以及预设的蓄水开始时刻、蓄水预计时间对所述蓄水初始顺序进行优化，以确定所述水箱的蓄水顺序并输出；

一控制单元，连接所述动态调整单元，用于按照所述动态调整单元输出的所述蓄水顺序控制外部的蓄水装置依次对所有的所述水箱进行蓄水。

优选的，所述数据分析单元包括一蓄水结束时刻分析模块，所述蓄水结束时刻分析模块包括：

一数据采集子模块，按照一预设的采集周期对所述用水区域的每个所述水箱的日用水量进行采集；

一数据归类子模块，连接所述数据采集子模块，对采集得到的所述用水区域的每个所述水箱的日用水量以及所述用水区域的用水时间段进行统计，以得到所述用水区域的每个用水高峰时段；

一数据分析子模块，连接所述数据归类子模块，用于将所述水箱的第一个用水高峰时段的结束时刻作为一次蓄水过程中所述水箱的蓄水结束时刻。

优选的，所述蓄水结束时刻分析模块还包括：

一数据采集子模块，按照一预设的采集周期对所述用水区域的每个所述水箱的日用水量进行采集；

一数据归类子模块，连接所述数据采集子模块，用于根据所述日用水量分别处理得到每个所述水箱的每个用水高峰时段；

一数据分析子模块，连接所述数据归类子模块，用于将所述水箱的第一个用水高峰时段的结束时刻作为所述水箱的蓄水结束时刻。

优选的，所述数据采集子模块按照预设的时段分类标准，将采集到的每个所述水箱的所述日用水量至少分为两类；

每类所述水箱的所述日用水量对应一类预设的时段归类方法；

所述数据归类子模块分别根据每类所述时段归类方法对相应类别的所述日用水量进行处理，以得到每个所述水箱的每个所述用水高峰时段。

优选的，所述数据采集子模块根据预设的时段分类标准，将采集到的所述日用水量分为节假日时段的日用水量和工作日时段的日用水量。

优选的，所述动态调整单元包括：

一第一获取模块，分别获取所述用户区域的每个所述水箱的物理尺寸参数，所述物理尺寸参数包括每个所述水箱的高度参数、周长参数以及面积参数中的一类参数；

一第一排序模块，连接所述第一获取模块，根据所述用户区域的每个所述水箱的所述物理尺寸参数构建一蓄水初始顺序；

于所述第一获取模块中，根据所述物理尺寸参数由高至低对所述水箱进行排序，以构建所述蓄水初始顺序。

优选的，所述动态调整单元还包括：

一第二获取模块，分别获取所述用户区域的每个所述水箱的进口流速、所述蓄水开始时刻、所述蓄水结束时刻以及所述蓄水预计时间；

一第二排序模块，分别连接所述第二获取模块和所述第一排序模块，用于根据每个所述水箱的进口流速、蓄水开始时刻、蓄水结束时刻以及蓄水预计时间对所述蓄水初始顺序进行排序，以处理得到多个水箱蓄水顺序；

一优化模块，连接所述第二排序模块，采用遗传算法对多个所述水箱蓄水顺序进行优化，以确定所述水箱的蓄水顺序。

优选的，所述第一排序模块根据每个所述水箱的放置点以及放置空间对所述蓄水初始顺序进行排序，以处理得到所述蓄水初始顺序。

本发明的技术方案有益效果在于：提供一种水箱错峰调蓄管理系统，通过分析用户区域的每个水箱的用水情况，根据实际情况，调整水箱的蓄水时间，并根据蓄水时间合理安排整个城市的水箱排程，保证水箱错峰蓄水，符合实际居民的用水需求，并且能够根据居民的用户习惯，对每个水箱进行精细化的蓄水。

附图说明

参考所附附图，以更加充分的描述本发明的实施例。然而，所附附图仅用于说明和阐述，并不构成对本发明范围的限制。

图1为本发明的实施例的水箱错峰调蓄管理系统的原理框图；

图2为本发明的实施例的水箱错峰调蓄管理系统的蓄水结束时刻分析模块的原理框图；

图3为本发明的实施例的水箱错峰调蓄管理系统的季节温度变化的数据采集的散点分布图；

图4a-4c为本发明的实施例的水箱错峰调蓄管理系统的节假日变化的高峰时段分析图；

图5为本发明的实施例的水箱错峰调蓄管理系统的动态调整单元的实施例一的原理框图；

图6为本发明的实施例的水箱错峰调蓄管理系统的动态调整单元的实施例二的原理框图；

图7a-7d为本发明的实施例的水箱错峰调蓄管理系统的放置点的实施例的结构示意图；

图8a-8c为本发明的实施例的水箱错峰调蓄管理系统的放置空间的实施例的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。

本发明包括一种水箱错峰调蓄管理系统，应用于水箱供水系统中，水箱供水系统包括多个终端设备，每个终端设备用于记录用水区域的每个水箱的日用水量，其中，水箱错峰调蓄管理系统包括：

一数据采集单元1，用于采集用水区域的每个水箱的日用水量；

一数据分析单元2，连接数据采集单元1，根据用水区域的每个水箱的日用水量，分析出用水区域的用水规律并处理得到每个水箱的蓄水结束时刻；

一动态调整单元3，连接数据分析单元2，根据每个水箱的物理尺寸参数构建一蓄水初始顺序，结合每个水箱的蓄水结束时刻以及预设的蓄水开始时刻、蓄水预计时间对蓄水初始顺序进行优化，以确定水箱的蓄水顺序并输出；

一控制单元4，连接动态调整单元3，用于按照动态调整单元3输出的蓄水顺序控制外部的蓄水装置依次对所有的水箱进行蓄水。

通过上述水箱错峰调蓄管理系统的技术方案，如图1所示，该水箱错峰调蓄管理系统应用于水箱供水系统中，针对一个水箱一个水箱进行统计，例如，可以采用水表或传感器记录用水区域的每个水箱的日用水量。因每个水箱的蓄水开始时刻、蓄水结束时刻以及蓄水预计时间不同，首先通过数据采集单元1采用该用水区域的每个水箱的日用水量，例如，采用水表或传感器对某一社区作为用水区域的每个水箱的日用水量进行统计。因用户区域的每个水箱在长年累月的不间断地运行，数据采集单元1还可以对该水箱的终端设备的运行频率进行记录，其中，记录的数据通过质量分析去除异常值、进行适当的统计分析得到可信度较高、质量较好且较为完整的元数据。

进一步地，采用数据分析单元2还可以对终端设备的运行频率的历史数据进行横向和纵向分析，可以找出该用户区域的用水周期性规律，例如，该用户区域的每个水箱的用水情况会呈现出两条明显的波峰脊，高峰时段是8:00am-9:00am与18:30pm-20:00pm，波峰脊表明了该终端设备的运行频率的高峰时段，间接反映了该用户区域的用水高峰时段的周期性规律，相应的可以计算该用户区域的每个水箱的高峰时段的用水周期规律，并折算成水箱蓄水结束时刻，即最终得到水箱的用水规律。

进一步地，采用动态调整单元3根据每个水箱的物理尺寸参数，构建一蓄水初始顺序，其中，物理尺寸参数包括高度参数、周长参数以及面积参数中的而一类参数，例如，根据水箱的周长来筛选，水箱越规整，越靠前排列；或根据水箱的面积来筛选，水箱的面积越大，越靠前排列；或根据水箱的高度来筛选，水箱的高度越高，越靠前排列，减小因为个别高度过高放在最后排列，而导致整个排列的高度增加。

进一步地，结合每个水箱的蓄水开始时刻、蓄水结束时刻以及蓄水预计时间对蓄水初始顺序进行排序，以确定水箱的蓄水顺序并输出，采用控制单元4按照动态调整单元3输出的蓄水顺序控制外部的蓄水装置依次对所有的水箱进行蓄水。

进一步地，通过分析用户区域的每个水箱的用水情况，根据实际情况，调整水箱的蓄水时间，并根据蓄水时间合理安排整个城市的水箱排程，保证水箱错峰蓄水，符合实际居民的用水需求，并且能够根据居民的用户习惯，对每个水箱进行精细化的蓄水。

需要说明的是，上述技术方案中，蓄水开始时刻以及蓄水预计时间可以进行预先设置或根据终端设备采集用水区域的每个水箱的日用水量分析得到或可以采用现有技术中的任意方法分析得到，在此不再赘述。

上述技术方案中，作为较优的实施方式，如图2所示，数据分析单元2包括一蓄水结束时刻分析模块20，蓄水结束时刻分析模块20包括：

一数据采集子模块200，按照一预设的采集周期对用水区域的每个水箱的日用水量进行采集；

一数据归类子模块201，连接数据采集子模块200，对采集得到的用水区域的每个水箱的日用水量以及用水区域的用水时间段进行统计，以得到用水区域的每个用水高峰时段；

一数据分析子模块202，连接数据归类子模块201，用于将水箱的第一个用水高峰时段的结束时刻作为一次蓄水过程中水箱的蓄水结束时刻。

在该实施例中，可根据季节温度变化和节假日变化对用水区域的每个水箱的日用水量进行分析，以得到水箱的蓄水结束时刻，季节温度变化通常是缓慢线性变化的，即通过滑动平均法，例如每隔一周，取前三周的数据进行分析，首先进行数据采集，例如采集若干月的数据，形成以下散点图，如图3所示，接着进行更换周期，例如默认一般每2周重新计算一次，周期可以变化，但需要保证更换周期较为频繁，然后采集步长，例如以计算当天开始倒推前60天的数据(可根据计算速度要求和数据量需求的不同情况改成30天、60天、90天不等)，最后进行数据归类，通过聚类算法，该聚类算法为将相近数据分为一类，例如，如图3所示，一共分为7类，在这7类中，我们再进行划归，分为用户用水高峰时段、低峰时段和正常用水时段，其中，1、2类归为低峰时段，3、4、5类归为正常用水时段，6、7类归为高峰时段。

进一步地，最后确定高峰时段开始和结束时刻，例如在同一时间线上，6类的数据少于5个点(占90天的5％左右)，则不算在高峰时段时间内。因此，确定第一个高峰时段开始和蓄水结束时刻分别为a、b，同理也可以得到第二个高峰时段的开始和蓄水结束时刻，即得到水箱的第一个用水高峰时段的结束时刻作为一次蓄水过程中水箱的蓄水结束时刻。

需要说明的是，在更换周期时，当没有按照季节进行划分时，每个季度计算一次。由于温度季节的变化是缓慢有规律的，因此用户的用水规律也是逐步变化，因此计算周期取在两周，两周之内温度变化不会过大，也应该把季节变化因素考虑到，在此不再赘述。

上述技术方案中，作为较优的实施方式，如图2所示，蓄水结束时刻分析模块20还包括：

一数据采集子模块200，按照一预设的采集周期对用水区域的每个水箱的日用水量进行采集；

一数据归类子模块201，连接数据采集子模块200，用于根据日用水量分别处理得到每个水箱的每个用水高峰时段；

一数据分析子模块202，连接数据归类子模块201，用于将水箱的第一个用水高峰时段的结束时刻作为水箱的蓄水结束时刻。

上述技术方案中，作为较优的实施方式，数据采集子模块200按照预设的时段分类标准，将采集到的每个水箱的日用水量至少分为两类；

每类水箱的日用水量对应一类预设的时段归类方法；

数据归类子模块201分别根据每类时段归类方法对相应类别的日用水量进行处理，以得到每个水箱的每个用水高峰时段。

上述技术方案中，作为较优的实施方式，数据采集子模块200根据预设的时段分类标准，将采集到的日用水量分为节假日时段的日用水量和工作日时段的日用水量。

在该实施例中，将节假日、工作日等不同时间的用户用水情况分类进行计算，首进行普通分类，例如将用水区域的每个水箱的用水时间分为节假日、周末和工作日，如图4a-4c的高峰时段分析图所示，普通周末的高峰时段和法定节假日的高峰时段发生时间非常接近，因此将周末和法定节假日分为一类，工作日分为另一类；然后分别进行数据的采集和计算。例如，可以将工作日数据与节假日和周末数据分别进行建模分析，不同类型数据使用模型不同，以此计算用户区域的每个水箱的开始与结束时刻。

进一步地，对采集的两类用水时间的每个水箱的日用水量进行细分，该细化包括分为周一、周五、周二到周四、周六周日节假日，由于不同时间段居民用水情况有差别，周一早上用水量，周五晚用水量和其他工作日的用水量情况不同。进而，确定水箱的第一个用水高峰时段的结束时间以作为水箱的蓄水结束时刻。

上述技术方案中，作为较优的实施方式，如图5所示，动态调整单元3包括：

一第一获取模块30，分别获取用户区域的每个水箱的物理尺寸参数，物理尺寸参数包括每个水箱的高度参数、周长参数以及面积参数中的一类参数；

一第一排序模块31，连接第一获取模块30，根据用户区域的每个水箱的物理尺寸参数构建一蓄水初始顺序；

于第一获取模块30中，根据物理尺寸参数由高至低对水箱进行排序，以构建蓄水初始顺序。

在该实施例中，首先预先测量每个水箱的物理尺寸参数，其中物理尺寸参数包括高度参数、周长参数以及面积参数，预先设置每个水箱的蓄水开始时刻、蓄水结束时刻、蓄水预计时间以及水箱进口流速，然后根据物理尺寸参数由高至低对水箱从左到右，从下到上的顺序进行排列，以构建蓄水初始顺序。

进一步地，对用水区域的所有水箱的蓄水时间进行优先级排列，确定每个水箱的蓄水顺序，实现错峰调蓄，以确保供水周期内足够供水。

需要说明的是，上述技术方案中，每个水箱的蓄水结束时刻可以通过蓄水结束时刻分析模块20得到，蓄水开始时刻以及蓄水预计时间可以进行预先设置或根据终端设备采集用水区域的每个水箱的日用水量分析得到或可以采用现有技术中的分析方法得到，在此不再赘述。

上述技术方案中，作为较优的实施方式，如图6所示，动态调整单元3还包括：

一第二获取模块32，分别获取用户区域的每个水箱的进口流速、蓄水开始时刻、蓄水结束时刻以及蓄水预计时间；

一第二排序模块33，分别连接第二获取模块32和第一排序模块31，用于根据每个水箱的进口流速、蓄水开始时刻、蓄水结束时刻以及蓄水预计时间对蓄水初始顺序进行排序，以处理得到多个水箱蓄水顺序；

一优化模块34，连接第二排序模块33，采用遗传算法对多个水箱蓄水顺序进行优化，以确定水箱的蓄水顺序。

上述技术方案中，作为较优的实施方式，第一排序模块31根据每个水箱的放置点以及放置空间对蓄水初始顺序进行排序，以处理得到蓄水初始顺序。

上述技术方案中，作为较优的实施方式，对蓄水初始顺序进行优化的过程中具体包括蓄水基础排程与时间限制排程；

蓄水基础排程是根据水箱的放置点以及放置空间对蓄水初始顺序进行排序，以优化得到蓄水基础顺序列表；

时间限制排程是根据水箱的时间排程对蓄水基础顺序列表进行优化，以处理得到多个水箱蓄水顺序，时间排程包括水箱的蓄水开始时刻、蓄水结束时刻以及蓄水预计时间。

在该实施例中，该放置点可以作为排程的基石，在考虑蓄水排程的流程之前，首先引入放置点的概念，以下列实施例说明。例如，任意水箱的排序从原点开始，会产生两个新的放置点，包括在右上角和右下角，当放入新的放置点则有以下三种情况：

a.新放入的水箱比原来的水箱矮，则正常产生放置点(a)，如图7a所示；b.新放入的水箱和原来的水箱齐平，则产生的放置点和临近水箱的放置点重叠，该方向无新的放置点，与原来的放置点相同，依然是放置点(b)，如图7b所示；c.新放入的水箱比原来水箱高，则新放置点需要平移至水平线上的其他水箱或边缘位置(c)，如图7c所示，在图中标出除新增的放置点，不包含该情况下所有的放置点；例如图7d所示，所有的放置点为4个。

进一步地，放置点包含放置点的位置和该放置点的放置空间(长w，高h)，在产生新的放置点时，会有以下两种特殊情况，例如图8a、8b所示。其中，时间限制也会对放置点产生影响，考虑水箱的启动时间与结束时间以及综合考虑放置点与放置空间，这样时间限制所产生的空间和放置点的交集会产生一个新的放置空间，如图8c所示。

进一步地，蓄水基础排程的实现过程包括：首先根据水箱的初始排序进行排序，并获取排序第一位的水箱的放置点以及放置空间；然后判断放置点是否在时间排程的限制区域内，且放置空间是否能放下其他水箱；若是，则放置合适的水箱，实时更新未放置的水箱的放置点与放置空间，并按照初始排序以获取下一个水箱的放置点以及放置空间；若否，则转向时间限制排程；直至所有的水箱全部放置完毕，以得到多个水箱蓄水顺序。该蓄水基础排程是在根据水箱的放置点以及放置空间，按照从左到右以及从下到上的顺序匹配所有的放置点和当前水箱。

进一步地，时间限制排程的实现过程具体包括：首先获取未放置的水箱，并根据水箱的时间排程生成新的放置点，并在新的放置点放置水箱，在放置水箱之后更新放置点，并判断是否有剩余的水箱；若是，则返回获取未放置的水箱；若否，则结束进程。

该实施例中，该时间限制排程按照从下到上的顺序获取放置点，并和水箱的时间限制范围生成新的放置空间，新的放置点和水箱匹配并放置，添加新的放置点，更新被影响的放置点。

上述技术方案，以实施例来进行说明，例如，一个排序方案的排序顺序为：水箱1、水箱2、水箱3、水箱4、水箱5，首先取出水箱1，对比放置空间能否放下其余水箱，且放置点是否在蓄水时间限制区域内，如果所有放置点都不在水箱1的蓄水时间范围内，就取出水箱2，直到按排序顺序顺延找到在限制区域内的水箱为止(这里需要说明的是，每个水箱的限制区域是不同的；假如，水箱2符合匹配条件，则安置水箱2，即这水箱排序变为：水箱1、水箱3、水箱4、水箱5，然后，重新从水箱1开始重复查找匹配安置点，直到所有水箱都无法匹配，则进入时间限制排程，以处理得到多个水箱蓄水顺序。例如，有十种排序方式，将转化为10个时间表。

进一步地，对用水区域的所有水箱的蓄水时间进行优先级排列，确定每个水箱的蓄水顺序，实现错峰调蓄，以确保供水周期内足够供水。

上述蓄水基础排程与时间限制排程根据水箱的放置逻辑对给定顺序的水箱进行排程，得到可以满足时间限制条件的排程方案，但该方案并不一定是优秀的方案，该方案可以视为遗传算法中的一个个体或算子，遗传算法根据遗传父代优秀基因更容易遗传的原理，在一定的种群和遗传代数中找到近似最优解。

于时间限制排程之后，预先定义水箱蓄水顺序以及水箱为算子与种群，采用遗传算法对多个水箱蓄水顺序进行优化得到最大适应度的最优算子，以处理得到水箱的唯一蓄水顺序。

需要说明的是，上述技术方案中，遗传算法可以采用现有技术中的算法进行运算，最终得到水箱的唯一蓄水顺序，在此不再赘述。

以上所述仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书及图示内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。