基于流量监测数据的供水管网流量预测方法及系统与流程

本发明涉及管网水力，具体而言，涉及一种基于流量监测数据的供水管网流量预测方法及系统。

背景技术：

1、目前，许多城市在供水管网上安装了大量的流量监测设备，实时采集了大量的流量数据，研究这些流量数据的波动变化对于供水公司在供水调度、阀门开关控制、阀门开度调节、压力调节、水泵节能等方面都具有重要作用； 城市供水管网受到诸如爆管、漏损、用户增减、用户用水量变化等因素的影响，整体流量可能会有损失或变化。然而，总体来说，城市供水管网仍是一个相对封闭的管网结构，流量监测数据受到一年四季（春夏秋冬）的季节变化、白天和夜晚用水量的变化，以及一天中各餐点时间和洗漱时间的变化而产生变化，总体上呈现一定的规律性。

2、因此，提前预测管网上各个节点的流量变化情况，可以为供水调度、阀门开关控制、阀门开度调节、压力调节、水泵节能等方面提供重要支持，甚至可以依靠数据联动实现自动化控制和自动化调度。传统的供水管网流量预测方法通常采用获取当前数据的上位数、平均值、中位数或线性回归分析来预测下一个时刻的数据。然而，由于这些方法未能充分体现管网流量数据变化的规律性，导致预测结果往往不够准确。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种基于流量监测数据的供水管网流量预测方法及系统，以实现供水管网流量的预测，提升供水管网流量预测的准确度。

2、本发明第一方面的技术方案提供了一种基于流量监测数据的供水管网流量预测方法，包括如下步骤：

3、基于实时流量数据和预设的预测值数组，确定第一目标样本数组；

4、基于历史流量数据，获取与第一目标样本数组匹配的第一检测样本数组；

5、对第一目标样本数组、第一检测样本数组进行归一化处理，并根据归一化处理后的第一目标样本数组和第一检测样本数组计算余弦相似度值及残差平方和；

6、根据余弦相似度值及残差平方和计算匹配差异得分，获取匹配差异得分的最小值及其位置序号；

7、根据匹配差异得分最小值的位置序号从历史流量数据中读取匹配样本数组，从匹配样本数组中提取结果样本数组，得到目标样本的预测数据值。

8、进一步地，归一化处理的表达式为：

9、

10、式中，为归一化处理后的数据，为原始数据，为数组中的最小值，为数组中的最大值。

11、进一步地，对第一目标样本数组、第一检测样本数组进行归一化处理之后还包括：

12、根据预设倍数对归一化处理后的第一目标样本数组、第一检测样本数组进行放大取整；

13、根据第一目标样本数组、第一检测样本数组中数据的总数，构建第二目标样本数组、第二检测样本数组并将放大取整后的数据存储至第二目标样本数组、第二检测样本数组。

14、进一步地，计算余弦相似度值的表达式为：

15、

16、计算残差平方和的表达式为：

17、

18、式中，表示归一化后的第一目标样本数组，表示归一化后的第一检测样本数组，表示第一目标样本数组中的第个数据，表示第一检测样本数组中的第个数据，表示数据的数量。

19、进一步地，根据余弦相似度值及残差平方和计算匹配差异得分，获取匹配差异得分的最小值及其位置序号包括：

20、根据历史流量数据个数和第一目标样本数组中数据的个数获取匹配差异得分数据的个数，并构建匹配差异得分数组，将计算得到的匹配差异得分存入匹配差异得分数组；

21、从匹配差异得分数组中读取匹配差异得分的最小值以及匹配差异得分最小值的位置序号。

22、进一步地，计算匹配差异得分的表达式为：

23、

24、式中，表示匹配差异得分值，表示余弦相似度值，表示残差平方和的值。

25、进一步地，从匹配样本数组中提取结果样本数组，得到目标样本的预测数据值包括：

26、计算归一化处理后的第一目标样本数组的平均值以及匹配样本数组的平均值，其中匹配样本数组的数据数量与归一化处理后的第一目标样本数组匹配；

27、根据归一化处理后第一目标样本数组的平均值以及匹配样本数组的平均值，计算第一目标样本数组与匹配样本数组之间的平均值倍率。

28、进一步地，从匹配样本数组中提取结果样本数组，得到目标样本的预测数据值还包括：

29、根据平均值倍率计算结果样本数组，从结果样本数组中获取与预测值数组相同位置序号的数据，得到目标样本预测数据值。

30、进一步地，根据平均值倍率计算结果样本数组包括：

31、将匹配样本数据中每个数据依次乘以平均值倍率，得到结果样本数组。

32、本发明第二方面的技术方案提供了一种基于流量监测数据的供水管网流量预测系统，包括本申请第一方面技术方案中任一项所述的基于流量监测数据的供水管网流量预测方法，该系统包括：

33、数据采集模块，配置为获取实时流量数据和历史流量数据；

34、数组构建模块，配置为基于实时流量数据和预设的预测值数组，确定第一目标样本数组，基于历史流量数据，获取与第一目标样本数组匹配的第一检测样本数组；

35、预处理模块，配置为对第一目标样本数组、第一检测样本数组进行归一化处理；

36、处理模块，配置为根据归一化处理后的第一目标样本数组、第一检测样本数组计算余弦相似度、残差平方以及匹配差异得分；

37、流量预测模块，配置为根据匹配差异得分最小值的位置序号从历史流量数据中读取匹配样本数组，从匹配样本数组中提取结果样本数组，得到目标样本的预测数据值。

38、本发明实施例的技术方案至少具有如下优点和有益效果：

39、本发明提供的基于流量监测数据的供水管网流量预测方法及系统，实现了从历史流量数据中根据规律进行流量数据的预测；通过实时流量数据和预设的预测值数组构造第一目标样本数组，再从历史流量数据中构造第一检测样本数组，将第一目标样本数组和第一检测样本数组采用同样的方法归一化到同样的数值区间，然后通过计算余弦相似度和残差平方和，利用匹配差异得分获取匹配样本数据，最终取得预测数据值；一方面结合了实时流量数据和历史流量数据，充分利用了历史流量数据中的规律信息；另一方面通过匹配差异得分来选择最佳的匹配样本数组，进而提高了流量预测的准确度，更符合供水管网的客观规律。

技术特征：

1.基于流量监测数据的供水管网流量预测方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的基于流量监测数据的供水管网流量预测方法，其特征在于，归一化处理的表达式为：

3.根据权利要求2所述的基于流量监测数据的供水管网流量预测方法，其特征在于，对第一目标样本数组、第一检测样本数组进行归一化处理之后还包括：

4.根据权利要求1所述的基于流量监测数据的供水管网流量预测方法，其特征在于，计算余弦相似度值的表达式为：

5.根据权利要求1至4任一项所述的基于流量监测数据的供水管网流量预测方法，其特征在于，根据余弦相似度值及残差平方和计算匹配差异得分，获取匹配差异得分的最小值及其位置序号包括：

6.根据权利要求5所述的基于流量监测数据的供水管网流量预测方法，其特征在于，计算匹配差异得分的表达式为：

7.根据权利要求5所述的基于流量监测数据的供水管网流量预测方法，其特征在于，从匹配样本数组中提取结果样本数组，得到目标样本的预测数据值包括：

8.根据权利要求7所述的基于流量监测数据的供水管网流量预测方法，其特征在于，从匹配样本数组中提取结果样本数组，得到目标样本的预测数据值还包括：

9.根据权利要求8所述的基于流量监测数据的供水管网流量预测方法，其特征在于，根据平均值倍率计算结果样本数组包括：

10.基于流量监测数据的供水管网流量预测系统，其特征在于，包括权利要求1-9任一项所述的基于流量监测数据的供水管网流量预测方法，该系统包括：

技术总结
本发明涉及管网水力技术领域，尤其是提供一种基于流量监测数据的供水管网流量预测方法及系统，包括基于实时流量数据和预设的预测值数组，确定第一目标样本数组；基于历史流量数据，获取与第一目标样本数组匹配的第一检测样本数组；对第一目标样本数组、第一检测样本数组进行归一化处理，并计算余弦相似度值及残差平方和；根据余弦相似度值及残差平方和计算匹配差异得分，获取匹配差异得分的最小值及其位置序号；根据匹配差异得分最小值的位置序号从历史流量数据中读取匹配样本数组，从匹配样本数组中提取结果样本数组，得到目标样本的预测数据值。其目的在于，实现供水管网流量的预测，提升供水管网流量预测的准确度。

技术研发人员：胡洪祥,牟旭阳,曹杨,徐健,李儒兵,张丽,李东,蒲秋,童话,萧阳
受保护的技术使用者：成都同飞科技有限责任公司
技术研发日：
技术公布日：2024/2/6