一种基于平行一级模型的水龄检测方法
阅读说明：本技术 一种基于平行一级模型的水龄检测方法 (Water age detection method based on parallel first-level model ) 是由 曹玉洁 池驰 吕雪光 卫驰 于 2021-06-01 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种基于平行一级模型的水龄检测方法,包括以下步骤：采集供水出水设备出水的水温和余氯,并记录采集的时间；根据采集到的水温、时间和余氯,以及初始氯浓度展开三因素正交实验,确定出水设备中余氯衰减速率,所述余氯衰减速率包括余氯快速消耗速率和余氯慢速消耗速率；建立余氯衰减速率和水温的阿伦尼乌斯关系模型；根据所述阿伦尼乌斯关系模型建立平行一级模型模拟余氯与水龄在水体中的变化情况；利用线性回归估计对所述平行一级模型进行处理,在已知当前余氯、初始余氯以及水温的情况下对出水设备的水龄进行近似估计。本发明可以实现对城镇供水系统中饮用水的水龄智能化、精准化检测。(The invention relates to a water age detection method based on a parallel primary model, which comprises the following steps: collecting the water temperature and residual chlorine of the water outlet of the water supply and outlet equipment, and recording the collecting time; developing a three-factor orthogonal experiment according to the collected water temperature, time and residual chlorine and the initial chlorine concentration to determine the decay rate of the residual chlorine in the water outlet equipment, wherein the decay rate of the residual chlorine comprises the rapid consumption rate of the residual chlorine and the slow consumption rate of the residual chlorine; establishing an arrhenius relation model of the decay rate of the residual chlorine and the water temperature; establishing a parallel primary model according to the Arrhenius relation model to simulate the change conditions of residual chlorine and water age in the water body; and processing the parallel primary model by utilizing linear regression estimation, and performing approximate estimation on the water age of the water outlet equipment under the condition that the current residual chlorine, the initial residual chlorine and the water temperature are known. The intelligent water age detection system can realize intelligent and accurate detection of the water age of drinking water in a town water supply system.)
技术领域
本发明涉及水龄检测技术领域，特别是涉及一种基于平行一级模型的水龄检测方法。
背景技术
水不仅是整个国民经济的命脉而且是人类赖以生存和发展的基本物质之一。供水问题是关系到我国可持续发展的关键问题之一。随着我国城镇化进度的加快和国民经济快速发展，我国的城镇供水进入快速发展期，为了满足工业生产和居民生活的基本需求，供水行业由原来的保证足量供水向着提高供水安全性、提升水质、现代化管理的方向发展。城镇供水系统中各种储水设备(如水箱、水罐等)是保障城市人民生活、发展生产建设不可或缺的重要设施。作为城市基础建设之一，城市供水体系的正常运行及水质安全情况关系到整个社会的安全与稳定。而储水设备内的水质情况和水龄关系密切，因此近年来，关于储水设备内的水质方面的研究也越来越引起人们的重视。
水龄计算的常规的方法比较多，如大量实验预测各小区水箱更新时间从而来计算水龄等，但是这种实验受到外围干扰影响较大，产生的结果误差较大，不具有代表性。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种基于平行一级模型的水龄检测方法，可以实现对城镇供水系统中饮用水的水龄智能化、精准化检测。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种基于平行一级模型的水龄检测方法，包括以下步骤：
(1)采集供水出水设备出水的水温和余氯，并记录采集的时间；
(2)根据采集到的水温、时间和余氯，以及初始氯浓度展开三因素正交实验，确定出水设备中余氯衰减速率，所述余氯衰减速率包括余氯快速消耗速率和余氯慢速消耗速率；
(3)建立余氯衰减速率和水温的阿伦尼乌斯关系模型；
(4)根据所述阿伦尼乌斯关系模型建立平行一级模型模拟余氯与水龄在水体中的变化情况；
(5)利用线性回归估计对所述平行一级模型进行处理，在已知当前余氯、初始余氯以及水温的情况下对出水设备的水龄进行近似估计。
所述步骤(1)和步骤(2)之间还包括对采集到的水温和余氯进行零点补充和异常点删失的预处理。
所述步骤(2)具体为：采用逐差法计算出所述三因素正交实验中每组数据在每段时间间隔内的余氯消耗速率，并根据余氯消耗速率的大小判断出余氯的快速衰减阶段和慢速衰减阶段，并通过均值法求出余氯快速消耗速率和余氯慢速消耗速率。
所述步骤(2)和步骤(3)之间还包括对所述余氯衰减速率和水温进行增强处理。
所述步骤(3)中建立的阿伦尼乌斯关系模型为：其中，kbf为余氯快速消耗速率，kbs为余氯慢速消耗速率，Temp.为出水设备的水温，R为气体常数，Af＝exp(nf)，As＝exp(ns)，nf和ns为常系数，Ef＝-R×mf表示快速反应的活化能，Es＝-R×ms表示慢速反应的活化能，mf和ms为常系数。
所述步骤(4)中建立的平行一级模型为：C＝C0zexp(-kbft)+C0(1-z)exp(-kbst)，其中，C为当前时刻的余氯浓度，C0为初始余氯浓度，z为快速反应耗氯量占总耗氯量的比值，t为时间，kbf为余氯快速消耗速率，kbs为余氯慢速消耗速率。
所述步骤(5)中线性回归估计为最大似然估计或最小二乘估计。
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：本发明依据在供水覆盖区域的储水设备中安装的数据采集器采集到的监测参数，并利用正交实验开展研究，掌握监测参数与水龄的关系模型，从而搭建基于平行一级模型的水箱水龄算法，从而可以实现对城镇供水系统中饮用水的水龄智能化、精准化检测。
附图说明
图1是本发明的流程图。
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基于平行一级模型的水龄检测方法，包括以下步骤：采集供水出水设备出水的水温和余氯，并记录采集的时间；根据采集到的水温、时间和余氯，以及初始氯浓度展开三因素正交实验，确定出水设备中余氯衰减速率，所述余氯衰减速率包括余氯快速消耗速率和余氯慢速消耗速率；建立余氯衰减速率和水温的阿伦尼乌斯关系模型；根据所述阿伦尼乌斯关系模型建立平行一级模型模拟余氯与水龄在水体中的变化情况；利用线性回归估计对所述平行一级模型进行处理，在已知当前余氯、初始余氯以及水温的情况下对出水设备的水龄进行近似估计。
如图1所示，包括以下具体步骤：
步骤1、在供水设备覆盖的区域内，根据供水覆盖区域内的出水设备的实际应用场景，安装余氯检测设备以及水温检测设备，采集到的参数包括：水温Temp.和余氯C。
步骤2、采用数据预处理方法对上述获取到的数据进行预处理，完成数据中零点的补充以及异常点的删失；
步骤3、根据采集得到的水温、时间和余氯，以及初始氯浓度展开三因素正交实验，具体为：采用逐差法计算出三因素正交实验中每组数据在每段时间间隔内的余氯消耗速率，并由余氯消耗速率的大小值判断出余氯的快速衰减阶段和慢速衰减阶段，通过均值法求出余氯快速消耗速率和慢速消耗速率。在判断余氯的快速衰减阶段和慢速衰减阶段时，可以通过设置合理的阈值实现，即当余氯消耗速率超过阈值时，则为快速衰减阶段，当余氯消耗速率未超过阈值时，则为慢速衰减阶段。
步骤4、由于对余氯消耗速率随温度变化的模型初始训练时需要较大差别的数据，为提升模型精度，需要采用数据增强技术，将原始数据映射到高维空间从而放大有用信息，得到高精度处理数据。该数据增强技术需要遵循的原则如下：
(1)由于是多源信号输入，需要对所有的信号源的数据采用统一的方法进行信号放大；
(2)数据不能失真；
(3)数据的放大必须在一个合理的范围内；
(4)在统一的数据放大区间内进行；
基于上述原则，对三因素正交实验后所得的余氯快速消耗速率和慢速消耗速率以及水温数据开展数据增强处理，主要实现过程如下：
(1)根据输入参数，采用熵权法分别计算多源信息的权重值；
(2)采用下述公式完成对数据的增强：
Bij＝xij/wj
式中：Bij为得到的增强矩阵；xij为原始数据中的元素，其中，i为原始数据的行数，j为原始数据的列数；wj为原始数据对应每列的权重值。
采用上述方法对原始数据进行增强处理，将较小的数据放大到一定的高度空间，从而可以得到较为合理的数据信息，方便完成余氯消耗速率与水温的之间关系模型的建立。
步骤5、根据数据增强后的每组余氯快速消耗速率kbf、慢速消耗速率kbs、水温Temp.可以建立两个因变量分别为lnkbf和lnkbs，自变量为的一阶线性方程：
式中：Temp.为水箱内的水温，℃；mf,nf,ms,ns为常系数；kbf为余氯的快速消耗速率，h-1；kbs为余氯的慢速消耗速率，h-1；
通过公式(1)中的两个一阶线性方程确定关于余氯衰减速率和水温Temp.的阿伦尼乌斯(Arrhennius)关系模型：
其中：
式中：R为气体常数，J/(K·mol)；Ef为快速反应的活化能，kJ/mol；Es为慢速反应的活化能，kJ/mol；Af为与温度无关的常数，h-1；As为与温度无关的常数，h-1。
步骤6、建立平行一级模型来模拟余氯在水体中的衰减情况，该模型假设余氯在水体中的反应以快慢两种反应速率发生，反应模型如下：
C＝C0zexp(-kbft)+C0(1-z)exp(-kbst) (4)
公式中：C为当前时刻的余氯浓度，mg/L；C0为初始氯浓度，mg/L；z为快速反应耗氯量占总耗氯量的比值；t为时间，h。
步骤7、利用线性回归估计对平行一级模型处理，在已知现在余氯，初始余氯以及水温的情况下可以最大限度的对当前出水设备的水龄进行近似估计，其中，线性回归估计可以是最大似然估计，也可以是最小二乘估计。
不难发现，本发明依据在供水覆盖区域的储水设备中安装的数据采集器采集到的监测参数，并利用正交实验开展研究，掌握监测参数与水龄的关系模型，从而搭建基于平行一级模型的水箱水龄算法，从而可以实现对城镇供水系统中饮用水的水龄智能化、精准化检测。
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