本發(fā)明涉及熱力管網(wǎng)水質(zhì)分析，特別是一種基于大數(shù)據(jù)的熱力管網(wǎng)水質(zhì)多維度分析方法。

背景技術(shù)：

1、在熱力管網(wǎng)中，溫度的變化對(duì)水質(zhì)有著顯著影響，隨著管網(wǎng)的熱力不斷循環(huán)，管網(wǎng)內(nèi)溫度持續(xù)變化，會(huì)直接影響水質(zhì)參數(shù)，包括ph、溶解氧、腐蝕速率。

2、當(dāng)前水質(zhì)分析方法大多假設(shè)水質(zhì)參數(shù)處于恒定溫度，而忽略了熱力循環(huán)過程中溫度變化，導(dǎo)致水質(zhì)分析結(jié)果與實(shí)際情況存在偏差；熱力管網(wǎng)的運(yùn)行負(fù)荷也是動(dòng)態(tài)變化的，不同季節(jié)、時(shí)間段負(fù)荷波動(dòng)均不相同，負(fù)荷波動(dòng)會(huì)引起管網(wǎng)內(nèi)水力條件變化，水流速度和壓力的變化會(huì)導(dǎo)致溶解物質(zhì)的再分布，影響管道內(nèi)的腐蝕速率和結(jié)垢傾向，而當(dāng)前的水質(zhì)管理方法大多在水質(zhì)問題出現(xiàn)后才進(jìn)行調(diào)控，無法有效預(yù)防水質(zhì)問題。

3、針對(duì)溫度變化問題，現(xiàn)有技術(shù)中大多通過定期采樣、實(shí)驗(yàn)室分析來估算不同溫度下的水質(zhì)變化，但采樣和分析過程沒辦法實(shí)時(shí)進(jìn)行，無法實(shí)時(shí)反映溫度變化對(duì)水質(zhì)的即時(shí)影響，而且管網(wǎng)中不同區(qū)域的溫度分布也存在差異，無法對(duì)不同區(qū)域進(jìn)行水質(zhì)分析；熱力管網(wǎng)的運(yùn)行負(fù)荷變化方面，目前大部分水質(zhì)調(diào)控方案主要基于歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測(cè)，根據(jù)歷史經(jīng)驗(yàn)在負(fù)荷增加前后調(diào)整化學(xué)藥劑投放量，或者在預(yù)期負(fù)荷變化時(shí)調(diào)整水質(zhì)參數(shù)，但依然無法改善水質(zhì)調(diào)控措施的滯后性問題，因此亟需一種基于大數(shù)據(jù)的熱力管網(wǎng)水質(zhì)多維度分析方法來解決此類問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、鑒于上述現(xiàn)有存在的問題，提出了本發(fā)明。

2、因此，本發(fā)明提供了一種基于大數(shù)據(jù)的熱力管網(wǎng)水質(zhì)多維度分析方法解決無法及時(shí)響應(yīng)溫度波動(dòng)導(dǎo)致的水質(zhì)變化，無法有效識(shí)別和處理管網(wǎng)內(nèi)不同溫度區(qū)域的水質(zhì)問題；缺乏實(shí)時(shí)的水質(zhì)數(shù)據(jù)的分析和響應(yīng)能力，水質(zhì)調(diào)控措施存在滯后性的問題。

3、為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：

4、本發(fā)明提供了一種基于大數(shù)據(jù)的熱力管網(wǎng)水質(zhì)多維度分析方法，其包括，

5、步驟s1、實(shí)時(shí)溫度與負(fù)荷監(jiān)測(cè)，在熱力點(diǎn)部署溫度傳感器和流量監(jiān)測(cè)設(shè)備進(jìn)行管網(wǎng)數(shù)據(jù)采集，并采用水質(zhì)監(jiān)測(cè)儀對(duì)管網(wǎng)內(nèi)水質(zhì)進(jìn)行參數(shù)監(jiān)控；

6、步驟s2、溫度變化的影響監(jiān)測(cè)，構(gòu)建基于溫度變化的動(dòng)態(tài)水質(zhì)模型，然后利用管網(wǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行熱力管網(wǎng)的溫度場模擬，模擬不同溫度參數(shù)下的水質(zhì)變化；

7、步驟s3、負(fù)荷變化的影響監(jiān)測(cè)，構(gòu)建負(fù)荷預(yù)測(cè)模型，該模型使用歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練，預(yù)測(cè)未來的負(fù)荷變化趨勢(shì)，然后將預(yù)測(cè)的負(fù)荷數(shù)據(jù)與動(dòng)態(tài)水質(zhì)模型結(jié)合，模擬負(fù)荷變化對(duì)水質(zhì)的影響。

8、優(yōu)選的，熱力點(diǎn)指的是熱力管網(wǎng)與用戶連接的接口位置；

9、管網(wǎng)數(shù)據(jù)包括管網(wǎng)內(nèi)水流溫度、壓力和流速，所監(jiān)測(cè)的水質(zhì)參數(shù)數(shù)據(jù)包括ph、溶解氧和腐蝕速率；

10、通過實(shí)時(shí)的溫度負(fù)荷監(jiān)測(cè)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)的溫度和負(fù)荷變化捕捉，及時(shí)獲取溫度和負(fù)荷動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)。

11、優(yōu)選的，步驟s2中構(gòu)建動(dòng)態(tài)水質(zhì)模型的步驟包括：

12、獲取溫度隨時(shí)間變化的序列數(shù)據(jù)，即溫度數(shù)據(jù)，溫度數(shù)據(jù)表示為t(t)，壓力數(shù)據(jù)表示為p(t)，流速數(shù)據(jù)表示為v(t)，水質(zhì)參數(shù)數(shù)據(jù)表示為w(t)，w(t)包括ph值ph(t)、溶解氧do(t)、腐蝕速率cr(t)，t表示時(shí)間，所有數(shù)據(jù)均為時(shí)間序列數(shù)據(jù)；

13、對(duì)所有數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，消除量綱差異，此處所有數(shù)據(jù)包括管網(wǎng)數(shù)據(jù)和水質(zhì)參數(shù)數(shù)據(jù)，標(biāo)準(zhǔn)化公式為：

14、

15、其中，μt、μw、μp、μv分別表示對(duì)應(yīng)參數(shù)t、w、p和v的均值，σt、σw、σp、σv為對(duì)應(yīng)參數(shù)t、w、p和v的標(biāo)準(zhǔn)差，tnorm(t)、wnorm(t)、pnorm(t)、vnorm(t)分別表示標(biāo)準(zhǔn)化之后的t、w、p和v；

16、動(dòng)態(tài)水質(zhì)模型采用非線性自回歸模型，并引入narx模型作為外部輸入，動(dòng)態(tài)水質(zhì)模型的形式為：

17、w(t)＝f(tnorm(t-τ1),…,tnorm(t-τk),pnorm(t-τ1),…,pnorm(t-

18、τk),vnorm(t-τ1),…,vnorm(t-τk),w(t-τ1),…,w(t-τk))+∈(t)，

19、其中，w(t)表示時(shí)間t時(shí)刻的水質(zhì)參數(shù)，包括ph值ph(t)、溶解氧do(t)、腐蝕速率cr(t)，f(·)表示待估計(jì)的非線性函數(shù)，表示溫度、壓力、流速和歷史水質(zhì)參數(shù)間關(guān)系，τ1,…,τk表示時(shí)滯，用于捕捉時(shí)間上的依賴性，k表示時(shí)滯階數(shù)，∈(t)表示誤差項(xiàng)，設(shè)為白噪聲；

20、非線性函數(shù)f(·)為多項(xiàng)式和徑向基函數(shù)組合：

21、

22、其中，x表示輸入變量的向量，x＝[tnorm(t-τ1),…,w(t-τk)]，αi、βij表示多項(xiàng)式項(xiàng)系數(shù)，即各變量間交互關(guān)系，ηl、cl、σl為徑向基函數(shù)rbf參數(shù)，ηl表示每個(gè)徑向基函數(shù)的權(quán)重，cl表示中心點(diǎn)，σl表示寬度參數(shù)，l表示對(duì)應(yīng)參數(shù)索引，i表示多項(xiàng)式項(xiàng)的索引，j表示輸入變量x中各分量的索引，n表示多項(xiàng)式項(xiàng)的數(shù)量，m表示輸入變量的數(shù)量。

23、優(yōu)選的，步驟s2中構(gòu)建動(dòng)態(tài)水質(zhì)模型步驟的還包括：

24、采用梯度下降法最小化損失函數(shù)：

25、其中，是模型的水質(zhì)參數(shù)預(yù)測(cè)值，λ是正則化系數(shù)，t表示時(shí)間序列數(shù)據(jù)總時(shí)間點(diǎn)數(shù)，n表示多項(xiàng)式項(xiàng)的數(shù)量，p表示徑向基函數(shù)rbf的數(shù)量；

26、采集實(shí)時(shí)的管網(wǎng)數(shù)據(jù)和水質(zhì)參數(shù)數(shù)據(jù)，將其輸入到動(dòng)態(tài)水質(zhì)模型中進(jìn)行實(shí)時(shí)校正；

27、使用遞推最小二乘法rls更新模型參數(shù)：

28、其中，θt包含所有待估計(jì)模型參數(shù)，kt表示增益矩陣，根據(jù)rls算法更新；

29、動(dòng)態(tài)水質(zhì)模型不僅能夠捕捉熱力管網(wǎng)中溫度、壓力、流速對(duì)水質(zhì)的非線性影響，還能實(shí)時(shí)更新，從而有效應(yīng)對(duì)不斷變化的環(huán)境條件。

30、優(yōu)選的，步驟s2中利用管網(wǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行熱力管網(wǎng)的溫度場模擬步驟包括：

31、進(jìn)行管網(wǎng)的幾何建模與網(wǎng)格劃分，設(shè)每個(gè)管段的長度為li，管徑為di，其中i表示第i個(gè)管段；

32、對(duì)每個(gè)管段劃分網(wǎng)格單元，令每個(gè)單元長度為δx，總共劃分個(gè)單元，xij＝j(luò)·δx,j＝1,2,…,ni，

33、其中xij表示第i個(gè)管段中第j個(gè)網(wǎng)格單元的中心位置；

34、對(duì)管網(wǎng)內(nèi)每個(gè)微小體積單元進(jìn)行能量守恒分析，每個(gè)微小體積單元代表管網(wǎng)內(nèi)部的一部分：

35、其中，ρ是流體密度，cp是流體的比熱容，tij是第i個(gè)管段中第j個(gè)網(wǎng)格單元的溫度，表示溫度tij對(duì)時(shí)間t的偏導(dǎo)數(shù)，vi是流體在第i個(gè)管段中的流速，表示溫度tij對(duì)坐標(biāo)x的偏導(dǎo)數(shù)，k是流體的導(dǎo)熱系數(shù)，qij是第i個(gè)管段中第j個(gè)網(wǎng)格單元的體積熱源項(xiàng)。

36、優(yōu)選的，步驟s2中利用管網(wǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行熱力管網(wǎng)的溫度場模擬步驟還包括：

37、在入口處設(shè)定已知溫度tin，在出口處設(shè)定對(duì)流邊界條件，假設(shè)外界溫度為text，則：

38、ti1＝tin,

39、其中，h是對(duì)流換熱系數(shù)，tin是管網(wǎng)入口溫度，text是外界環(huán)境溫度，表示第i個(gè)管段中最末端(出口處)網(wǎng)格單元的溫度；

40、進(jìn)行數(shù)值求解，選定時(shí)間步長δt，滿足數(shù)值courant穩(wěn)定性條件：

41、

42、其中vmax是管網(wǎng)中最大流速；

43、對(duì)能量守恒方程進(jìn)行顯式差分離散，求解溫度場的時(shí)間演化：

44、

45、其中，是時(shí)間步長n時(shí)刻的溫度值，是下一個(gè)時(shí)間步長n+1時(shí)刻的溫度值。

46、優(yōu)選的，步驟s2中利用管網(wǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行熱力管網(wǎng)的溫度場模擬步驟還包括：

47、對(duì)整個(gè)管網(wǎng)的溫度分布進(jìn)行求解后，將每個(gè)時(shí)間步長作為動(dòng)態(tài)水質(zhì)模型的輸入；

48、將溫度場結(jié)果輸入到動(dòng)態(tài)水質(zhì)模型中，分析溫度變化對(duì)水質(zhì)參數(shù)的影響：

49、

50、其中，w(t)是水質(zhì)參數(shù)，p(t)是實(shí)時(shí)壓力，v(t)是實(shí)時(shí)流速；

51、模擬熱力管網(wǎng)的溫度場，為動(dòng)態(tài)水質(zhì)模型提供關(guān)鍵輸入，捕捉溫度在空間和時(shí)間上的變化的同時(shí)，還反映出該變化對(duì)水質(zhì)影響；工作人員能夠根據(jù)模擬結(jié)果，優(yōu)化管網(wǎng)操作參數(shù)，調(diào)整化學(xué)藥劑投放等控制措施；

52、通過步驟s2的溫度變化模擬，解決傳統(tǒng)靜態(tài)模型不能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)溫度波動(dòng)帶來的水質(zhì)變化問題，基于動(dòng)態(tài)水質(zhì)模型實(shí)時(shí)反映溫度對(duì)水質(zhì)的影響，提升水質(zhì)預(yù)測(cè)的精度。

53、優(yōu)選的，歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)包括：管網(wǎng)中在不同時(shí)間段的水流量，

54、不同季節(jié)、天氣下管網(wǎng)內(nèi)不同區(qū)域的溫度，

55、各熱力點(diǎn)的壓力數(shù)據(jù)，包括壓力波動(dòng)和變化趨勢(shì)，

56、以及能源輸入和輸出數(shù)據(jù)。

57、優(yōu)選的，實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)即實(shí)時(shí)溫度與負(fù)荷監(jiān)測(cè)中的數(shù)據(jù)，包括管網(wǎng)數(shù)據(jù)和水質(zhì)參數(shù)。

58、優(yōu)選的，步驟s3中構(gòu)建負(fù)荷預(yù)測(cè)模型的方式為：

59、收集歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)并對(duì)其進(jìn)行清洗、歸一化和特征提??；

60、選用arima、lstm和隨機(jī)森林回歸模型，基于歷史數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行訓(xùn)練；

61、訓(xùn)練模型時(shí)，將負(fù)荷即管網(wǎng)數(shù)據(jù)和水質(zhì)參數(shù)數(shù)據(jù)中參數(shù)作為目標(biāo)變量，輸入變量包括時(shí)間、溫度、季節(jié)性特征；

62、使用交叉驗(yàn)證法評(píng)估模型性能后，利用負(fù)荷預(yù)測(cè)模型進(jìn)行負(fù)荷預(yù)測(cè)；

63、將預(yù)測(cè)得到的未來負(fù)荷數(shù)據(jù)輸入到動(dòng)態(tài)水質(zhì)模型中，通過動(dòng)態(tài)水質(zhì)模型，模擬負(fù)荷變化對(duì)水質(zhì)參數(shù)的影響，基于負(fù)荷預(yù)測(cè)模型的預(yù)測(cè)結(jié)果，提前確定水質(zhì)調(diào)控策略，在負(fù)荷變化前主動(dòng)調(diào)節(jié)水質(zhì)，防止突發(fā)性水質(zhì)問題。

64、本發(fā)明有益效果為：

65、本發(fā)明，在熱力點(diǎn)部署溫度傳感器、流量監(jiān)測(cè)設(shè)備和水質(zhì)監(jiān)測(cè)儀，實(shí)時(shí)捕捉溫度、壓力、流速及水質(zhì)參數(shù)動(dòng)態(tài)變化，動(dòng)態(tài)水質(zhì)模型采用非線性自回歸結(jié)構(gòu)和外部輸入，捕捉溫度、壓力、流速及歷史水質(zhì)參數(shù)間非線性關(guān)系，通過實(shí)時(shí)更新，模型有效應(yīng)對(duì)不斷變化的環(huán)境條件，從而提供精確的水質(zhì)預(yù)測(cè)；并通過溫度場模擬，精確計(jì)算管網(wǎng)中溫度的空間和時(shí)間分布，將其作為動(dòng)態(tài)水質(zhì)模型的輸入，更準(zhǔn)確地反映出其對(duì)水質(zhì)的影響，通過負(fù)荷預(yù)測(cè)模型基于歷史數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)準(zhǔn)確預(yù)測(cè)未來的負(fù)荷變化趨勢(shì)，預(yù)測(cè)結(jié)果與動(dòng)態(tài)水質(zhì)模型結(jié)合后，可以提前采取調(diào)控措施，防止突發(fā)性水質(zhì)問題。