一种应用于排水管网运行异常的智能预警系统及方法与流程

本发明涉及排水管网智能预警，具体是一种应用于排水管网运行异常的智能预警系统及方法。

背景技术：

1、在城市化进程中，生活和工业污水的排放量日益增加，而引导污水排放的排水管道的具体运行状态缺少“眼睛”，在该种情况下做出的相关决策会与实际情况存在偏差，从而降低排水管道的作用效果。

2、现有技术中，仅依靠液位监测、局部监测或人工排查，该方法很难对污水排水管网做到全覆盖监测，尤其对于错综复杂的拓扑结构式污水排水管网，不同污水排放路径之间的水流干扰、空间定位偏差将大幅降低污水排水管网中异常运行区域的排查速率，同时完全无法支撑跨区域异常运行区域的污染联动扩散趋势分析，仅能够实现孤立异常运行区域的单点预警，无法预判连片污染的扩散风险，难以支撑污水排水管网污染风险的前置预判与分级预警。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种应用于排水管网运行异常的智能预警系统及方法，以解决现有技术中提出的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种应用于排水管网运行异常的智能预警方法，所述方法包括：

3、s10：获取影响污水污染浓度的控制参数，控制参数包括污水排放量、污水排放速率，以及污水传输管道的倾斜角度；

4、s20：对排水主干管道在各连接处的分段判断条件进行分析，基于分析结果，对排水主干管道进行分段处理；

5、s30：基于各分段位置处的水质数据和空间坐标，构建污水排水管网的三维地图，根据各类水质数据的历史正常水质基线，选择性对分段位置进行标记，结合排水主干管道的水流方向，生成若干条连续的污水流向线路，并确定各条污水流向线路的反向溯源特征；

6、s40：根据各条污水流向线路的反向溯源特征，对污水排水管网在各条污水流向线路的运行异常情况进行分析，并根据分析结果选择性触发预警信号。

7、进一步的，所述s10包括：

8、s101：污水排水管网由排水主干管道、排水干管道、排水支管道，以及附属设施构成，其中，附属设施包括检查井、排水泵站等，所述排水主干管道作为污水系统的核心干线，最终直接连接污水处理厂，所述排水支管道的一端接入排水干管道，另一端接入建筑内的各类排水节点，所述排水干管道用于汇集排水支管道输送的污水并将汇集的污水输送至排水主干管道；

9、s102：根据污水在排水主干管道的流动方向，顺序对排水主干管道与各排水干管道的连接处进行编号处理，编号处理结果为：；m表示编号总数，在排水主干管道中，在距离编号为i的连接处h米的位置设置流量计gi，污水从流量计gi流向编号为i的连接处，h的具体取值小于相邻两个连接处之间的最小距离值，在排水干管道中，在距离编号为i的连接处h米的位置设置流量计fi，污水从流量计fi流向编号为i的连接处；

10、s103：通过流量计gi，对污水流经流量计gi时对应的污水排放量进行监测，通过流量计fi，对污水流经流量计fi时对应的污水排放量进行监测，其中，流量计的型号为twq，twq流量计为thwater智慧排水监测流量仪‌，是专为排水场景研发的专用流量监测设备，监测污水排放量是它的核心功能之一；

11、对污水排放量和污水排放量之间的和值进行计算，得到污水流经编号为i的连接处时对应的排放量qi；

12、在距离编号为i的连接处设置有搭载gnss定位模块的原位微型采样器wi，具体的，在各连接处安装限位卡扣，在限位卡扣上连接轻质刚性吊杆，原位微型采样器通过滑套套在轻质刚性吊杆上，保证原位微型采样器全程约束在连接处对应的过水断面的同一垂直平面内，避免水流冲击导致设备漂移，同时保障搭载的gnss定位模块始终处于无遮挡的信号接收环境，通过gnss定位模块对污水流经编号为i的连接处时对应的过水断面面积si进行监测，其中，原位微型采样器的型号为tws，原位微型采样器具有特殊空腔结构，其整体可稳定漂浮在液面之上，使gnss定位模块处于无遮挡环境，避免卫星信号被遮挡，gnss定位模块用于实时采集编号为i的连接处对应的采样点的精准经纬度、高程坐标，以完成采样点的空间位置标定，采样点为原位微型采样器所在漂浮点位，对排放量qi与si之间的比值进行计算，得到污水流经编号为i的连接处时对应的传输速率vi。

13、进一步的，所述s20包括：

14、s201：将污水流经编号为i的连接处时对应的排放量qi与污水流经编号为i+1的连接处时流量计g(i+1)监测到的排水主干管道的排放量之间的差值x是否在误差范围k1内作为第一分段判断条件，若差值x在误差范围k1内，则表示第一分段判断条件成立，若差值x不在误差范围内，则表示第一分段判断条件不成立，误差范围k1为，其中，z表示排水主干管道的最大允许流量偏差，单位为：，排水主干管道的最大允许流量偏差=排水主干管道的设计额定满管流量×流量计的综合允许误差率，具体的，对于1.5级工业流量计的综合允许误差率取值为0.03；

15、将污水流经编号为i的连接处时对应的传输速率vi与污水流经编号为i+1的连接处时对应的传输速率v(i+1)之间的差值y是否在误差范围k2内作为第二分段判断条件，若差值y在误差范围k2内，则表示第二分段判断条件成立，此时水力状态连续稳定，若差值y不在误差范围内，则表示第二分段判断条件不成立，此时存在异常水力扰动，误差范围k2为，其中，ti表示位于编号为i-1的连接处与编号为i的连接处之间的排水主干管道的倾斜角度，t(i+1)表示位于编号为i的连接处与编号为i+1的连接处之间的排水主干管道的倾斜角度，在城市重力流排水主干管道的常规工程设计与运维场景中，管道沿污水流动方向需满足‌非递减坡度‌的强制设计要求，即，，表示编号为i-1的连接处至编号为i的连接处对应的排水主干管道段，与编号为i的连接处至编号为i+1的连接处对应的排水主干管道段之间的水力坡度平方根差值，相当于上下游排水主干管道因坡度不同带来的理论流速基准差值，0.15表示经验系数，具体表示为汇入排水主干管道的排水干管道的排水量每占排水主干管道排水量的10%，汇入点处的排水主干管道流速会产生1.5%的自然波动，表示排水干管道在编号为i的连接处汇入排水主干管道的污水排放量与流量计gi监测到的污水排放量之间的比值，具体取值可以为0.3；

16、在现有技术中，仅通过某一个独立的经典水力学公式或经验阈值，实现对误差范围k2的限定，缺乏与不同管网拓扑结构的适应性，而通过城市重力流排水主干管道非递减坡度的强制工程设计规则，直接转换为可量化计算的自适应误差范围，让误差范围随上下游管段的实际坡度、实时流量占比动态调整，能够克服管网拓扑结构的路径干扰，提高了分段判定的工程适配性；

17、s202：若第一分段判断条件与第二分段判断条件均成立，则认为编号为i的连接处不是排水主干管道的分段位置，反之，则认为编号为i的连接处是排水主干管道的分段位置，并根据分段位置对排水主干管道进行分段处理，将长距离且连续的排水主干管道拆分为若干个水力特性均匀的独立管道，可避免污水排水管网全域的遍历计算，缩短了异常运行区域排查的算力耗时。

18、进一步的，所述s30包括：

19、s301：利用设置在各分段位置处的原位微型采样器采集对应分段位置处的水质数据，所述水质数据包括化学需氧量、氨氮浓度和悬浮物浓度；

20、s302：利用设置在各分段位置处的原位微型采样器搭载的gnss定位模块采集的空间坐标，所述空间坐标为采样点的坐标，得到污水排水管网的三维地图，并将在各分段位置处采集的水质数据映射到污水排水管网的三维地图中；

21、s303：将分段位置处的实时水质参数与该位置的历史正常水质基线进行比较，若化学需氧量、氨氮浓度、悬浮物浓度中任意两项指标均超出对应指标的基线波动区间，则在污水排水管网的三维地图中对该分段位置进行标记，其中，历史正常水质基线指对分段位置点在无异常排污、无管网破损的正常情况下，由原位微型采样器连续采集2周以上的化学需氧量、氨氮浓度、悬浮物浓度历史数据，剔除异常值后统计得到的分时段常规浓度均值与正常波动区间，正常波动区间为，其中，b表示某一项指标对应的分时段全部有效监测数据的标准差，a表示某一项指标对应的分时段常规浓度均值，通过统计分时段常规浓度均值与正常波动区间，克服了不同时段之间波动区间的合理性波动，提高了分段位置的标记有效性；

22、s304：以排水主干管道的水流方向为基准，串联所有标记的分段位置，生成多条连续的污水流向线路，根据各标记分段位置处的水质数据，确定各条污水流向线路的反向溯源特征，具体方法为，随机选定一条连续的污水流向线路，根据选定污水流向线路中各分段位置映射的水质数据，对选定污水流向线路中各分段位置的污染指数进行计算，污染指数=化学需氧量单指标得分×45%+氨氮单指标得分×35%+悬浮物单指标得分×20%，单指标得分是指将化学需氧量、氨氮、悬浮物的实测浓度映射到0-100区间内的污染程度分值的量化值，例如：15≤化学需氧量≤50，单位为：：化学需氧量的得分在20-40的区间内，若化学需氧量为，则化学需氧量的得分为，记污染指数最大值对应的分段位置点为污染指数峰值点，确定选定污水流向线路中与污染指数峰值点相邻的下游分段位置，对污染指数峰值点对应的污染指数与下游相邻分段位置点对应的污染指数之间的差值进行计算，得到第一浓度梯度差值；

23、在选定污水流向线路中剔除污染指数峰值点后，重复上述步骤，得到若干个浓度梯度差值，直至计算出的差值小于或等于0时停止操作，计算出的差值小于或等于0表示沿排水主干管道的水流方向污染指数不再升高，已经追溯到污染源头的上游边界；

24、集合计算得到的所有浓度梯度差值，以及对应浓度梯度差值对应的污染指数峰值点坐标得到选定污水流向线路的反向溯源特征，具体的，反向溯源特征={(浓度梯度差值,污染指数峰值点坐标),……}；

25、所述反向溯源特征指沿排水主干管道的水流反方向迭代得到的所有“污染指数峰值点对应的污染指数值与该峰值点相邻的下游分段位置点的污染指数之间的差值，以及污染指数峰值点对应的坐标”组成的点的集合；

26、通过浓度迭代精准锁定污水流向线路中存在的异常运行节点，依托沿流向的连续浓度梯度校验，不仅不受污水排水管网拓扑结构复杂性的干扰，还能够避免单异常点位偶然性数据波动导致的误判，同时，将排查范围缩小至目标点位周边的短距离分段管道，相较于传统方法中通过非线性叠加修正模型仅能够完成单点污染源定位，反向溯源特征形成的完整点集，可完整还原污染沿管网逆向传递的全链路，能够有效避免传统方法漏判中间溢流节点的缺陷，同时，还解决了传统方法多源叠加场景下的溯源结果不唯一的问题。

27、进一步的，所述s40包括：

28、s401：根据各条污水流向线路的反向溯源特征，对污水排水管网存在的所有异常运行区域进行锁定，所述异常运行区域为浓度梯度差值大于设定阈值的所有污染指数峰值点之间，沿污水排水管网走向连线构成的封闭区域，具体的，设定阈值可以为；

29、s402：根据各异常运行区域的区域面积，以及各异常运行区域与其上游相邻异常运行区域之间的最小边界距离，对各异常运行区域匹配的污水流向线路的预警指数进行计算，具体的计算方法为：随机选定一个异常运行区域，对选定异常运行区域的区域面积u进行归一化处理，区域面积的归一化处理结果，其中，、分别表示污水排水管网中所有区域面积的最大面积、最小面积，当时，取；

30、根据选定异常运行区域与其上游相邻异常运行区域的外轮廓边界，对所有点位对之间的欧式距离进行计算，并将计算的最短欧式距离作为选定异常运行区域与其上游相邻异常运行区域之间的最小边界距离v，具体的，若污水排水管网仅存在一个异常运行区域，则v取正无穷，此时预警指数仅由面积归一化值决定；

31、根据对选定异常运行区域匹配的污水流向线路的预警指数进行计算，其中，表示污水排水管网中所有分段管道的管道长均值，管道长均值=污水排水管网中所有分段管道的管道长之和/污水排水管网中存在的分段管道总数，、均表示权重系数且，表示以e为底的指数函数，；将异常运行区域面积，以及区域间的最小边界距离纳入预警指数的计算过程中，能够实现区域污染扩散风险预警，相较于单点预警而言，提高了预警精度；

32、s403：将污水流向线路的预警指数与预警阈值进行比较，并在预警指数大于预警阈值时，污水排水管网的三维地图中映射污水流向线路对应的异常运行区域发出预警信号，预警信号中包含与异常运行区域匹配的污水流向线路的预警指数，并根据预警指数自动调整预警信号的预警等级，便于维护人员确定各异常运行区域的维护优先级。通过将异常区域归一化面积、区域间最小边界距离纳入预警指数的计算并引入了指数衰减项，实现了污水排水管网场景下“相邻异常区域空间距离越近，污染联动扩散风险越高”的客观规律的可量化计算，区别于传统管网预警仅依靠单点水质指标触发预警的固有逻辑，以及通过指数衰减项将空间距离与污染扩散的传导规律进行绑定，无需依赖纯水力参数，提高了预警效率。

33、一种应用于排水管网运行异常的智能预警系统，所述系统包括控制参数获取模块、分段处理模块、反向溯源特征确定模块和智能预警模块；

34、所述控制参数获取模块用于对影响污水污染浓度的控制参数进行获取；

35、所述分段处理模块用于对排水主干管道在各连接处的分段判断条件进行分析，并基于分析结果，对排水主干管道进行分段处理；

36、所述反向溯源特征确定模块用于根据污水排水管网的三维地图中各分段位置的标记情况，以及排水主干管道的水流方向，生成若干条连续的污水流向线路，并确定各条污水流向线路的反向溯源特征；

37、所述智能预警模块用于对污水排水管网在各条污水流向线路的运行异常情况进行分析，并根据分析结果选择性触发预警信号。

38、进一步的，所述控制参数获取模块包括监测装置布设单元和控制参数监测单元；

39、所述监测装置布设单元基于污水排水管网中排水主干管道与各排水干管道的连接处的位置情况，对流量计，以及搭载gnss定位模块的原位微型采样器的布设位置进行确定；

40、所述控制参数监测单元通过布设的流量计，以及搭载gnss定位模块的原位微型采样器，对污水流经各流量计时对应的污水排放量，以及污水流经各连接处时对应的过水断面面积进行监测。

41、进一步的，所述分段处理模块包括第一分段判断条件分析单元、第二分段判断条件分析单元和分段单元；

42、所述第一分段判断条件分析单元根据污水流经相邻两个连接处时对应的排放量之间的差值是否在误差范围内，分析第一分段判断条件是否成立，并将分析结果传输至分段单元；

43、所述第二分段判断条件分析单元根据污水流经相邻两个连接处时对应的传输速率之间的差值是否在误差范围内，分析第二分段判断条件是否成立，并将分析结果传输至分段单元；

44、所述分段单元根据第一分段判断条件分析单元和第二分段判断条件分析单元传输的分析结果，对排水主干管道的分段位置进行确定，并根据确定的分段位置对排水主干管道进行分段处理。

45、进一步的，所述反向溯源特征确定模块包括水质数据采集单元、污水排水管网三维地图构建单元、分段位置标记单元和反向溯源特征确定单元；

46、所述水质数据采集单元利用设置在各分段位置处的原位微型采样器采集对应分段位置处的水质数据；

47、所述污水排水管网三维地图构建单元利用设置在各分段位置处的原位微型采样器搭载的gnss定位模块采集的空间坐标，得到污水排水管网的三维地图，并将在各分段位置处采集的水质数据映射到污水排水管网的三维地图中；

48、所述分段位置标记单元将分段位置处的实时水质参数与该位置的历史正常水质基线进行比较，若其中任意两项指标均超出对应指标的基线波动区间，则在污水排水管网的三维地图中对该分段位置进行标记；

49、所述反向溯源特征确定单元以排水主干管道的水流方向为基准，串联所有标记的分段位置，生成多条连续的污水流向线路，并根据各标记分段位置处的水质数据，确定各条污水流向线路的反向溯源特征。

50、进一步的，所述智能预警模块包括异常运行区域锁定单元、预警指数计算单元和智能预警单元；

51、所述异常运行区域锁定单元根据各条污水流向线路的反向溯源特征，对污水排水管网存在的所有异常运行区域进行锁定；

52、所述预警指数计算单元根据各异常运行区域的区域面积，以及各异常运行区域与其上游相邻异常运行区域之间的最小边界距离，对各异常运行区域匹配的污水流向线路的预警指数进行计算；

53、所述智能预警单元根据污水流向线路的预警指数与预警阈值的比较结果，控制污水排水管网的三维地图中映射污水流向线路对应的异常运行区域选择性发出预警信号。

54、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

55、1、本发明通过监测设备分段布设→高精度空间坐标映射污水排水管网三维地图→双指标超基线触发标记→迭代污染指数峰值梯度差值反向溯源的运行链路，克服了污水排水管网拓扑结构带来的路径干扰和定位偏差，而传统方法仅通过非线性叠加修正消除交汇口虚假峰值，无法过滤沿程水力扰动产生的局部伪异常；本发明并依托预警指数的空间关联筛选，直接将异常运行区域的排查范围缩小至目标点位周边的短距离分段管道，相较于现有技术对全管网进行地毯式排查而言，缩小了异常排查时间，同时，本发明通过反向溯源点集获得的全路径回溯能力，提高了跨区域扩散异常识别精度，解决了传统方法单点溯源无法覆盖污染全传递链路的问题。

56、2、本发明通过污水流经各连接处时对应的污水传输速率和污水排放量，对排水主干管道在各连接处的第一分段判断条件和第二分段判断条件进行分析，实现对排水主干管道的分段处理，将长距离且连续的排水主干管道拆分为若干个水力特性均匀的独立管道，可避免污水排水管网全域的遍历计算，缩短了异常运行区域排查的算力耗时。

57、3、本发明将异常运行区域面积，以及区域间的最小边界距离纳入预警指数的计算过程中，实现了关于区域污染扩散风险的量化分级预警，相较于单点预警而言，可捕捉跨区域的污染联动扩散趋势，预警分级精度较高，进而实现了污水排水管网运行异常的智能预警。