一种消防水压异常监测系统及无监督异常检测方法与流程

1.本发明涉及压力检测技术领域，尤其涉及一种消防水压异常监测系统及无监督异常检测方法。


背景技术：

2.消防给水设施日常不会使用，只有在发生火灾或是其他一些紧急情况时才会进行使用，为了确保消防给水设施可以正常运行，需要确保消防给水设施具有足够的水压，为此，每隔一定时间需要对消防给水设施进行水压检测，以确定消防给水设施具备足够的水压。
3.上下文异常是在时间序列内偏离预期模式的序列。如果孤立地看，它们可能在该信号的预期值范围内。当与周围的背景信息对比，上下文异常是对正常情况的偏离。集体异常是对一组数据进行观察从而发现的异常。集体异常中的单点数据可能是异常的，也可能不是异常的，只有当他们作为一个群体出现时，他们才算是异常。目前的水压监测系统，通常是依托传感器进行压力检测，通过设置阈值进行压力值的异常发现。该方法只能实现单点异常的检测，但不能检测上下文异常、集体异常情况。


技术实现要素：

4.为此，本发明提供一种消防水压异常监测系统及无监督异常检测方法，用以克服现有技术中只能对水压进行单点异常的检测，不能检测上下文异常、集体异常情况的问题。
5.为实现上述目的，本发明提供一种消防水压异常监测系统，包括，
6.压力传感器，其与待监测的供水管网道相连，用以采集管道内的水压数据；
7.通信网络，其与所述压力传感器相连，用以传递压力传感器采集到的数据；
8.数据中心，其与所述通信网络相连，数据中心内设置有存储模块和中控模块，所述存储模块用以存储压力传感器监测到的数据，所述中控模块用以对压力传感器采集到的数据进行数据分析；
9.报警装置，其与是数据中心相连，当数据中心判断数据异常时，所述报警装置进行报警提醒；
10.所述压力传感器采集管道内任意时刻的压力值，并将采集的结果传递至中控模块，中控模块对采集的压力值进行分析，判断其是否为单点异常；
11.当采集到的压力值不为单点异常时，所述存储模块记录检查周期内所有的压力值，所述中控模块对单个检测周期内的压力值进行整合，生成压力值函数图像，中控模块对函数图像进行分析，判断单个检测周期内是否存在上下文异常/集体异常；
12.当单个检测周期内与自身比不存在上下文异常/集体异常时，所述存储模块记录一个循环周期内多个检测周期的函数图像，并进行图像整合，中控模块对整合后的图像进行分析，判断是否存在单个检测周期整体集体异常。
13.进一步地，当采用所述监测系统进行水压监测时，所述压力传感器实时监测管道
内水压a并将检测结果通过所述通信网络传递至中控模块，所述中控模块内设有第一水压参数a1和第二水压参数a2，所述中控模块将检测到的水压数值a与第一水压参数a1和第二水压参数a2进行对比，
14.当a≤a1时，所述中控模块判定水压值过低，管道内水压出现单点异常，中控模块向所述报警装置发出指令，报警装置进行报警；
15.当a1＜a≤a2时，所述中控模块判定水压值范围正常，中控模块将对所述存储模块发出指令对水压值a进行存储；
16.当a＞a2时，所述中控模块判定水压值过高，管道内水压出现单点异常，中控模块向所述报警装置发出指令，报警装置进行报警。
17.进一步地，其特征在于，在水压值a范围正常且水压值a的下一个监测水压值a’范围正常时，所述中控模块计算水压值a与水压值a’的差值的绝对值δa1，δa1＝∣a
‑
a’∣，中控模块内还设有水压差值的绝对值参数δaz，中控模块将计算的差值的绝对值δa1与水压差值的绝对值参数δaz进行对比，
18.当δa1≤δaz时，所述中控模块判定水压值a与水压值a’的变化值在合理范围内；
19.当δa1＞δaz时，所述中控模块判定水压值a与水压值a’的变化值不在合理范围内，中控模块向所述报警装置发出指令，报警装置进行报警。
20.进一步地，所述中控模块内还设有单个检查周期t内的压力变化函数ab＝f(tz),其中，tz表示单个检查周期t内的任一时刻，ab表示tz时刻管道内的水压值；
21.所述压力传感器监测单个检查周期t1内的所有压力值，并将各监测值传递至所述存储模块，中控模块对单个检查周期t1内的所有压力值进行分析，获得压力变化函数图a1b＝f(t1z)，其中，t1z表示单个检查周期t1内的任一时刻，a1b表示t1z时刻管道内的水压值；
22.所述中控模块将函数图a1b＝f(t1z)与压力变化函数ab＝f(tz)进行比对，当函数图a1b＝f(t1z)中出现偏离预期的压力变化函数ab＝f(tz)的数值时，所述中控模块判定单个检查周期t1内出现上下文异常，中控模块向所述报警装置发出指令，报警装置进行报警。
23.进一步地，当将函数图a1b＝f(t1z)与压力变化函数ab＝f(tz)进行比对时，将压力变化函数ab＝f(tz)的幅度与频率进行调节，使得ab＝f(tz)与a1b＝f(t1z)的振幅、频率分别相同，将ab＝f(tz)图像进行平移，使得ab＝f(tz)的峰值点与a1b＝f(t1z)峰值点重合；
24.所述中控模块将调节后的ab＝f(tz)图像与a1b＝f(t1z)图像进行对比，当a1b＝f(t1z)图像中出现与ab＝f(tz)图像走势不同的数据时，所述中控模块判定单个检查周期t1内出现上下文异常，中控模块向所述报警装置发出指令，报警装置进行报警。
25.进一步地，当a1b＝f(t1z)图像与ab＝f(tz)图像走势相同时，中控模块计算t1z内任意时刻t1x对应的压力值a1x与ab＝f(tz)图像内对应的压力值ax值的差值的绝对值δax，δax＝∣a1x
‑
ax∣，所述中控模块内设有函数图像压力值差值评价参数d，中控模块将δax与压力值差值评价参数d进行对比，
26.当δax≤d时，所述中控模块判定任意时刻t1x的压力值在合理范围；
27.当δax＞d时，所述中控模块判定任意时刻t1x的压力值不在合理范围。
28.进一步地，当中控模块判定任意时刻t1x的压力值不在合理范围时，所诉中控模块对a1b＝f(t1z)图像内所有压力值与ab＝f(tz)图像内对应的压力值进行差值的绝对值计
算，并通过计算确定压力值不在合理范围的图像段，中控模块对不合理范围的图像段进行标注，中控模块判定该图像段集体异常，中控模块启动报警装置进行报警。
29.进一步地，当中控模块判定任意时刻t1x的压力值均在合理范围时，所述存储模块对a1b＝f(t1z)图像进行存储，并存储调节后的ab＝f(tz)图像，记调节后的ab＝f(tz)图像为c1；
30.在压力传感器监测下个检查周期t2内的所有压力值，所述中控模块对单个检查周期t2内的所有压力值进行分析，获得压力变化函数图a2b＝f(t2z)，中控模块按照上述a1b＝f(t1z)图像与压力变化函数ab＝f(tz)对比的方法将a2b＝f(t2z)与函数ab＝f(tz)进行对比；
31.所述存储模块对根据a2b＝f(t2z)进行调节的ab＝f(tz)图像进行存储，记调节后的ab＝f(tz)图像为c2；
32.所述存储模块对根据检查周期t3时段内的压力变化函数图a3b＝f(t3z)进行调节的ab＝f(tz)图像进行存储，记调节后的ab＝f(tz)图像为c3；
33.所述中控模块对一个大循环周期t内的ab＝f(tz)图像进行整合，生成图像总图g0，其中，对于大循环周期t，t(t1，t2，t3，t4
…
tn)，对于图像总图g0，g0(c1,c2,c3,c4
…
cn)；
34.所述中控模块对图像总图g0进行分析，当图像总图g0中明显出现图像段ci不符合整体走势时，所述中控模块判定图像段ci集体异常，中控模块启动报警装置进行报警。
35.一种应用于上述消防水压异常监测系统的无监督异常检测方法，包括：
36.步骤一：收集一批水压历史数据序列，对序列进行预处理；
37.步骤二：将补全后的历史数据序列按照策略分割成多个时序片段；
38.步骤三：搭建变分自编码器，并将自编码器嵌入至中控模块，中控模块从自编码器中获取压力变化函数ab＝f(tz)；
39.步骤四，压力传感器获取待检测管道的压力数据，并将数据通过通信网络传递至数据中心，数据中心对管道的压力数据进行分析，判定管道的压力状态。
40.与现有技术相比，本发明的有益效果在于，当采集到的压力值不为单点异常时，所述存储模块记录检查周期内所有的压力值，所述中控模块对单个检测周期内的压力值进行整合，生成压力值函数图像，中控模块对函数图像进行分析，判断单个检测周期内是否存在上下文异常/集体异常，充分检测管道内水压情况，确保消防水管的正常使用。
41.进一步地，所述压力传感器采集管道内任意时刻的压力值，并将采集的结果传递至中控模块，中控模块对采集的压力值进行分析，判断其是否为单点异常；通过对任一时刻的水压数据进行监测，并设置水压参数值，判定管道内水压是否在合理范围，当水压不在合理范围时，启动报警装置进行报警，防止水压过高使管道破损，也防止水压过低影像管道的正常使用。
42.进一步地，在水压值a范围正常且水压值a的下一个监测水压值a’范围正常时，所述中控模块计算水压值a与水压值a’的差值的绝对值δa1，通过检查相邻两次水压值的差值的绝对值，判定管道内水压是否出现突变，防止出现压力突变值导致水管受损，影像消防管道的正常使用。
43.进一步地，所述压力传感器监测单个检查周期t1内的所有压力值，并将各监测值
传递至所述存储模块，中控模块对单个检查周期t1内的所有压力值进行分析，获得压力变化函数图a1b＝f(t1z)，其中，t1z表示单个检查周期t1内的任一时刻，a1b表示t1z时刻管道内的水压值；所述中控模块将函数图a1b＝f(t1z)与压力变化函数ab＝f(tz)进行比对，对每个数值孤立的看，有可能各数值均在阈值范围内，通过将单个检查周期内的图像与预设的图像进行对比，增加压力值周围信息对比过程，以确定上下文异常情况，确保消防管道的正常使用。
44.尤其，当a1b＝f(t1z)图像与ab＝f(tz)图像走势相同时，中控模块计算t1z内任意时刻t1x对应的压力值a1x与ab＝f(tz)图像内对应的压力值ax值的差值的绝对值δax，即使水压函数图像的走势与预设图像的走势相仿，也有可能出现预设值与实际值差值过大的可能，对图像内的各数值进行对比，以探索符合图像走势但差值过大水压值，确保消防管道的正常使用。
45.尤其，当中控模块判定任意时刻t1x的压力值不在合理范围时，所诉中控模块对a1b＝f(t1z)图像内所有压力值与ab＝f(tz)图像内对应的压力值进行差值的绝对值计算，并通过计算确定压力值不在合理范围的图像段，中控模块对不合理范围的图像段进行标注，中控模块判定该图像段集体异常，中控模块启动报警装置进行报警。因为ab＝f(tz)与a1b＝f(t1z)的振幅、频率分别相同且ab＝f(tz)的峰值点与a1b＝f(t1z)峰值点重合，且a1b＝f(t1z)为连续性的函数图像，所以当存在任意时刻t1x的压力值不在合理范围时亦存在压力值不在合理范围的图像段，中控模块通过对整体图像进行差值的绝对值进行对比，以确定集体异常的图像段，确保消防管道的正常使用。
46.尤其，当单个检测周期内与自身比不存在上下文异常/集体异常时，所述存储模块记录一个循环周期内多个检测周期的函数图像，并进行图像整合，中控模块对整合后的图像进行分析，判断是否存在单个检测周期整体集体异常，通过对设置大循环周期，并对大循环周期内的图像进行检测分析，防止出现一个时间段内集体异常而被判定正常的现象，确保消防管道的正常使用。
附图说明
47.图1为本发明所述消防水压异常监测系统的结构示意图。
具体实施方式
48.为了使本发明的目的和优点更加清楚明白，下面结合实施例对本发明作进一步描述；应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
49.下面参照附图来描述本发明的优选实施方式。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用于解释本发明的技术原理，并非在限制本发明的保护范围。
50.需要说明的是，在本发明的描述中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方向或位置关系的术语是基于附图所示的方向或位置关系，这仅仅是为了便于描述，而不是指示或暗示所述装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
51.此外，还需要说明的是，在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地
连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域技术人员而言，可根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
52.请参阅图1所示，本发明所述消防水压异常监测系统的结构示意图。
53.本发明公布一种消防水压异常监测系统，包括，压力传感器1、通信网络2、数据中心3、报警装置4，其中，
54.压力传感器1，其与待监测的供水管网5道相连，用以采集管道内的水压数据；
55.通信网络2，其与所述压力传感器1相连，用以传递压力传感器1采集到的数据；
56.数据中心3，其与所述通信网络2相连，数据中心3内设置有存储模块31和中控模块32，所述存储模块31用以存储压力传感器1监测到的数据，所述中控模块32用以对压力传感器1采集到的数据进行数据分析；
57.报警装置4，其与是数据中心3相连，当数据中心3判断数据异常时，所述报警装置4进行报警提醒；
58.当采用所述监测系统进行水压监测时，所述压力传感器1实时监测管道内水压a并将检测结果通过所述通信网络2传递至中控模块32，所述中控模块32内设有第一水压参数a1和第二水压参数a2，所述中控模块32将检测到的水压数值a与第一水压参数a1和第二水压参数a2进行对比，
59.当a≤a1时，所述中控模块32判定水压值过低，管道内水压出现单点异常，中控模块32向所述报警装置4发出指令，报警装置4进行报警；
60.当a1＜a≤a2时，所述中控模块32判定水压值范围正常，中控模块32将对所述存储模块31发出指令对水压值a进行存储；
61.当a＞a2时，所述中控模块32判定水压值过高，管道内水压出现单点异常，中控模块32向所述报警装置4发出指令，报警装置4进行报警；
62.通过对任一时刻的水压数据进行监测，并设置水压参数值，判定管道内水压是否在合理范围，当水压不在合理范围时，启动报警装置4进行报警，防止水压过高使管道破损，也防止水压过低影像管道的正常使用。
63.在水压值a范围正常且水压值a的下一个监测水压值a’范围正常时，所述中控模块32计算水压值a与水压值a’的差值的绝对值δa1，δa1＝∣a
‑
a’∣，中控模块32内还设有水压差值的绝对值参数δaz，中控模块32将计算的差值的绝对值δa1与水压差值的绝对值参数δaz进行对比，
64.当δa1≤δaz时，所述中控模块32判定水压值a与水压值a’的变化值在合理范围内；
65.当δa1＞δaz时，所述中控模块32判定水压值a与水压值a’的变化值不在合理范围内，中控模块32向所述报警装置4发出指令，报警装置4进行报警；
66.通过检查相邻两次水压值的差值的绝对值，判定管道内水压是否出现突变，防止出现压力突变值导致水管受损，影像消防管道的正常使用。
67.所述中控模块32内还设有单个检查周期t内的压力变化函数ab＝f(tz),其中，tz表示单个检查周期t内的任一时刻，ab表示tz时刻管道内的水压值；
68.所述压力传感器1监测单个检查周期t1内的所有压力值，并将各监测值传递至所
述存储模块31，中控模块32对单个检查周期t1内的所有压力值进行分析，获得压力变化函数图a1b＝f(t1z)，其中，t1z表示单个检查周期t1内的任一时刻，a1b表示t1z时刻管道内的水压值；
69.所述中控模块32将函数图a1b＝f(t1z)与压力变化函数ab＝f(tz)进行比对，当函数图a1b＝f(t1z)中出现偏离预期的压力变化函数ab＝f(tz)的数值时，所述中控模块32判定单个检查周期t1内出现上下文异常，中控模块32向所述报警装置4发出指令，报警装置4进行报警。
70.对每个数值孤立的看，有可能各数值均在阈值范围内，通过将单个检查周期内的图像与预设的图像进行对比，增加压力值周围信息对比过程，以确定上下文异常情况，确保消防管道的正常使用。
71.当将函数图a1b＝f(t1z)与压力变化函数ab＝f(tz)进行比对时，将压力变化函数ab＝f(tz)的幅度与频率进行调节，使得ab＝f(tz)与a1b＝f(t1z)的振幅、频率分别相同，将ab＝f(tz)图像进行平移，使得ab＝f(tz)的峰值点与a1b＝f(t1z)峰值点重合；
72.所述中控模块32将调节后的ab＝f(tz)图像与a1b＝f(t1z)图像进行对比，当a1b＝f(t1z)图像中出现与ab＝f(tz)图像走势不同的数据时，所述中控模块32判定单个检查周期t1内出现上下文异常，中控模块32向所述报警装置4发出指令，报警装置4进行报警。
73.当a1b＝f(t1z)图像与ab＝f(tz)图像走势相同时，中控模块32计算t1z内任意时刻t1x对应的压力值a1x与ab＝f(tz)图像内对应的压力值ax值的差值的绝对值δax，δax＝∣a1x
‑
ax∣，所述中控模块32内设有函数图像压力值差值评价参数d，中控模块32将δax与压力值差值评价参数d进行对比，
74.当δax≤d时，所述中控模块32判定任意时刻t1x的压力值在合理范围；
75.当δax＞d时，所述中控模块32判定任意时刻t1x的压力值不在合理范围。
76.即使水压函数图像的走势与预设图像的走势相仿，也有可能出现预设值与实际值差值过大的可能，对图像内的各数值进行对比，以探索符合图像走势但差值过大水压值，确保消防管道的正常使用。
77.当中控模块32判定任意时刻t1x的压力值不在合理范围时，所诉中控模块32对a1b＝f(t1z)图像内所有压力值与ab＝f(tz)图像内对应的压力值进行差值的绝对值计算，并通过计算确定压力值不在合理范围的图像段，中控模块32对不合理范围的图像段进行标注，中控模块32判定该图像段集体异常，中控模块32启动报警装置4进行报警。
78.集体异常是对一组数据进行观察从而发现的异常。集体异常中的单点数据可能是异常的，也可能不是异常的，只有当他们作为一个群体出现时，他们才算是异常，因为ab＝f(tz)与a1b＝f(t1z)的振幅、频率分别相同且ab＝f(tz)的峰值点与a1b＝f(t1z)峰值点重合，且a1b＝f(t1z)为连续性的函数图像，所以当存在任意时刻t1x的压力值不在合理范围时亦存在压力值不在合理范围的图像段，中控模块32通过对整体图像进行差值的绝对值进行对比，以确定集体异常的图像段，确保消防管道的正常使用。
79.当中控模块32判定任意时刻t1x的压力值均在合理范围时，所述存储模块31对a1b＝f(t1z)图像进行存储，并存储调节后的ab＝f(tz)图像，记调节后的ab＝f(tz)图像为c1；
80.在压力传感器1监测下个检查周期t2内的所有压力值，所述中控模块32对单个检查周期t2内的所有压力值进行分析，获得压力变化函数图a2b＝f(t2z)，中控模块32按照上
述a1b＝f(t1z)图像与压力变化函数ab＝f(tz)对比的方法将a2b＝f(t2z)与函数ab＝f(tz)进行对比；
81.所述存储模块31对根据a2b＝f(t2z)进行调节的ab＝f(tz)图像进行存储，记调节后的ab＝f(tz)图像为c2；
82.所述存储模块31对根据检查周期t3时段内的压力变化函数图a3b＝f(t3z)进行调节的ab＝f(tz)图像进行存储，记调节后的ab＝f(tz)图像为c3；
83.所述中控模块32对一个大循环周期t内的ab＝f(tz)图像进行整合，生成图像总图g0，其中，对于大循环周期t，t(t1，t2，t3，t4
…
tn)，对于图像总图g0，g0(c1,c2,c3,c4
…
cn)；
84.所述中控模块32对图像总图g0进行分析，当图像总图g0中明显出现图像段ci不符合整体走势时，所述中控模块32判定图像段ci集体异常，中控模块32启动报警装置4进行报警。
85.通过对设置大循环周期，并对大循环周期内的图像进行检测分析，防止出现一个时间段内集体异常而被判定正常的现象，确保消防管道的正常使用。
86.一种应用于上述消防水压异常检测系统的无监督异常检测方法，包括：
87.步骤一：收集一批水压历史数据序列，对序列进行预处理。预处理包括：(1)对序列中的缺失值进行插值处理，补全缺失值。
88.步骤二：将补全后的历史数据序列按照策略分割成多个时序片段。策略为：时序片段长度设置为n，其中n必须为偶数，然后采用滑窗法进行分割，滑窗的步进设置为m，其中m>＝1并且m<＝n/2，m视数据中心的处理能力而定，m越小，则分割后的片段数目更多，需要更强大的计算资源，训练后的自编码器性能更好。
89.步骤三：搭建变分自编码器，并将自编码器嵌入至中控模块，中控模块从自编码器中获取压力变化函数ab＝f(tz)；
90.步骤四，压力传感器获取待检测管道的压力数据，并将数据通过通信网络传递至数据中心，数据中心对管道的压力数据进行分析，判定管道的压力状态。
91.至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征做出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。