【摘要】：由于住戶每次用水的時(shí)間和用水量是不可預(yù)知的,所以能夠靈活應(yīng)對(duì)這種不確定性因素的響應(yīng)安排就顯得尤為重要。提出了一套基于分級(jí)響應(yīng)機(jī)制的家庭智慧節(jié)水系統(tǒng),該系統(tǒng)在分級(jí)響應(yīng)的基礎(chǔ)上,結(jié)合ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)和Android智能平臺(tái),實(shí)現(xiàn)了對(duì)家庭用水?dāng)?shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與用水設(shè)備的遠(yuǎn)程控制。傳感器采集用戶家中用水?dāng)?shù)據(jù),通過(guò)Zig Bee無(wú)線組網(wǎng)方式進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā),服務(wù)器作為整套系統(tǒng)的大腦,根據(jù)本文提出的分級(jí)響應(yīng)機(jī)制對(duì)來(lái)自終端節(jié)點(diǎn)的用水?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行處理并分析,根據(jù)不同的分析結(jié)果選擇不同的響應(yīng)級(jí)別進(jìn)而采取不同的控制措施。介紹了系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案以及分級(jí)響應(yīng)機(jī)制的內(nèi)容,并利用RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)分級(jí)響應(yīng)機(jī)制進(jìn)行優(yōu)化,最后通過(guò)案例分析論證了該系統(tǒng)對(duì)節(jié)約家庭用水能夠起到較為明顯的效果。
【圖文】：

第21期楊宗海，等:基于分級(jí)響應(yīng)機(jī)制的家庭智慧節(jié)水系統(tǒng)設(shè)計(jì)行遠(yuǎn)程控制;智能水流量控制閥門是系統(tǒng)的受控元件，手機(jī)可以隨時(shí)隨地對(duì)閥門進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。如圖1所示，服務(wù)器作為整套系統(tǒng)的大腦，重點(diǎn)在于對(duì)住戶用水?dāng)?shù)據(jù)的分析與處理功能，其中，分級(jí)響應(yīng)機(jī)制的運(yùn)行就是在服務(wù)器中實(shí)現(xiàn)的。服務(wù)器對(duì)協(xié)調(diào)器上傳的用水?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行保存，并根據(jù)分級(jí)響應(yīng)機(jī)制對(duì)接收的住戶用水?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行處理;對(duì)處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，判斷應(yīng)當(dāng)觸發(fā)分級(jí)響應(yīng)機(jī)制的哪一級(jí)響應(yīng);服務(wù)器根據(jù)所判定的響應(yīng)級(jí)別，給相關(guān)設(shè)備發(fā)送所應(yīng)采取的控制指令;相關(guān)設(shè)備接收到服務(wù)器的控制指令后，對(duì)住戶家庭用水進(jìn)行相應(yīng)的控制和監(jiān)測(cè)。圖1系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)Fig．1Diagramofsystemschemedesign2分級(jí)響應(yīng)機(jī)制在系統(tǒng)中的應(yīng)用為應(yīng)對(duì)每個(gè)住戶不可預(yù)知的用水時(shí)間及用水量，并實(shí)現(xiàn)智慧節(jié)水的目標(biāo)，本文引用了分級(jí)響應(yīng)機(jī)制。該機(jī)制能夠?qū)Ω髯舻募彝ビ盟坑幸粋�(gè)明確的等級(jí)劃分，并結(jié)合各住戶的歷史用水?dāng)?shù)據(jù)，有針對(duì)性地對(duì)每個(gè)住戶的用水量進(jìn)行合理的分級(jí)控制，最后利用逐級(jí)遞減的算法將用水過(guò)量的住戶引入合理的用水量區(qū)間。2．1數(shù)據(jù)處理服務(wù)器所保存的歷史數(shù)據(jù)是經(jīng)過(guò)篩選后的數(shù)據(jù)，服務(wù)器會(huì)將大幅度突變、數(shù)據(jù)缺失較多等異常數(shù)據(jù)篩除，對(duì)完整性、連續(xù)性較好、規(guī)律性較強(qiáng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行保存［3］，并將1d連續(xù)步長(zhǎng)為1h的數(shù)據(jù)(24個(gè))按以下3個(gè)步驟進(jìn)行處理。(1)隨著每個(gè)住戶每日新的家庭用水?dāng)?shù)據(jù)的產(chǎn)生，服務(wù)器會(huì)將當(dāng)日作為最后1d，分別計(jì)算出每個(gè)住戶此前連續(xù)30d內(nèi)平均每小時(shí)的用水量Q，見(jiàn)式(1):Q=130Σ301124Σ23i=0Q()i(i=0，1，2，…，23)(1)式中，i為1d內(nèi)連續(xù)的24個(gè)時(shí)段;Qi為每個(gè)時(shí)段住戶的用水量。(2)算出該住戶當(dāng)天每個(gè)時(shí)段的用水量相對(duì)平均用水量的比值系數(shù)K:K=Qi/Q(2)得出該住戶

⒏釬魷喙睪俠砘?建議，例如建議用戶一水多用并改正不良的用水習(xí)慣等，或建議用戶通過(guò)手機(jī)APP遠(yuǎn)程控制減小水流量控制閥門甚至關(guān)閉閥門以消除家中漏水的事故隱患，對(duì)住戶用水起到一個(gè)軟干預(yù)的作用，直到用水量恢復(fù)正常標(biāo)準(zhǔn)。(3)當(dāng)K值超過(guò)小時(shí)變化系數(shù)的最大值(即K＞Khmax)，說(shuō)明該小時(shí)用水量高于最大時(shí)用水量，啟動(dòng)一級(jí)響應(yīng)，即用水過(guò)度，此時(shí)服務(wù)器將直接下達(dá)命令給協(xié)調(diào)器，減少水流量控制閥門的出水量以達(dá)到節(jié)約用水的目的或關(guān)閉閥門以消除家中漏水隱患，對(duì)住戶用水起到一個(gè)強(qiáng)制干預(yù)的效果，直到用水量恢復(fù)標(biāo)準(zhǔn)。圖2家庭智慧節(jié)水系統(tǒng)分級(jí)響應(yīng)流程Fig．2Flowchartofhierarchicalresponseoffamilyintelligentwatersavingsystem3分級(jí)響應(yīng)機(jī)制的優(yōu)化通過(guò)分級(jí)響應(yīng)機(jī)制能夠?qū)ψ舻募彝ビ盟鸬揭粋�(gè)合理的控制，但是該控制機(jī)制源于該住戶自身的用水?dāng)?shù)據(jù)Qi及Q的比值，無(wú)法和當(dāng)?shù)鼐用窈侠碛盟畢^(qū)間結(jié)合起來(lái)。例如，若住戶的用水量長(zhǎng)期處于超標(biāo)的狀態(tài)，也就是分子Qi及分母Q都處于一個(gè)較高值，但其比值K很可能處于一個(gè)合理的區(qū)間，雖然也能時(shí)不時(shí)地觸發(fā)分級(jí)響應(yīng)機(jī)制，但是住戶的用水量卻可能是嚴(yán)重超標(biāo)的。因此，為達(dá)到智慧節(jié)水的目的，需要對(duì)分級(jí)響應(yīng)機(jī)制進(jìn)行優(yōu)化。考慮到每個(gè)家庭的不同用水情況(如某些家庭用水需求高、有些家庭低)，應(yīng)針對(duì)每一戶家庭建立適合該家庭的需水預(yù)測(cè)模型［6］，從而使分級(jí)響應(yīng)機(jī)制更加智能化。國(guó)內(nèi)外大量研究表明，家庭用水量的變化受多種因素影響。運(yùn)用灰色關(guān)聯(lián)分析法，對(duì)城市居民用水量的影響因子進(jìn)行排序后發(fā)現(xiàn):家庭人數(shù)和氣溫是影響家庭用水量的主要因子，其次為用水行為習(xí)慣、年齡結(jié)構(gòu)，而住房面積和收入對(duì)其影響較小［7］。經(jīng)過(guò)對(duì)已有數(shù)據(jù)的分析和整理，除氣溫和家庭人數(shù)之外，其它影響因子作?

ABC相對(duì)誤差/%ABC113581915223491985352．53．72．4123711195313611275482．76．73．2133461905183301775064．66．82．3將優(yōu)化后的分級(jí)響應(yīng)機(jī)制應(yīng)用到該小區(qū)中，如圖3所示。在未加入分級(jí)響應(yīng)機(jī)制時(shí)，部分用水高峰時(shí)段的K值達(dá)到甚至超過(guò)了小時(shí)變化系數(shù)Kh(2．0～2．5)的范圍。當(dāng)加入分級(jí)響應(yīng)機(jī)制的干預(yù)后，根據(jù)不同響應(yīng)級(jí)別的觸發(fā)，對(duì)居民用水情況分別進(jìn)行設(shè)備與人為的干預(yù)［15］。從圖中不難看出，優(yōu)化后的分級(jí)響應(yīng)機(jī)制能夠?qū)ψ舻牟涣加盟袨槠鸬揭粋�(gè)很好的限制規(guī)范作用，促使比值系數(shù)K在一定程度上下降。圖3家庭用水比值系數(shù)K走勢(shì)Fig．3TrendoffamilywaterratiocoefficientK圖4為該小區(qū)住戶各時(shí)段的平均用水量，從圖中可以明顯看出，在用水高峰期觸發(fā)一級(jí)和二級(jí)響應(yīng)機(jī)制后，在該機(jī)制的管控下，住戶的用水量會(huì)有較為明顯的下降。圖4分級(jí)響應(yīng)機(jī)制控制下用戶各時(shí)段用水量Fig．4Waterconsumptionofusersineachperiodunderthecontrolofhierarchicalresponsemechanism701

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