给水管网数据流模式识别与异常检测研究

来源 :哈尔滨工业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:laoyoutiaosc
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城镇化不断推进的背景下,给水管网系统也随着城市扩张的脚步不断延展。在给水管网日益复杂,而信息化、数字化程度日益提升的背景下,如何用好给水管网中各个传感器流向数据库的“数据流”使得给水管网基础设施维护人员能够及时、有效发现管网中的异常情况,是目前城市给水管网基础维护工作的现实需求。本研究从华东某市的现实需求出发,针对给水管网数据流模式异常检测问题进行问题导向式的研究,致力于提出一种适应概念漂移的、从数据流模式角度出发的给水管网数据流模式异常检测方案。对华东某市数据应用现状及其中体现出的现有数据应用的问题进行了分析,从数据和模型对概念漂移的适应两方面进行了归纳,明确了异常检测工作对解决现有问题的意义。对不同视角下的异常及其检测方案进行了演进式的分析讨论,基于对现实应用的分析与对历史研究的回顾提出了异常检测工作的三个要点:模式特征识别、概念漂移适应与样本区分。对给水管网数据流模式进行识别与分析:将数据流节假日效应分析问题转化为同分布检验问题进行分析。在自相关函数的基础上构建滤波器以进行数据流主导周期分析,并在华东某市的数据库中进行了应用。针对给水管网数据流的概念漂移问题,从成因及影响两个角度对给水管网数据流的概念漂移问题进行了讨论,指出了异常检测过程可以抓住异常工况引起的概念漂移与非异常因素引起的概念漂移的不同特性进行工况异常判别。构建给水管网数据流模式异常检测方案。在分析给水管网数据流模式识别的问题特征后,构建了对应的数据集以进行算法的测试研究,基于此选用DBSCAN算法进行聚类工作。通过对现有方案及其针对给水管网数据流的适用性进行分析,设计基于水力模型模式的改良方案进行数据流变换,并构建基于窗口限制策略的DTW距离度量方案进行样本距离度量。在概念漂移背景下,研究针对性的进行数据流样本集合构建策略研究,使得异常检测方案在适应持续时间较长的概念漂移过程的同时满足异常检测的实际应用需要。利用华东某市的实际数据,以华东某市现有的三种异常检测方案作为对比方案进行比较研究。在15项压力数据流异常检测工作中,本研究提出的方案平均准确率高于三种对比方案中准确率最好的方案1.42%,同时FPR平均低于该方案26.54%,FNR平均低于该方案0.24%;在36项瞬时流量数据流异常检测工作中,本研究提出的方案平均准确率高于三种对比方案中准确率最好的方案39.55%,FPR、FNR分别平均低于该方案24.29%、40.01%。证明本研究提出的异常检测方案对于不同用户类型、不同波动率的数据均具有较好的检测效果,同时对节假日效应的情况也具有较好的适应性,能够满足实际工程的应用要求。
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