技术领域
[0001] 本
发明属于在线监管排污领域，具体涉及一种应用电力模型辅助的企业排污监管方法。
背景技术
[0002] 电力数据反应了企业生产情况，监管数据反映企业的排污情况，如何通过企业用电量分析企业的排污情况，识别企业异常排污行为，对环保部
门决策是非常具有参考价值的，企业的电力数据作为1个整体数据上传到电力部门，不会对生产排污设施，居民用电情况单独计费，这对决策层了解企业生产情况造成了重重困难，通过将电力
大数据与环保大数据结合，建立排污与用电之间的联系，分析企业异常排污时段，加强对排污企业的监管，同时电力部门也可根据企业生产设施用电情况合理供电。
发明内容
[0003] 针对上述问题，本发明的目的是提供一种能够应用电力模型辅助的企业排污监管方法计算方法。
[0004] 为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种应用电力模型辅助的排污企业监管方法，包括以下步骤：
[0005] (1)对企业用电量和企业排污量做数据预处理；
[0006] (2)基于预处理后的数据，根据用电比＝排污量/用电量，建立企业生产排污设施用电比时序图模型；
[0007] (3)基于建立的企业生产排污设施用电比时序图模型，对企业排污设施用电比时序图异常时段进行分析，将有用电比异常的企业，标记为嫌疑企业，计入排污监管异常企业
数据库；
[0008] (4)统计行业内的每小时用电量和排污量，并计算用电比均值，建立行业生产设施用电比时序图，将企业用电比与行业用电比进行曲线拟合，得到修正后的企业用电比，并进行时序图异常时段分析，将有用电比异常的企业，标记为嫌疑企业，计入排污监管异常企业数据库；
[0009] (5)基于排污监管异常企业数据库中的企业用电比异常时段，对企业的排污量进行验证，进而确认嫌疑企业是否为排污异常企业。
[0010] 进一步地，所述步骤(1)中数据预处理具体为：
[0011] 对企业用电量进行预处理，按小时统计企业生产期间的用电量。
[0012] 对企业排污量进行预处理，按小时统计企业排污量，作为分析企业排污情况的
基础数据，并排除企业生产期间无效时间段的用电量和排污量数据，所述无效时间段是指企业停产时段，设备故障时段及无污染排放的时段。
[0013] 进一步地，所述步骤(2)中建立企业生产排污设施用电比时序图模型具体步骤为：
[0014] (2.1)计算企业夜间生产设施每小时用电比
[0015] 假设企业生产设施在夜间运行的用电量近似等于企业夜间的用电量；对企业每日20:00--08:00生产时段的预处理后的用电量和排污量数据，进行计算得到夜间12小时内的每个小时的用电比d12(t)；同时计算夜间12小时的用电比均值，作为昼间的生产设施每个小时的用电比。
[0016] (2.2)计算企业昼间生产设施每小时用电比
[0017] (2.2.1)昼间企业居民每小时用电量确定
[0018] 统计08:00-20:00生产设施的排污量和日常用电量，基于夜间用电比均值的
稳定性，计算昼间的每小时生产设施用电量，计算公式：
[0019] 昼间每小时生产设施用电量＝昼间每小时排污量/夜间用电比均值
[0020] 昼间每小时日常用电量y(t)与昼间每小时生产设施用电量a(t)的关系为y(t)＝a(t)+b(t)，a(t)表示昼间每小时生产设施用电量，b(t)表示昼间每小时企业居民用电量，据此可以计算出昼间12小时企业居民用电量均值b(avg)。
[0021] (2.2.2)昼间企业生产设施每小时用电比的确定
[0022] 依据公式a(t)＝y(t)-b(avg)，重新计算出昼间每小时企业生产设施用电量，根据公式用电比＝排污量/用电量，可得修正后的昼间企业生产设施每小时用电比a2(t)。
[0023] (2.3)根据昼间和夜间企业生产设施每小时用电比，建立企业排污设施用电比时序图模型。
[0024] 进一步地，所述步骤(3)中企业用电比时序图异常时段分析具体为：
[0025] 基于步骤(2)得到的企业排污设施用电比时序图模型，得到时间与用电比x1(t)的表达式，企业用电比基本保持稳定，若数据骤变则有异常排放的嫌疑，标记为嫌疑企业，计入排污监管异常企业数据库。
[0026] 突变分析是指企业用电比数值突然下降或上升，则对排污量做进一步分析；
[0027] 规则说明，N时用电比为An；
[0028]时间 a用电比
N时 An
N+1时 An+1
[0029] 如果 那么认为An到An+1属于异常时段；标记为突变。
[0030] 进一步地，所述步骤(4)具体为：
[0031] 第1步：基于步骤(1)和步骤(2)，将相同行业、相同污
水排放标准和相同同污
水处理工艺的企业归并在一起，统计这些企业的每小时用电量和排污量，并计算用电比均值，建立行业生产设施用电比时序图，得到时间与行业用电比x2(t)的表达式；
[0032] 第2步：对企业用电比x1(t)与行业用电比x2(t)进行曲线拟合，得到修正后的企业用电比x12(t)表达式，正常情形下企业用电比x1(t)始终在修正后企业用电比x12(t)附近变化；若出现下列情况，则标记为嫌疑企业，计入排污监管异常企业数据库；
[0033] a.若修正企业用电比x12(t)在时刻t发生突变，且符合突变规则。
[0034] b.统计修正企业用电比x12(t)的数据分布，根据正态分布u±3σ对应的概率为99.73％的概率分布原则，筛选出超过其区间范围的时刻，认为该时刻企业有异常排放的嫌疑。
[0035] c.采用时间序列分析TSA分析方法，利用差分自回归移动平均模型(ARIMA)，进行预测后继时间点的各项监测数据，从而判定是否为异常数据，若存在异常数据，则标记为嫌疑企业。
[0036] 进一步地，利用MATLAB的cftool拟合工具箱对企业用电比x1(t)与行业用电比x2(t)进行曲线拟合。
[0037] 进一步地，企业排污量验证具体为：
[0038] (1)用电比突变验证：
[0039] 分析排污监管异常企业数据库的异常时段，基于突变分析规则，观察企业排污数据曲线相邻时刻排污量是否突变，进一步验证企业排污异常，如排污量突变，则验证了用电比模型的有效性，此时排污监管异常企业数据库中该企业嫌疑可以确认，属于排污异常企业。
[0040] (2)异常时段验证
[0041] 分析排污监管异常企业数据库的异常时段，观察企业排污数据曲线该时刻排污量数据偏高或偏低，进一步验证企业排污异常，如偏高偏低，则验证了用电比模型的有效性，此时排污监管异常企业数据库中该企业嫌疑可以确认，属于排污异常企业。
[0042] 本发明的有益效果为：为进一步完善优化应用电力模型辅助监管企业排污情况，在已有的企业用电数据基础分析之上，结合企业在线排污数据，提出用电比的概念并用之分析和处理，实现对企业排污数据进行实时预警、决策辅助分析等应用，大大提高环保部门对企业生产排污的有力监控，从而实现电力数据与环保数据的大数据的应用。
[0043] 本发明通过模型化手段，建立企业生产设施用电比时序图模型，运用企业所在行业用电比修正企业自身用电比，通过突变分析方法分析企业异常排放时段，模型将以训练
算法通过夜间用电比
迭代计算昼间用电比，减小了非生产设施用电引起的用电误差，提高了用电比模型的精确度，时序图线性模型建模简单，避免了模型的复杂化。本发明提出的一种应用电力模型辅助的排污企业监管方法，能够嗅探企业排污异常，分析企业各时段的生产用电情况，同时可以辅助电力部门的合理供电。
附图说明
具体实施方式
[0045] 以下结合附图对本发明具体实施方式作进一步详细说明。然而应当理解，附图的提供仅为了更好地理解本发明，它们不应该理解成对本发明的限制。
[0046] 如图1所示，本发明提供的一种应用电力模型辅助的排污企业监管方法，包括以下步骤：
[0047] (1)对企业用电量和企业排污量做数据预处理；
[0048] 按日统计企业生产期间的用电量和排污量，其中用电量单位为kw。企业排污量单位为立方米，以
废水瞬时流量作为企业排污量指标。
[0049] 排除企业生产期间的无效时间段(如企业停产时段，设备故障时段及无污染排放)的用电量和排污量数据。
[0050] (2)基于预处理后的数据，根据用电比＝排污量/用电量，建立企业生产排污设施用电比时序图模型；
[0051] 经观察发现：企业昼间用电量显著高于夜间用电量，在08:00，20:00前后用电量显著差异，故界定此模型中昼间定义为：08:00--20:00，夜间定义为20:00--08:00。
[0052] (2.1)计算企业夜间生产设施每小时用电比
[0053] 对企业每日20:00--08:00生产时段的预处理后的用电量和排污量数据，进行计算得到夜间12小时内的每个小时的用电比d12(t)；同时计算12小时的用电比均值，作为昼间的生产设施每个小时的用电比。用电比度量用电量与排污量的关系，夜间用电比比较准确的反应了生产设施用电量与生产设施排污量的关系，正常情形下，用电比图形是1条稳定的曲线。
[0054] (2.2)计算企业昼间生产设施每小时用电比
[0055] (2.2.1)昼间企业居民每小时用电量确定
[0056] 统计08:00-20:00生产设施的排污量和日常用电量，基于夜间用电比均值的稳定性，计算昼间的每小时生产设施用电量，计算公式：
[0057] 昼间每小时生产设施用电量＝昼间每小时排污量/夜间用电比均值
[0058] 目的是将企业日常用电量与生产设施用电量隔离开，单独关注设施用电量，可明显判断出昼间每小时日常用电量y(t)与昼间每小时生产设施用电量a(t)的关系为y(t)＝a(t)+b(t)；
[0059] 其中，a(t)表示昼间每小时生产设施用电量，b(t)表示昼间每小时企业居民用电量，据此可以计算出昼间12小时企业居民用电量均值b(avg)；
[0060] 设夜间均值用电比为s，昼间12小时的用电量y(t)，排污量p(t)；
[0061] a)确定需要进行计算的昼间用电比的范围，找出排污量p(t)的最小值和最大值，得到枚举解范围y2(t)＝M*y(t)，其中M>0。
[0062] b)依次遍历时刻，在确定夜间均值用电比s不变的情况下，枚举排污量p(t)；的值，计算公式y2(t)＝p(t)/s，最终得到1个临时的枚举值y2(t)，当前枚举值y2(t)代入方程y2(t)＝M*y(t)，得到参数M。
[0063] c)评价并记录当前解。根据所得参数M是否大于1，若不满足大于1，则踢除该时刻，继续下一时刻判断，同时该踢除时刻t的用电比以夜间用电比均值s计。
[0064] d)遍历结束时，可计算得到昼间每小时的居民用电量y3(t)＝y(t)-y2(t)，对其求均值y3avg,作为下一步将用到的。
[0065] (2.2.2)昼间企业生产设施每小时用电比的确定
[0066] 依据公式a(t)＝y(t)-b(avg)，此时b(avg)以y3avg代替，重新计算出昼间每小时企业生产设施用电量，根据公式用电比＝排污量/用电量，可得修正后的昼间企业生产设施每小时用电比a2(t)，a2(t)正是需要得到的。
[0067] (2.3)根据昼间和夜间企业生产设施每小时用电比，建立企业排污设施用电比时序图模型，企业用电比表达式x1(t)。
[0068] (3)统计行业内的每小时用电量和排污量，并计算用电比均值，建立行业生产设施用电比时序图，将企业用电比与行业用电比进行曲线拟合，得到修正后的企业用电比表达式x12(t)，
[0069] 第1步：基于步骤(1)和步骤(2)，将相同行业，相同污水排放标准，相同
污水处理工艺的企业归并在一起，统计这些企业的每小时用电量和排污量，并计算用电比均值，建立行业生产设施用电比时序图，得到时间与行业用电比x2(t)的表达式；
[0070] 第2步：利用MATLAB的cftool拟合工具箱对企业用电比x1(t)与行业用电比x2(t)进行曲线拟合，得到修正后的企业用电比x12(t)表达式。
[0071] (4)嫌疑企业标记：时序图异常时段分析，将有用电比异常的企业，标记为嫌疑企业，计入排污监管异常企业数据库；
[0072] (4.1)分析方法：
[0073] a.突变分析；
[0074] 正常情形下企业用电比x1(t)始终在修正后企业用电比x12(t)附近变化。
[0075] 突变分析是指企业用电比数值突然下降或上升，则对该项指标做进一步分析；具体包括以下步骤：
[0076] 规则说明，N时用电比为An；
[0077] 时间 用电比N时 An
N+1时 An+1
[0078] 如果 那么认为An到An+1属于异常时段；标记为突变。b.时间序列分析TSA分析方法
[0079] 时间序列分析TSA分析方法，是指各监测数据均在时序上存在一定的周期性，可以利用往期数据的发展规律，采用时间序列分析TSA分析方法，进行预测后继时间点的各项监测数据，从而判定是否为异常数据，若存在异常数据，则标记为嫌疑企业，具体步骤包括：
[0080] 采用差分自回归移动平均模型(ARIMA)，以AIC(Akaike Information Criterion)作为评价标准寻找最好解释数据并且包含自由参数最少的模型(通过p、d、q参数来确定)。
[0081] 该模型为：
[0082] At＝φ1At-1+φ2At-2+…+φpAt-p+δ+ut+θ1ut-1+θ2ut-2+…+θqut-q其中At表示序列i时的对象值，φi是自相关系数，δ是常数偏移项，ui是误差，θi是误差系数，t表示时刻，p表示
预测模型中采用的时序数据自身的滞后数，q表示预测误差的滞后数；
[0083] 阶段一：
[0084] 根据数据，计算ACF(自相关函数)与PACF(偏自相关函数)并绘制成图，根据ACF和PACF图检查序列是否需要进行差分转换，是否是周期性的数据。若得到的序列是非平稳的序列，根据需要将非平稳的序列通过差分得到平稳性的序列。
[0085] 阶段二：
[0086] 以AIC作为评价标准，使用网格搜索最佳的模型参数p、d、q；其中：
[0087] p:预测模型中采用的时序数据自身的滞后数(lags)，又称为自回归项；
[0088] d:需要进行的差分次数，又称为差分项；
[0089] q:预测误差的滞后数(lags)，又称为移动平均项；
[0090] 然后利用数据训练，获得模型的各项参数即模型中的φi、θi、δ。
[0091] 阶段三：
[0092] 利用训练好的ARIMA模型去预测后继时间点的指标值，比对监测值，通过计算监测值到预测值的欧氏距离并与人工设定的
阈值进行比较从而判定是否为异常点。
[0093] (4.2)标记原则：
[0094] a.企业用电比x1(t)在时刻t发生突变，且符合突变分析规则。
[0095] b.修正企业用电比x12(t)在时刻t发生突变，且符合突分析变规则。
[0096] c.统计修正企业用电比x12(t)的数据分布，根据正态分布u±3σ对应的占比为99.73％的分布原则，超出其区间范围的时刻。
[0097] d.若修正企业用电比x12(t)在时刻t1至时刻t2时间段违背时间序列分析TSA分析方法的分析规律。(5)基于排污监管异常企业数据库中的企业用电比异常时段，对企业的排污量进行验证，进而确认嫌疑企业是否为排污异常企业。
[0098] (5.1)用电比突变验证：
[0099] 分析排污监管异常企业数据库的异常时段，基于突变分析规则，观察企业排污数据曲线相邻时刻排污量是否突变，进一步验证企业排污异常，如排污量突变，则验证了用电比模型的有效性，此时排污监管异常企业数据库中该企业嫌疑可以确认，属于排污异常企业。
[0100] (5.2)异常时段验证
[0101] 分析排污监管异常企业数据库的异常时段，观察企业排污数据曲线该时刻排污量数据偏高或偏低，进一步验证企业排污异常，如偏高偏低，则验证了用电比模型的有效性，此时排污监管异常企业数据库中该企业嫌疑可以确认，属于排污异常企业。
[0102] 以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和
变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
[0104] 实施例中涉及的数据及来源如下表所示：
[0105]
[0106] 取某公司2019-08-01 00:00:00至2019-09-01 00:00:00的排污数据与用电数据作为样本，简化起见，选择其中2019-08-01日的数据分析，建立时序图，并用突变分析法分析，最后验证数据是否有效。
[0107] 1.按小时汇总该公司的用电量与排污量数据，排除无效时间段的数据：如表1：
[0108] 表1-企业排污量-用电量数据
[0109]序号 监测时间 废水瞬时流量(m3/h) 状态 用电量kw
1 2019-08-01,00 21 正常 725.74
2 2019-08-01,01 18.8 正常 743.45
3 2019-08-01,02 18.8 正常 739.28
4 2019-08-01,03 19.6 正常 738.95
5 2019-08-01,04 17.4 正常 740.92
6 2019-08-01,05 20.2 正常 667.11
7 2019-08-01,06 19.7 正常 735.36
8 2019-08-01,07 19.6 正常 743.59
9 2019-08-01,08 8.6 正常 1339.78
10 2019-08-01,09 7 正常 1824.89
11 2019-08-01,10 7.2 正常 1935.45
12 2019-08-01,11 6.8 正常 1886.91
13 2019-08-01,12 7.5 正常 1932.71
14 2019-08-01,13 7.1 正常 1901.73
15 2019-08-01,14 6.9 正常 1950.03
16 2019-08-01,15 3.4 正常 1949.74
17 2019-08-01,16 7.7 正常 1969.61
18 2019-08-01,17 8.3 正常 1887.34
19 2019-08-01,18 8.3 正常 1912.49
20 2019-08-01,19 8.3 正常 1779.07
21 2019-08-01,20 8.4 正常 621.83
22 2019-08-01,21 4.2 正常 508.05
23 2019-08-01,22 0 正常 505.71
24 2019-08-01,23 0 正常 516.64
[0110] 2.建立该公司用电比时序图：
[0111] 第一步：建立该公司夜间20:00--08:00的时序图
[0112] 计算得到夜间每小时的用电比，同时计算夜间12小时的用电比均值作为昼间用电比，经计算得到0.0234866。
[0113] 第二步：建立该公司昼间08:00--20:00的时序图
[0114] 计算得到昼间生产设施用电量，通过计算得到昼间居民用电量的均值1598.8762kw，根据此均值重新计算出昼间生产设施每小时用电量，进而计算昼间生产设施用电比，作为昼间用电比。计算结果如表2：
[0115] 表2-企业用电比数据
[0116]
[0117]
[0118] 3.建立行业生产设施用电比时序图，这里简化操作，将该公司用电比时序图作为行业生产设施用电比时序图，不存在需要拟合的情况。
[0119] 4.时序图分析：
[0120] 01突变分析：结果如表3：
[0121] 表3-突变情况
[0122]
[0123]
[0124] 5.异常数据验证：
[0125] 01用电比突变验证：
[0126]序号 时间 An时刻用电比 An+1时刻用电比 变化幅度
15 2019-08-01,15 0.01964951 0.00969037 -0.506839102
16 2019-08-01,16 0.00969037 0.02076962 1.143325797
19 2019-08-01,19 0.026465672 0.046061518 0.740425031
20 2019-08-01,20 0.046061518 0.013508515 -0.706728836
[0127] 经分析，该企业：
[0128] 2019-08-01,15时,
排放量从6.9-->3.4,突变幅度达到50％以上，而用电量从1950.03->1949.74,幅度变化较小；嫌疑企业确认为排污异常。
[0129] 2019-08-01,16时,排放量从3.4-->7.7,突变幅度达到50％以上，而用电量从1949.74->1969.61幅度变化较小；嫌疑企业确认为排污异常。
[0130] 2019-08-01,19时,排放量从8.3-->8.3,幅度变化较小；而用电量从1912.49->1779.07变化幅度为6.98％不显著，此时认定企业排污正常。
[0131] 2019-08-01,20时,排放量从8.3-->8.4,幅度变化较小；而用电量从1779.07->621.83突变幅度达到50％以上；嫌疑企业确认为排污异常。
[0132] 若将突变
阀值设定为1，则满足排污异常的时刻为2019-08-01,16时。
[0133] 上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和
权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何
修改和改变，都落入本发明的保护范围。
