检测液体分配系统中影响液体流量之事件的制作方法
【专利说明】检测液体分配系统中影响液体流量之事件 本申请是申请日为2009年8月14日、申请号为"200980160818. 7"、发明名称为"检测 液体分配系统中影响液体流量之事件"的发明专利申请的分案申请。 相关申请
[0001] 本申请基于在2009年6月11日提交的先前共同未决的美国专利申请，序号 12/483041，在此依据35U.S.C. § 120要求该专利申请的提交日期权益。 背景
[0002] 对许多住宅中的活动来说，水都是必需的，例如洗涤、清洁、烹饪、饮水以及园艺。 美国环境保护局（EPA)在2008年估算，在未来5年美国有36个州会面临严重的缺水。除 此之外，在2001年，美国水利工程协会指出，只要减少全美15%的住宅用水，就可以大约每 天节省27亿加仑，且每年可节省超过20亿美元。就此问题更进一步的是EPA较新的估算 中指出，每年有超过1兆加仑的水从美国的家庭中渗漏出，这是平均家庭用水的10%。渗 漏可以在磨损的水龙头或马桶阀门中，也可以是安装在起居用结构中的输管线的渗漏。大 多数的消费者除了每月（或双月）水费账单上所示出的总使用量（它基于周期性的水表读 数）以外，并没有可以精确测量住宅用水的机制。此外，由于家庭中水系统的渗漏对居住者 而言并不明显，因此常常没有被发现。为了可以更好地保存水资源及防止渗漏，就必需让居 住者知道从洗一批衣服到淋浴或冲马桶的每一种类型的用水活动所消耗的水量。
[0003] 之前被引导向对住宅用水量进行监测的方向上的工作产生了一种有许多缺陷的 方法。例如，这种早先的方法使用压靠在住所中特定管线（包括冷水入口、热水入口、以及 废水排出口）外侧的多个麦克风，以便基于使用水的模式（例如与洗碗机相关联的一系列 加注周期）来展示对几种重要活动的识别。这种早先的技术不能可靠地区分多重情形的相 似装配件的用水（例如在多个水槽中的每一个处打开或关闭阀门，或是对住宅中多个马桶 冲水），亦不能可靠地区别同时发生的多个活动（例如当有人在淋浴时冲马桶），且不会试 图去估算在这些水消耗活动中水系统所用掉的水量。而且环境噪音（例如靠近住宅的热水 器上放置的传感器而安装的空调单元所产生的噪音），对使用这些基于音频的传感器会造 成很大的困难。另外，这种先前的方法无法感测特定装配件的渗漏。
[0004] 在许多的工业应用中（例如灌溉系统）会使用提供高精细度流速（flowrate)监 测的传感器，但这些先前技术方法不是过于昂贵而无法用于居家使用（例如，单个超声波 或激光多普勒测速传感器要大约2000美元到8000美元），就是需要由管线工专业地安装多 个在线流动传感器。一个在线流动传感器被通过切入到现有管线中的方式安装用于每个关 注的装配件。在实验室中也示出出安装在管线外部上的多个加速度计产生与水流速具有很 强的确定关系的一种信号，但这种效应对于管线的管径、材质和构形是高度敏感的。其他人 亦提出使用住宅现有的总水量计与具有多个在管线上的加速度计的一个网络一起来推断 住宅各处的流速。然而，所有这些先前技术方法都需要将多个传感器沿着唯一地与各个关 注的装配件相关联的多个管线路径来放置或是放置在它们之中（即：它们是不能使用一个 单一传感器来监测一个结构的水系统中所有装配件的分布式的直接感测方法）。
[0005]因此明显的是，可以希望采用一种更佳的方法及系统来低成本地并且无需专业的 管线工而易安装地监测在住所或是多起居单元(multi-livingunit)中的多个不同装配件 中每一个的水流。这样的系统及方法应使每个装配件的用水量或体积流量能够被容易地确 定。此外，还可以希望采取这样一种系统及方法来在特定装配件处或一个结构的水系统中 的多个点处的检测渗漏，从而使得至少某些类型的渗漏可以被识别出，进而便于对导致了 这种渗漏的条件进行改正。 概述
[0006] 本申请通过引用明确地结合了以上作为相关申请而说明的每个专利申请和已发 布专利的披露内容及附图。
[0007] 如以下描述的，因此一种示例性的新颖的方法被开发出来用于对结构中分配系 统的液体的流动进行监测。如在此使用的术语"结构"旨在不仅涵盖如房屋、多单元起居 区（multi-unitlivingquarter)(如二联式公寓）、私人公寓（condominium)、连栋房屋 (townhouse)、公寓（apartment)、旅馆、汽车旅馆等起居结构，而且应该理解的是还包括任 何具有用于分配液体的管线或导管的系统的设施，如用炼油厂、化学工厂、酿酒厂来列举几 个实例而不具任何有意图的或隐含的限制性。这种示例性方法包括以下步骤，即监测在分 配系统中的第一点处的液体压力，且响应于此，产生一个表示了分配系统中压力的输出信 号。然后，在分配系统中发生的液体相关事件被基于压力的改变而检测到，例如由输出信号 表示的瞬时压力波形。下一步，通过将该输出信号的特性和与事件的不同类型相关联的决 定性（determinative)的指标进行比较，从多种事件的不同类型之中识别出已经检测到的 一个液体相关事件的特定类型。
[0008] 典型地会有多个阀门连接至该分配系统。因此，检测多个液体相关事件的步骤可 包括采用该输出信号来检测这些阀门中的一个或多个阀门的状态改变，即：一个阀门打开 得更多或关闭得更多。被识别出的这个阀门可以与连接至分配系统的多个不同装配件中的 一个特定装配件相关联，这样使得这个特定装配件因此通过对该阀门的打开或关闭进行检 测而被识别出来。
[0009] 这种方法可以进一步包括确定与这个特定装配件相关联的这个阀门是否通过关 闭得更多或打开得更多而已经改变了状态。
[0010] 有些分配系统可能包括一个带有阀门的储液器（例如马桶的储箱），如果在该储 液器中液体的一个水平降到一个预定水平以下这个阀门就会自动打开。如果是这种情况的 话，这种方法可包括以下步骤，即：通过识别一个压力瞬时波形的多个特征来检测该储液器 的一个渗漏，而该压力瞬时波形表示了一个周期，在该周期中，对液体进入该储液器的流动 进行控制的这个阀门根据要求来打开和关闭以便再次加注该储液器从而替代从该储液器 渗漏的液体。
[0011] 作为另一个功能，这种方法可以包括自动地确定作为该输出信号与用于该分配系 统的一个预定的流阻（flowresistance)两者的一个函数的该分配系统中的一个体积流速 的步骤。如果该分配系统包括多个布置在多个不同点处的多个阀门，则此方法可以包括以 下多个步骤，即：实验性地对该分配系统中的多个不同点中的每个点处的体积流速进行测 量，而这些不同点从一个入口至该分配系统供应的距离是不同的；以及基于在该体积流速 被测量时由该输出信号表示的在压力中的一个改变，确定用于该分配系统的在这些不同点 中的每个点处的该预定流阻。然后，可以基于在这些不同点处测量到的该预定流阻，估算该 分配系统中能够发生液体使用的多个其他点处的流阻。
[0012] 在某些应用中，液体分配系统可以包括一个在线（inline)液体体积流量检测器， 例如为一个水表。在这种情况下，这种方法可以进一步包括以下步骤，即：使用该在线液体 体积流量检测器来依次确定该分配系统的多个不同点中的每个点处的一个体积流速。这个 体积流速是随着在该点处的一个阀门被打开一段时间并且然后被关闭来测量的。然后，基 于在该点处的阀门被打开时所测量的该体积流速，在这些不同点中的每个点处确定对于该 分配系统的该预定流阻。通过使用该液体体积流量检测器来检测该分配系统中液体在一个 延长的时间段中（在该延长的时间段中该分配系统中的这些阀门没有一个已经被检测到 已经被打开）的一个流动，检测该分配系统中的一个相对低流量渗漏。由于没有液体会通 过名义上是关闭的多个阀门，因此，测量到的任何流动必定是起因于这种缓慢的渗漏。
[0013] 识别已经被检测出的一个事件的特定类型的步骤可以包括以下这些步骤，即：为 被连接到该分配系统上的每个装配件确定一个预定的瞬时压力波特征，并且储存或以其他 方式保存这些瞬时压力波特征。然后，将由该输出信号表示的一个瞬时压力波特征与被存 储或保存的这些预定的瞬时压力波特征做比较，并且识别液体流动已经在其上改变的一个 特定装配件，而这是通过对这个装配件具有与该输出信号所表示的该瞬时压力波特征最接 近地相匹配的这个预定的瞬时压力波特征进行识别，并且基于该分配系统中这个特定装配 件的位置来进行的。
[0014] 识别已经被检测到的一个液体相关事件的特定类型的步骤包括以下步骤，S卩：将 该输出信号分段以便基于该分配系统中多个压力改变来分离多个离散事件。然后，将检测 到的每一个离散事件分类为一个阀门打开事件亦或一个阀门关闭事件。此外，将每一个阀 门打开或关闭事件可以根据产生该阀门事件的一个特定装配件来分类。
[0015] 该分段步骤可以包括以下这些步骤，S卩：对该输出信号进行滤波以便产生一个平 滑的输出信号，并确定该平滑的输出信号的一个导数。然后，在一个滑动窗中分析该平滑的 输出信号及其导数以便基于至少一个条件来检测一个阀门事件的开始。而这些可能的条件 包括以下各项，其中该平滑的输出信号的导数超出相对于该分配系统中的静压力的一个预 定的第一阈值，或者其中在该滑动窗中的最大压力值与最小压力值之间的差异超出相对于 该分配系统中的静压力的一个预定的第二阈值。基于该平滑的输出信号的导数的一个符号 的改变以及该导数中的一个改变的幅值，可以进一步分析该平滑的输出信号的导数以便检 测一个阀门事件的结束。将每一个检测到的离散液体相关事件分类为一个阀门打开事件 亦或一个阀门关闭事件的步骤可以基于发生从以下有多个条件的组中选定的一个条件，该 组由以下各项组成：(a)该平滑的压力在一个阀门事件的开始时与结束时的一个差异幅值 超出一个相对于该分配系统中的静压力的第三预定阈值，其中该平滑的压力在该阀门事件 的开始时与结束时之间的一个减少表示一个阀门打开事件，而该平滑的压力在该阀门事件 的开始时与结束时之间的一个增加表示一个阀门关闭事件；或者，（b)基于该平滑的压力 的导数在该阀门事件的开始时与该导数的一个第一极值之间的一个平均值，其中该导数的 一个正的平均值表示一个阀门打开事件，而该导数的一个负的平均值表示一个阀门关闭事 件。
[0016] 这种方法可以包括以下步骤，S卩：使用一个基于模版的分离器来使得多个阀门打 开或阀门关闭事件与多个特定装配件相关联。在这种情况中，选择了与该输出信号的这些 特征据有最大相关性的一个模版，并且识别已经检测到一个事件的该装配件。这种选择是 在根据多个互补的距离量度标准对能够用于该分类器的多个可能的模版进行筛选之后做 出的。这些量度标准可以包括一个匹配滤波器距离量度标准、一个匹配导数滤波器距离量 度标准、一个匹配实倒频谱滤波器距离量度标准、以及一个均方误差滤波器距离量度标准。 这种方法可以进一步包括一下步骤，即：基于在训练数据中提供的这些互补的距离量度标 准来确定多个阈值用于执行这些可能的模版的筛选步骤。若对应于多个不同装配件的多个 模版通过了所有这些滤波器，则基于一个单一距离量度标准（该单一距离量度标准在用于 这些装配件的训练数据中表现最佳）而可以由这些滤波器中选择一个滤波器。这个选择的 滤波器然后可以被实用在对已经检测到一个事件的该装配件进行的识别中。
[0017] 这种方法可以任选地包括以下步骤，即：监测该分配系统中一个第二点处的压力， 从而产生另一个输出信号。这个第二点与第一点是间隔分开的。然后，部分地基于该第一 点处的输出信号与该第二点处的输出信号之间的一个时间差，可以检测该分配系统中发生 的这些液体相关事件。而且，部分地基于该时间差，从这些事件的不同类型中识别已经检测 到的该液体相关事件的特定类型。
[0018] 另一个任选项是对分配系统中的液体施加一个瞬时压力脉冲（例如，通过反转偏 置这个压力传感器），并检测对应于该瞬时压力脉冲在该分配系统中的反射的一个压力脉 冲波形。检测一个压力脉冲波形，它对应于分配系统中的瞬时压力脉冲的一个反射。基于 该压力脉冲波形的多个特征，可以确定以下各项中的一个或多个项，即：瞬时压力脉冲以及 压力脉冲波形通过该分配系统的一个路径、分配系统中液体流动的一个表示、和/或这些 分配系统中阀门的一个或多个阀门的状态。
[0019] 本披露以及多个权利要求的另一个方面被指向一种包括机器可读取并且可执行 指令的媒质，用于在这些机器可读取并且可执行指令被一个处理器执行时，执行在对一个 结构内的分配系统中的液体进行监测中被采用的多个功能。这些功能大致上与以上讨论的 示例性方法一致。
[0020] 又另一个方面被指向一种示例性装置用于对一个结构中的一个分配系统中的 液体的流动进行监测。该装置包括压力传感器，它被适配为连接至分配系统以便感测 分配系统中的压力，并适配为然后产生表示该压力的一个模拟信号。如在此使用的，术 语"压力传感器"旨在广义地被理解为包括对在管线或导管中的液体压力现象做出反应 的任何传感器，而不具任何有意图的或隐含的限制性；传感器例如为压阻式传感器、应 变计（straingauge)或检测隔层（diaphragm)机械弯曲的其他传感器、微型机电系统 (microelectromechanicalsystem，MEMS)传感器、光纤干涉式传感器、电容式传感器（例 如对于压力所导致的非导电距离的改变进行响应）、声学传感器，以及振动式传感器（例如 对压力波形进行响应的加速度计）。提供了一个连接器并且该连接器被确定尺寸用于将压 力传感器连接至结构中的一个装配件（例如水龙头接头）。使用了一个模数转换器来将来 自压力传感器的模拟信号转换为数字信号。一个微控制器被连接至这个模数转换器以便接 收数字信号并且控制该数字信号的获取以及处理该数字信号以便产生一个输出信号用于 基于由该输出信号所表示的压力中的多个改变来检测一个分配系统中发生的多个事件。该 输出信号被用于从多个事件的不同类型中识别一个事件的特定类型。可以包括一个通信链 接用于将输出信号连接至计算装置以便对输出信号做进一步处理。
[0021] 本披露以及以下多个权利要求的又另一个方面被指向一个示例性系统用于监测 一个结构中的一个分配系统中液体的流动。该系统包括与上述装置总体一致的多个部件， 且还包括一个计算装置。该计算装置包括储存了多个机