智能燃气表阶梯计价系统的制作方法

本发明属于燃气表应用技术领域，具体是一种智能燃气表阶梯计价系统。

背景技术：

随着社会的发展，燃气的使用需求逐年增加，为响应发改委对能源价格方案的统一部署，部分燃气公司将对终端燃气表实行阶梯价格计费的运营方式。

公开号为cn105606130a的物联网智能燃气表阶梯计价系统，包括物联网智能燃气表与远程控制系统，且物联网智能燃气表包括阶梯气价主控制模块、无线通信模块、时钟芯片与传感装置；物联网智能燃气表在与控制端进行通信过程同时与控制端进行时间同步，使物联网智能燃气表始终与远程控制系统的时间保持一致，避免两者出现时间偏差，导致计价及调价不统一；根据价格方案中的周期结束时间判断是否应当结束当前周期，除时间同步外，整个过程均在表端完成。

上述除了具备阶梯计价功能之外，还添加了时间同步功能，但是该产品不能对燃气的泄露和异常流量进行检测，更谈不上根据历史数据来预测未来一段时间的燃气使用量，因而有必要针对现有的主流智能燃气表的功能进行研究和改进。

技术实现要素：

本发明的目的之一是为了解决上述方案存在的问题，提供了一种智能燃气表阶梯计价系统，期望能够解决现有技术中主流智能燃气表不具备异常流量监测和燃气用量预测的功能，造成燃气泄露以及计价失真等技术问题。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：一种智能燃气表阶梯计价系统，包括远程控制模块和至少一个智能燃气表模块，所述远程控制系统用于向至少一个智能燃气表发送价格方案，所述智能燃气表模块包括处理器、燃气阶梯计价单元、远程控制单元、无线通信单元、数据存储单元、安全检测单元、预警显示单元和燃气灶；

所述燃气阶梯计价单元用于检测燃气灶的燃气用量并计算燃气费用，具体检测计算步骤为：

z1：通过燃气阶梯计价单元检测燃气灶每次的燃气用量，并将其标记为rqi,j，i＝1,2，……，n；j＝1,2，……，m；其中i为第i个自然日，j为第i个自然日中第j次使用燃气灶；

z2：通过公式获取每个自然日消耗的燃气总量rqzi，并将燃气总量rqzi发送至处理器；

z3：处理器从数据存储单元获取价格方案，处理器根据价格方案获取该自然日的燃气费用fyi，将燃气费用fyi发送至数据存储单元；

z4：处理器从数据存储单元中获取该自然月中的自然日总数zrz，当i＝zrz时，处理器从数据存储单元获取当前自然月中所有自然日的燃气费用fyi和用户的预储值yc，通过公式获取该自然月的燃气总费用fyz；

z5：当用户的预储值yc大于等于燃气总费用fyz时，直接从用户的预储值yc中扣除燃气总费用fyz；当用户的预储值yc小于燃气总费用fyz时，从数据存储单元获取用户的信誉系数xy，当用户的信誉系数xy≥l1时，扣除用户的预储值yc，处理器发送余额不足指令至预警显示模单元；当用户的信誉系数xy<l1时，扣除用户的预储值yc，处理器控制智能燃气表切断用户的燃气供应，并通过处理器发送余额不足指令至预警显示单元；

所述燃气用量预测单元用于训练预测模型并预测用户的燃气用量，具体预测步骤为：

v1：燃气用量预测单元通过处理器获取数据存储单元内存储的历史数据；

v2：将历史数据中每个自然日中的燃气灶实时转化率、平均温度和平均湿度组成训练集的输入参数并对其进行归一化，每个自然日中用户的燃气用量作为训练集的输出参数，并对其进行归一化；

v3：将输入参数和输出参数输入到预测模型中对其进行训练；

v4：获取未来nt个自然日的平均温度、平均湿度和燃气灶实时转化率，并将其组成预测集的输入参数，并对其进行归一化，将输入参数输入至预测模型中，对预测模型的输出结果进行反归一化，反归一化所得结果即为未来nt个自然日燃气用量的预测值；将燃气用量的预测值通过处理器发送至数据存储单元和远程控制单元；其中nt≥1；

所述安全检测单元用于检测智能燃气表内部环境，具体检测过程为：

b1：通过温度传感器实时获取智能燃气表内的温度值，并将其标记为wdt，其中t为获取时间；

b2：通过湿度传感器实时获取智能燃气表内的湿度值，并将其标记为sdt；

b3：通过压强传感器实时获取智能燃气表内的压力值，并将其标记为ylt；

b4：通过天然气浓度传感器实时获取智能燃气表内的天然气浓度值，并将其标记为tnt；

b5：通过获取智能燃气表的安全系数aqt，其中，δ1、δ2、δ3、δ4和δ5均为预设比例系数，且δ1＞δ2≥δ3≥δ4＞δ5；

b6：当安全系数aqt≤l2时，则判定智能燃气表工作环境安全，通过处理器发送安全指令至预警显示单元；当安全系数aqt＞l2时，则判定智能燃气表工作环境不安全，通过处理器发送危险指令值预警显示单元并通过蜂鸣器报警，若在st时间内燃气阀门仍为关闭，通过处理器控制智能燃气表切断用户的燃气供应，其中l2为预设阈值；

b7：通过处理器将安全系数aqt、安全指令发送记录和危险指令发送记录发送至数据存储单元进行存储。

优选的，所述预警显示单元包括安全显示节点和报警显示节点，所述安全显示节点用于实时显示智能燃气表的工作数据，所述工作数据包括智能燃气表内的湿度值、温度值、压力值和天然气浓度值，所述报警显示节点用于实时显示智能燃气表的安全数据，所述安全数据包括安全系数和用户的预储值，具体显示报警步骤为：

n1：所述报警显示节点包括左侧和右侧两块显示区域，其中左侧显示区域通过二维坐标显示安全系数，其中横坐标为时间，纵坐标为安全系数，在二维坐标中设置直线y＝l2；右侧显示区域通过数字显示用户的预储值余额；

n2：当安全系数aqt≤l2时，左侧区域背景设置为绿色；当安全系数aqt＞l2时，左侧区域背景设置为红色闪烁状态，同时通过处理器控制蜂鸣器报警；

n3：当用户的预储值yc≥l4时，右侧区域背景设置为绿色；当用户的预储值l3≤yc<l4时，右侧区域背景设置为黄色闪烁状态；当用户的预储值yc≤l3时，右侧区域显示为红色闪烁状态，并通过处理器控制蜂鸣器报警。

优选的，所述预测模型为误差逆向传播神经网络算法，所述误差逆向传播神经网络算法为三层结构，包括输入层、隐含层和输出层，输入层节点数设置为jd1，输出层节点数设置为jd2，通过公式其中γ1和γ2为特定比例系数，且1≤γ2≤10。

优选的，v1中所述的历史数据包括每个自然日的平均温度、平均湿度、燃气灶实时转化率和燃气用量；所述燃气灶实时转化率表示燃气灶将天然气转化成热量的效率，通过公式实时获取燃气灶实时转化率，同时将燃气灶实时转化率zht1实时发送至数据存储单元，其中为燃气灶的初始转化率，θ为燃气灶的使用次数，μ为预设比例系数，t1表示燃气灶实时转化率的获取时间，所述初始转化率和燃气灶的使用次数θ均可从数据存储单元获取。

优选的，所述信誉系数是衡量用户信息的系数，具体获取步骤为：

x1：从数据存储单元中获取用户欠费的最大金额，并将用户欠费的最大金额标记为qe；

x2：从数据存储单元中获取用户欠费的最长时间，并将用户欠费的最长时间标记为qt；

x3：从数据存储单元中获取用户的违约总数，并将违约总数标记为wy；

x4：通过公式获取用户的信誉系数xy，其中β1、β2和β3为预设比例系数，且β1＞β2＞β3，e是自然常数，取值为2.71828182；将信誉系数xy发送至数据存储单元进行存储。

优选的，所述无线通信单元通过无线信号将智能燃气表和远程控制系统连接起来，所述无线信号包括所有能够实现智能燃气表和远程控制系统无线连接的信号，不单指某一具体的信号，也包括不同信号之间相互协作连接智能燃气表和远程控制系统。

优选的，所述价格方案为当前燃气公司推行的最新燃气收费标准，所述价格方案通过远程控制模块发送至数据存储单元进行存储，具体收费标准为：

c1：每个自然日为一个计费日，每个自然月为一个收费周期；

c2：用户燃气灶一个自然月的燃气总量为yyl，一个自然月中使用燃气的总计费日为jfr，当0≤yyl<yl1且fr1≤jfr时，用户当月需要缴纳的燃气费rf1＝α1×yl1；当yl1≤yyl<yl2且fr2≤jfr时，用户当月需要缴纳的燃气费rf2＝α2×(yl2―yl1)+α1×yl1；当yl2≤yyl<yl3且fr3≤jfr时，用户需要缴纳的燃气费rf3＝α3×(yl3―yl2)+α4×yl2，当yl4≤yyl且fr4≤jfr时，用户需要缴纳的燃气费rf4＝α5×(yl4―yl3)+α6×yl3；其中α1、α2、α3、α4、α5和α6为预设比例系数，yl1、yl2、yl3和yl4为预设阈值，fr1、fr2、fr3和fr4为预设阈值，且0<fr1<fr2<fr3<fr4。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明设置了燃气阶梯计价单元，该设置通过检测并计算每个自然日消耗的燃气总量，并从数据存储单元获取价格方案，根据价格方案计算用户该自然日的燃气费用，同时从数据存储单元中获取用户的预储值和用户的信誉系数，根据用户的预储值和信誉系数实现阶梯扣费，并发出对应警报，该设置将用户的预储值和信誉系数相结合来扣除燃气费，在避免浪费资源的同时，有助于避免用户忘记储值而被切断燃气供应的尴尬；

2、本发明设置了燃气用量预测单元，该设置通过数据存储单元内存储的历史数据，结合预测模型对未来nt个自然日的燃气用量进行预测，该设置能够预测未来的燃气消耗量，有助于提前制定针对性的方案来缓解用气高峰时给燃气供应带来的压力；

3、本发明设置了安全检测单元，该设置获取智能燃气表内的温度值、湿度值和压力值，并通过公式获取智能燃气表的安全系数，通过比较安全系数与预设阈值的大小来判断智能燃气表的工作环境是否安全，该设置通过多方面因素对智能燃气表进行评估，有助于降低安全风险。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的原理示意图。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1，一种智能燃气表阶梯计价系统，包括远程控制模块和至少一个智能燃气表模块，远程控制系统用于向至少一个智能燃气表发送价格方案，智能燃气表模块包括处理器、燃气阶梯计价单元、远程控制单元、无线通信单元、数据存储单元、安全检测单元、预警显示单元、燃气分类供给单元和燃气灶；

燃气阶梯计价单元用于检测燃气灶的燃气用量并计算燃气费用，具体检测计算步骤为：

z1：通过燃气阶梯计价单元检测燃气灶每次的燃气用量，并将其标记为rqi,j，i＝1,2，……，n；j＝1,2，……，m；其中i为第i个自然日，j为第i个自然日中第j次使用燃气灶；

z2：通过公式获取每个自然日消耗的燃气总量rqzi，并将燃气总量rqzi发送至处理器；

z3：处理器从数据存储单元获取价格方案，处理器根据价格方案获取该自然日的燃气费用fyi，将燃气费用fyi发送至数据存储单元；

z4：处理器从数据存储单元中获取该自然月中的自然日总数zrz，当i＝zrz时，处理器从数据存储单元获取当前自然月中所有自然日的燃气费用fyi和用户的预储值yc，通过公式获取该自然月的燃气总费用fyz；

z5：当用户的预储值yc大于等于燃气总费用fyz时，直接从用户的预储值yc中扣除燃气总费用fyz；当用户的预储值yc小于燃气总费用fyz时，从数据存储单元获取用户的信誉系数xy，当用户的信誉系数xy≥l1时，扣除用户的预储值yc，处理器发送余额不足指令至预警显示模单元；当用户的信誉系数xy<l1时，扣除用户的预储值yc，处理器控制智能燃气表切断用户的燃气供应，并通过处理器发送余额不足指令至预警显示单元；

燃气用量预测单元用于训练预测模型并预测用户的燃气用量，具体预测步骤为：

v1：燃气用量预测单元通过处理器获取数据存储单元内存储的历史数据；

v2：将历史数据中每个自然日中的燃气灶实时转化率、平均温度和平均湿度组成训练集的输入参数并对其进行归一化，每个自然日中用户的燃气用量作为训练集的输出参数，并对其进行归一化；

v3：将输入参数和输出参数输入到预测模型中对其进行训练；

v4：获取未来nt个自然日的平均温度、平均湿度和燃气灶实时转化率，并将其组成预测集的输入参数，并对其进行归一化，将输入参数输入至预测模型中，对预测模型的输出结果进行反归一化，反归一化所得结果即为未来nt个自然日燃气用量的预测值；将燃气用量的预测值通过处理器发送至数据存储单元和远程控制单元；其中nt不单指具体数据，且nt≥1；

安全检测单元用于检测智能燃气表内部环境，具体检测过程为：

b1：通过温度传感器实时获取智能燃气表内的温度值，并将其标记为wdt，其中t为获取时间；

b2：通过湿度传感器实时获取智能燃气表内的湿度值，并将其标记为sdt；

b3：通过压强传感器实时获取智能燃气表内的压力值，并将其标记为ylt；

b4：通过天然气浓度传感器实时获取智能燃气表内的天然气浓度值，并将其标记为tnt；

b5：通过获取智能燃气表的安全系数aqt，其中，δ1、δ2、δ3、δ4和δ5均为预设比例系数，且δ1＞δ2≥δ3≥δ4＞δ5；

b6：当安全系数aqt≤l2时，则判定智能燃气表工作环境安全，通过处理器发送安全指令至预警显示单元；当安全系数aqt＞l2时，则判定智能燃气表工作环境不安全，通过处理器发送危险指令值预警显示单元并通过蜂鸣器报警，若在st时间内燃气阀门仍为关闭，通过处理器控制智能燃气表切断用户的燃气供应，其中l2为预设阈值；

b7：通过处理器将安全系数aqt、安全指令发送记录和危险指令发送记录发送至数据存储单元进行存储。

预警显示单元包括安全显示节点和报警显示节点，安全显示节点用于实时显示智能燃气表的工作数据，工作数据包括智能燃气表内的湿度值、温度值、压力值和天然气浓度值，报警显示节点用于实时显示智能燃气表的安全数据，安全数据包括安全系数和用户的预储值，具体显示报警步骤为：

n1：报警显示节点包括左侧和右侧两块显示区域，其中左侧显示区域通过二维坐标显示安全系数，其中横坐标为时间，纵坐标为安全系数，在二维坐标中设置直线y＝l2；右侧显示区域通过数字显示用户的预储值余额；

n2：当安全系数aqt≤l2时，左侧区域背景设置为绿色；当安全系数aqt＞l2时，左侧区域背景设置为红色闪烁状态，同时通过处理器控制蜂鸣器报警；

n3：当用户的预储值yc≥l4时，右侧区域背景设置为绿色；当用户的预储值l3≤yc<l4时，右侧区域背景设置为黄色闪烁状态；当用户的预储值yc≤l3时，右侧区域显示为红色闪烁状态，并通过处理器控制蜂鸣器报警。

预测模型为误差逆向传播神经网络算法，误差逆向传播神经网络算法为三层结构，包括输入层、隐含层和输出层，输入层节点数设置为jd1，输出层节点数设置为jd2，通过公式其中γ1和γ2为特定比例系数，且1≤γ2≤10。

v1中的历史数据包括每个自然日的平均温度、平均湿度、燃气灶实时转化率和燃气用量；燃气灶实时转化率表示燃气灶将天然气转化成热量的效率，通过公式实时获取燃气灶实时转化率，同时将燃气灶实时转化率zht1实时发送至数据存储单元，其中为燃气灶的初始转化率，θ为燃气灶的使用次数，μ为预设比例系数，t1表示燃气灶实时转化率的获取时间，初始转化率和燃气灶的使用次数θ均可从数据存储单元获取。

信誉系数是衡量用户信息的系数，具体获取步骤为：

x1：从数据存储单元中获取用户欠费的最大金额，并将用户欠费的最大金额标记为qe；

x2：从数据存储单元中获取用户欠费的最长时间，并将用户欠费的最长时间标记为qt；

x3：从数据存储单元中获取用户的违约总数，并将违约总数标记为wy；

x4：通过公式获取用户的信誉系数xy，其中β1、β2和β3为预设比例系数，且β1＞β2＞β3，e是自然常数，取值为2.71828182；将信誉系数xy发送至数据存储单元进行存储。

无线通信单元通过无线信号将智能燃气表和远程控制系统连接起来，无线信号包括所有能够实现智能燃气表和远程控制系统无线连接的信号，不单指某一具体的信号，也包括不同信号之间相互协作连接智能燃气表和远程控制系统。

价格方案为当前燃气公司推行的最新燃气收费标准，价格方案通过远程控制模块发送至数据存储单元进行存储，具体收费标准为：

c1：每个自然日为一个计费日，每个自然月为一个收费周期；

c2：用户燃气灶一个自然月的燃气总量为yyl，一个自然月中使用燃气的总计费日为jfr，当0≤yyl<yl1且fr1≤jfr时，用户当月需要缴纳的燃气费rf1＝α1×yl1；当yl1≤yyl<yl2且fr2≤jfr时，用户当月需要缴纳的燃气费rf2＝α2×(yl2―yl1)+α1×yl1；当yl2≤yyl<yl3且fr3≤jfr时，用户需要缴纳的燃气费rf3＝α3×(yl3―yl2)+α4×yl2，当yl4≤yyl且fr4≤jfr时，用户需要缴纳的燃气费rf4＝α5×(yl4―yl3)+α6×yl3；其中α1、α2、α3、α4、α5和α6为预设比例系数，yl1、yl2、yl3和yl4为预设阈值，fr1、fr2、fr3和fr4为预设阈值，且0<fr1<fr2<fr3<fr4。

燃气分类供给单元用于控制单位时间内天然气的供给流量，所述单位时间为管理人员设置的预设值，所述管理人员为天然气公司工作人员，具体控制步骤为：

m1：通过气流传感器实时获取智能燃气表内的天然气流量，并将其标记为tl；

m2：通过处理器从数据存储单元获取燃气灶的初始转化率实时转化率zht1和燃气灶的使用次数θ；

m3：通过公式获取燃气灶的供给系数gj，其中σ1、σ2、σ3、σ4和σ5为特定比例系数，且满足σ1<σ2≤σ3≤σ4<σ5；

m4：当供给系数gj≤l5时，燃气分类供给单元不做任何相应；当l5<gj≤l6时，燃气分类供给单元通过处理器发送供给异常指令至预警显示单元；当l7<gj时，燃气分类供给单元通过处理器发送攻击异常指令至预警显示单元，同时通过处理器控制智能燃气表切断天然气供应。

上述公式均是去量化取其数值计算，公式是由采集大量数据进行软件模拟得到最近真实情况的一个公式，公式中的预设参数由本领域的技术人员根据实际情况设定。

本发明的工作原理：

燃气阶梯计价单元通过检测并计算每个自然日消耗的燃气总量，并从数据存储单元获取价格方案，根据价格方案计算用户该自然日的燃气费用，同时从数据存储单元中获取用户的预储值和用户的信誉系数，根据用户的预储值和信誉系数实现阶梯扣费，并发出对应警报；

燃气用量预测单元通过数据存储单元内存储的历史数据，结合预测模型对未来nt个自然日的燃气用量进行预测，该设置能够预测未来的燃气消耗量；安全检测单元获取智能燃气表内的温度值、湿度值和压力值，并通过公式获取智能燃气表的安全系数，通过比较安全系数与预设阈值的大小来判断智能燃气表的工作环境是否安全。

以上内容仅仅是对本发明结构所作的举例和说明，所属本技术领域的技术人员对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。