基于物聯網的公廁大數據分析

　　摘要：公共廁所是城市公共服務設施必不可少的組成部分，是一個城市文明形象和公共服務水平的重要體現。隨著廁所革命的深入貫徹，公廁的數量及質量問題日益得到重視。掌握公廁準確的運行狀態及特征，將有助于合理安排保潔頻次、調整廁內通風設備工作時間，進而提升公廁精細化管理水平。本次研究利用LoRa、電化學傳感器等技術獲取研究試點環境、氣味及人流量數據，分析數據不同時間尺度的變化規律，以及各數據間的相關性。初步得出公廁夏季人流量開始增多的時間要早于冬季;工作日人流高峰時段為上午9-11點;通風設備可明顯改善公廁環境質量等結論，為公共廁所精細化管理提供參考。

　　關鍵詞：智慧公廁;大數據分析;物聯網

　　引言公共廁所是城市公共服務設施必不可少的組成部分，體現了一個城市的文明形象和公共服務水平[1]。公廁的干凈和整潔與街道、城市的整潔度息息相關，直接影響人們對這個城市的感知。目前城市公廁管理還有許多亟待解決的難題：公廁基礎數據量龐大且雜亂，需要耗費巨大的人力且效率低下;“臟亂差”的公廁影響居民的使用體驗;公廁數量、規格不符合現有需求和規定;公廁設施陳舊落后;問題響應速度不及時;市民參與監管度低。物聯網時代，智慧城市的建設推動城市的公共設施朝智能化方向發展。

　　全面建設現代智慧城市，打造“智慧公廁”是其中的重要一環。基于物聯網的智慧公廁能夠實現對公廁流量監測、異味檢測、蹲位檢測、自動除臭等智能化遠程管理;采用物聯網、大數據、云計算等技術，實現環衛公廁管理與智能技術的完美融合。“智慧公廁”即能提升公廁的整潔水平，也能為公廁的環境衛生提供科學、合理的管理手段，使城市的環衛公廁管理業務更加高效、智能和有序。

　　1發展現狀

　　縱觀世界范圍內智慧公廁的研究情況，在國外學者對智慧公廁的研究中，同樣涉及了應用如氣體檢測，溫濕度檢測，超聲波水位檢測等多個傳感器形成集成系統來收集衛生間的監測數據[2]。PrashantNamekar對智慧公廁的研究中設計了一套完整的數據傳輸系統，收集信息后可將數據呈現在工作網頁中，顯示指數和衛生等級，此外也設計了移動端的查詢應用，以滿足城市中市民對公廁地理位置知曉及良好環境的需求[2]。在國內，“廁所革命”已為老式公共衛生間帶來了全新的氣象，各個城市的新建或翻新公廁建設中，不少都應用物聯網技術實現智慧公廁的運營[3，4]。

　　蕭山有著智能化水平最高的公廁，這座智能廁所內記憶功能面部識別取紙機，自動感應沖水器、整套安全扶手、一鍵報警按鈕、除臭噴香設備、一次性坐便墊紙及消毒液等設備一應俱全，體現著人性化細節。公廁入口處的大屏幕播放著公廁出入口和城管驛站內的實時監控畫面，溫度、濕度、天氣等便民信息以及公廁打掃次數、使用人數、水電用量等詳細情況，既為市民提供了直觀的如廁指引，也為管理者的清潔、維護工作提供了數據支持[5]。

　　2系統設計

　　2.1系統架構及部署

　　2.1.1系統架構設計

　　通過前端的智能檢測終端采集公廁環境和人流量數據，數據通過LoRa傳輸，在每個試點部署網關，網關將統計的數據通過4G有線/無線通信方式傳輸至物聯網數據接入及管理平臺，實現數據回傳。LoRa傳輸不受當地運營商網絡情況影響，沒有每月流量和連接數限制，數據傳輸費用較低，相比于其他傳輸方式，更適用于本次研究。

　　2.1.2設備部署

　　本論文中的研究數據來源于北京市某公共廁所，該公廁位于公園旁邊，國內外游客多，人流量大，配套設施完善，按《城市公共廁所設計標準》屬于二類公廁，可代表配套設施相對完善的公廁。基于上述系統架構設計，實際公廁內無線物聯網傳感設備布點情況：(1)男女廁內各裝有無線環境監測終端(PM2.5、溫度、濕度)1臺、無線氣體監測終端(氨氣、硫化氫)1臺，用于監測公共廁所環境和氣味情況。(2)男女廁入口處各裝設無線客流量監測終端1臺，用于統計衛生間的人流量。

　　2.2數據采集

　　數據采集時間為2019年6月至2019年11月，研究數據通過無線傳感器配合智能網關的方式，主要采集數據。數據的采樣時間間隔為一小時，傳感器每逢整點采樣后向平臺傳回采集的數據，其中人流量數據為一小時內的客流量累計數據。

　　3數據處理與分析

　　3.1數據處理

　　3.1.1數據清洗

　　數據清洗是指發現并糾正數據文件中可識別的錯誤，檢查數據一致性，處理無效值和缺失值。本論文中處理的數據共7992條，每條數據包含采樣地點、采樣時間、人流量、氨氣濃度、硫化氫濃度、溫濕度、PM2.5數據。清洗數據包含刪除設備傳回的空數據、錯誤數據。清洗后剩下的有效數據共7944條。

　　3.1.2數據融合

　　為分析公廁人流量、硫化氫濃度、溫濕度數據的分布特征與相關性，需要以時間維度進行數據融合，建立時空基準。本文的數據分析方法主要采用的是數據可視化分析和相關性分析法。數據可視化即借助圖形化手段，清晰有效地傳達與溝通信息。對多維數據進行切片、塊、旋轉等動作剖析數據，將大型數據集中的數據以圖形圖像形式表示，并利用數據分析和開發工具發現其中未知信息的處理過程，通過直觀地傳達關鍵的方面與特征，從而實現對于相當稀疏而又復雜的數據集的深入洞察。

　　相關性分析主要使用圖表相關分析、協方差和相關系數三種方法。單純從數據的角度很難發現數據的趨勢和聯系，而將數據點繪制成圖表后趨勢和聯系就會變得清晰起來。協方差用來衡量兩個變量的總體誤差，相關系數用于衡量變量之間關系密切程度的統計指標，相關系數的取值區間在1到-1之間。

　　3.2人流量特征分析

　　3.2.1以月為周期的特征分析

　　6-11月除了10月女廁日均人流量超過了男廁，9月份基本一致，其余月份男廁的日人流量均比女廁高。男女廁日均人流量均是10月份日均人流量最高，11月份次之，9月份日均人流量最低，其余3個月日均人流量介于兩者之間。6-11月，選取女廁每月第一周周六人流量數據分析其變化趨勢。從整體看，每月人流量隨時間的變化趨勢大致相同。從局部看，早上5-6點人數增加的時間段有所差異，6-8月女廁人流量在5-6點開始增加，9-11月女廁人流量增加約延后一小時。在相同時間內男廁每月第一周周六人流量數據變化整體趨勢和局部差異均與女廁基本一致。

　　3.2.2以天為周期的特征分析

　　以6月第三周男女廁人流量數據分析，由結果可以看出，男廁周末人流量高于工作日，周日人流量最多，相同時間內女廁一周人流量變化特征同男廁保持一致。

　　3.2.3以小時為周期的特征分析

　　以10月份30天(10月15日設備無數據傳回)24小時人流量數據做分析。縱坐標的人流量是一個累積值。基本每天上午9點和11點人流量相對密集，每小時累計人流量上午11點達到最高值。相同時間內男廁10月份每小時人流量堆積面積分布圖同女廁保持一致。每天上午9點-11點人流量相對密集，下午16點和晚上20點人流量達到另外兩個小高峰。

　　3.3氣味特征分析

　　3.3.1以月為周期的特征分析

　　在6-11月，該公廁女廁硫化氫濃度隨月份的變化趨勢不明顯，可以看出各月份25%左右的時間處于0.001-0.002ppm階段，大約65%的時間在0.002-0.005ppm階段，10%左右的時間處于0.005%-0.009%階段。為該公廁男廁硫化氫濃度隨月份的變化趨勢，可以看出各月硫化氫濃度變化趨勢不明顯，與女廁趨勢基本一致。

　　3.3.2以天為周期的特征分析

　　以6月1-2日女廁采集到的硫化氫濃度數據分析，可以看出大部分時間硫化氫濃度在0.005ppm以下，從時間軸上看，氨氣濃度隨時間變化特征不明顯。相同時間內男廁硫化氫濃度與女廁一致，在大部分時間低于0.005ppm，從時間軸上看，沒有明顯的變化特征。

　　3.4溫濕度特征分析

　　分析6-11月女廁采集到的溫度數據，可以看出男女廁內溫度均在6-7月處于一個較高溫的狀態，其中7月份達到了最高溫度，從10月開始溫度下降較快。且整體上女廁的溫度要高于男廁溫度。

　　3.5相關性分析

　　對各研究組數據間協方差和相關系數進行計算，分析其相關性。表格中計算了人流量與硫化氫濃度、人流量與溫度、溫度與硫化氫濃度、溫度與濕度四組數據的協方差和相關系數。其中協方差用來衡量兩個變量的總體誤差，相關系數用于反應變量之間關系密切程度的統計指標，數據越趨近于0表示相關關系越弱。人流量與硫化氫濃度呈現負相關關系且相關性較低，人流量與溫度、溫度與硫化氫濃度、溫度與濕度三組變量成正相關關系，其中溫度和濕度的相關性較高，溫度和硫化氫濃度的相關性較低。

　　4主要結論與建議

　　4.1主要結論

　　4.1.1公廁人流量變化趨勢

　　(1)每天9：00-11：00點為公廁人流量最大的時間段每天9-11點為公廁人流量最大的時間段，隨后人流量減少，在下午17-18點人流量會出現小幅增長，周末公廁人流量大于工作日。(2)10月日均人流量最大，9月最少公廁日均人流量9月份最小，約為1840人/天，10月最大，達到了8340人/天，11月次多，其余6個月份的人數介于兩者之間。(3)男廁日均人流量高于女廁10月份女廁的日均人流量高于男廁，9月份基本一致，其余各月男廁日均人流量均高于女廁。(4)公廁人流量的增加時間受到季節影響6-8月早上5-6點公廁人流量迅速增加，9-11月份人流快速增加的時間大約延后一小時。

　　4.1.2公廁人流量和硫化氫濃度具有相關性，但沒有明顯的線性關系根據公廁的人流量和硫化氫濃度協方差可知兩者具有相關性，其相關系數為-0.08131表明兩者沒有明顯的線性關系。人流量集中在800人/小時以下，硫化氫濃度集中在0.005ppm以下。

　　4.1.3人流量與溫度呈正相關

　　由人流量和溫度的協方差大于0可知人流量與溫度呈正相關，即當人流量增多時，溫度會隨之上升;而當人流量下降時溫度會隨之下降。

　　4.2建議

　　(1)公廁清掃工作可分時段調整頻次由人流量特征的分析結果可以得出男女廁在上午9-11點達到人流高峰，周末下午17-18點人流量呈現次高峰，可以在此時段增加公廁的清掃工作頻次。而工作日下午時段人流量逐漸減少，公廁環境較好，可減少打掃頻次。

　　(2)公廁節假日期間需增加清掃頻次由人流量月度特征的分析結果可以得出，在10月人流量最高，分析該結果可能與國慶假期有關，建議在節假日期間增加打掃頻次。

　　(3)環境較差的公廁建議安裝自動通風設備由硫化氫特征濃度特征分析結果可以得出本次研究的公廁雖然人流量較大但環境質量很好，這可能與公廁內安裝的自動通風設備有關。由此可以建議在投訴率較高或環境較差的廁所內安裝自動通風設備，在一定程度上可以改善廁所內環境質量。

　　(4)人流量數據對改善公廁環境有較大意義由硫化氫濃度與人流量相關性和硫化氫濃度與溫濕度相關性分析結果可以得出，硫化氫濃度與人流量相關性較高，和溫濕度相關性較低。公廁管理工作中，應主要關注公廁氣體環境數據和公廁人流量數據。

　　5結束語

　　通過開展基于物聯網的公共廁所大數據分析研究，可以增強城市管理委員會對城市環衛基礎設施運行狀況的感知能力，根據監測數據對公共廁所運行情況進行指導，進而實現提升城市精細化管理水平、保障民生的目標。

　　參考文獻：

　　[1]傅曉林.開州區智慧城市公廁建設與管理研究[J].智能建筑與智慧城市，2019(01)：71-72.

　　[2]NamekarP，KarthikeyanB.IntegrationoftheSmartPhoneandIOTforSmartPublicToiletHygieneMonitoringSystem[M].IntelligentEmbeddedSystems，2018.

　　[3]沈陽推進城“公廁革命”將建公廁智慧監管平臺[J].城市規劃通訊，2019(02)：12.

　　[4]第五次”公廁革命“的成功樣本——以北京西站地區公廁升級改造為例[J].城市管理與科技，2018，20(01)：56-59.

　　作者：李穎1，李佳2，王睿1，王堅1，韓曉松1，劉心悅1

　　城市管理論文投稿刊物：《城市管理與科技》雜志是由北京市市政管理委員會主管、北京市市政管理委員會信息中心主辦的國內外公開發行的綜合性期刊，是國內城市管理領域一本具有重要影響力的刊物，現已被多家期刊數據庫全文收錄。

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