用水箱外贴振动传感器识别持续跑水马桶

1 · 创新命题

中 面向没有独立分户水表的租赁公寓与学校卫生间，用贴在水箱外壁的压电振动片识别补水阀异常长开， 在不接触饮用水、不拆管且不采集声音的条件下，于持续跑水开始后 10 分钟内告警，并把单厕硬件压到具名整屋 流量产品 Flume 的一小部分。EN A privacy-preserving, stick-on vibration sensor for toilets in rentals and schools that flags an abnormally open refill valve within ten minutes—without plumbing, wet contact, or room audio, and at a fraction of a Flume whole-home monitor.

2 · 背景与空白

马桶挡板或进水阀失效会形成长期无声漏水；没有分户水表的租客、保洁员往往直到水费或巡检才发现。 Flume 通过总表外夹传感器监测整屋流量，Phyn Plus、Flo by Moen 依赖主管安装；廉价水位报警器又需放入水箱， 增加维护与卫生顾虑。学术上已有基于声音或总流量的用水事件分解。空白在：没有针对公共/租赁场景、 只看单个水箱外壁机械振动且无需管路权限的公开标注数据与误报边界。这不是“再做一个智能水表”，而是把 检测点移到故障部件旁，并刻意放弃估算全屋用水。节水潜力必须由实测流量积分得出，不引用未经核实的家庭平均数。

3 · 可检验假设

H1 在至少三种水箱和两种供水压力下，规则优先的振动检测可对“阀门连续开启 ≥ 10 分钟”达到召回率 ≥ 0.90、精确率 ≥ 0.90，且正常冲水误报 ≤ 1 次/厕·周。H2（采纳）安装时间中位数 ≤ 5 分钟， 物业人员盲测后至少 8/10 人能无指导完成贴装；英文原句：Facility staff can install the sensor in under five minutes without plumbing access.

4 · 量化验收标准

1. 【方法学校验 · 硬门槛】 用自建采集链复现 ≥ 20 次已知开阀时刻与量筒/称重法标定流量， 起止时刻偏差 ≤ 5 秒、累计体积偏差 ≤ 5%。此条不过，后续全部结论无效。
2. 数据集含 ≥ 300 次正常冲水、≥ 100 次人为设置的慢漏/持续跑水，覆盖 ≥ 3 种水箱；同一次事件片段不得跨集。
3. 统计口径预先写死：故障极不平衡，报 PR-AUC、召回、精确率与每厕周误报，明确不报 accuracy， 因为全判正常也会虚高；另做随机片段划分与按水箱划分对照，量化泄漏造成的高估。
4. 报告从故障开始到告警的延迟分布（中位数、四分位距）及电池寿命的实测功耗外推，外推假设逐项列出。
5. 最容易犯的致命错误：把同一水箱的相邻振动片段分到训练集和测试集，模型只记住箱体共振。

5 · 数据与工具

用途	来源 / 工具
传感	压电片（具体型号需核实）+ ESP32-C3 + microSD；不使用房间麦克风
流量真值	厨房秤/量筒 + 秒表；可选 YF-S201 霍尔流量计，先以称重法标定
台架	二手/捐赠水箱 ≥ 3 型；可调减压阀与机械压力表，型号和价格需核实
分析	Python scipy；经典阈值为主，若用轻量 ML，学生须能白板解释特征为何有效
对照基准	Flume、Phyn Plus、Flo by Moen 的公开功能与价格——仅用于校验与对比，不计入本项目数据贡献

能力边界：外壁振动只能判断阀门状态，不能定位挡板与进水阀的具体故障，也不能声称测得饮用水水质。

6 · 赛季执行路径

1. 第 1–2 周：搭称重流量台与采集链，完成硬门槛；固定数据字典。
2. 第 3–4 周：采三种水箱的正常/故障事件，先做无需 ML 的持续时间阈值基线。
3. 第 5–7 周：按水箱留一法评估，测压力和安装位置敏感性；冻结判据。
4. 第 8–9 周：在获许可的学校或公寓做 14 天影子运行，只告警不干预，记录误报。
5. 第 10 周：10 名物业/保洁人员安装可用性测试；第 11–12 周做 BOM、节水情景和简述。

7 · 新颖性边界

不声称发现新的泄漏机理、不替代认证水表、不承诺在所有水箱泛化。已有工作：Flume 做总表外贴监测， Phyn Plus 与 Flo by Moen 做主管级检测，NILM 文献做总流量事件分解；2026 Conrad 的 Clarity 做微塑料检测， 与本题无技术重叠。本项目贡献是单故障点、无管路权限、无音频的外贴数据集和跨水箱误报边界。 护城河类型：存量改造（C）+ 极端具体（G）；壁垒在不同水箱/压力的标注库，诚实说硬件本身易复制。

8 · go/no-go

第 3 周末：若三种水箱上正常补水与持续跑水的事件级 PR-AUC < 0.75，降级为具名路径 “磁簧开关 + 外贴浮子位移标记”持续开阀计时器，仍不接触水，主结论仍是无管路权限的单厕故障告警。 第 8 周末：若影子运行误报 > 2 次/厕·周，则降级为“每日异常摘要”而非即时告警，并将阈值改为连续异常 ≥ 30 分钟；若召回仍 < 0.70，作否定结论并发布数据，不外推节水量。