[發明專利]一種水動力模型的粒子濾波同化方法、裝置和計算設備

有效

• 申請號: 201810372803.8
• 申請日: 2018-04-24
• 公開（公告）號: CN108920737B
• 公開（公告）日: 2021-04-27
• 發明（設計）人: 冶運濤;曹引;梁犁麗;蔣云鐘;顧晶晶;方海泉;龔家國;趙紅莉;張雙虎;杜軍凱
• 申請（專利權）人: 中國水利水電科學研究院
• 主分類號: G06F30/28
• 分類號: G06F30/28;G06F111/10;G06F113/08;G06F119/14
• 代理公司: 北京潤澤恒知識產權代理有限公司 11319
• 代理人: 莎日娜

本發明提供了一種水動力模型的粒子濾波同化方法、裝置和計算設備，具體為采集研究區的計算參數，并設定研究區的網格的大小和出入流邊界條件；根據當前時刻的參數生成多個等權重的粒子；分別利用每個粒子所包含的水流狀態和模型糙率系數，并同時利用出入流邊界條件依次驅動水動力模型，實現水動力模型輸出從當前時刻到下一時刻的更新；計算下一時刻下每個粒子的似然函數值，并更新粒子的權重；計算模擬水位、模擬流量和預設糙率系數的最優估值。由于本方案中考慮到了糙率系數的時空變異性，因此能夠使水動力模型輸出結果的準確性和可靠性較高，能夠準確獲取不同空間處狀態變量和糙率系數的最優估值，提高了水動力模型輸出結果的準確性和可靠性。

技術領域

本發明涉及水利技術領域，特別是涉及一種水動力模型的粒子濾波同化方法、裝置和計算設備。

背景技術

水動力模型是模擬湖泊、河流及海岸等水域內水體運動狀態的重要工具，可有效支撐管理決策，廣泛應用于潰壩水流模擬、洪水預報以及水質模擬預測等領域。實踐中，水動力模型建模所需的水域地形和出入流流量等數據往往難以準確測量，此外，由于水動力模型中表征粗糙程度的重要參數糙率系數無法直接測量和網格離散以及模型結構等造成的誤差，導致水動力模型輸出結果充滿不確定性，降低了水動力模型輸出結果的準確性和可靠性。

本申請的發明人在實踐中發現，利用數據同化技術可以將觀測數據合理的融入水動力模型，并且在利用水動力模型模擬過程中不斷更新系統狀態和參數，可以降低模型不確定性，從而能夠最終提高物理過程模擬或預報精度。粒子濾波算法作為一種順序貝葉斯濾波數據同化算法，可以近似得到以狀態變量和參數為自變量的任意函數形式的數學期望，利用一定數量的隨機粒子來表示模型中狀態變量和參數的后驗概率密度分布，能夠應用于任意非線性隨機模型。

其中，糙率系數受河床和岸壁的粗糙程度、水流狀態、水生植物及其淹沒狀態等因素的影響，具有顯著的時空變異性，僅考慮糙率系數時間變異性的數據同化方法無法捕捉其空間變異性對模型模擬結果的影響，從而難以準確獲取不同空間處狀態變量和糙率系數的最優估值，進而導致水動力模型輸出結果的準確性和可靠性較差。

發明內容

有鑒于此，本發明提供了一種水動力模型的粒子濾波同化方法、裝置和計算設備，以解決目前的水動力模型輸出結果的準確性和可靠性較差的問題。

為了解決上述問題，本發明公開了一種水動力模型的粒子濾波同化方法，包括步驟：

采集研究區的計算參數，并設定所述研究區的網格的大小和出入流邊界條件；

根據當前時刻的所有所述網格的水位、流量和預設糙率系數生成多個等權重的粒子，得到粒子集合；

分別利用所述粒子集合中每個粒子所包含的水流狀態和模型糙率系數，并同時利用所述出入流邊界條件依次驅動水動力模型，實現所述水動力模型輸出的模擬水位和模擬流量從當前時刻到下一時刻的更新；

判斷當前時刻下的模擬水位中是否存在水位觀測值，若不存在所述水位觀測值，則直接執行所述實現所述水動力模型輸出模擬水位和模擬流量的步驟；

若存在所述水位觀測值，則計算所述下一時刻下每個所述粒子的似然函數值，并利用所述似然函數值更新所述粒子的權重；

計算所述模擬水位、所述模擬流量和預設糙率系數的最優估值；

對所述粒子進行多項式重采樣，得到新粒子集合；

將所述新粒子集合對所述粒子集合進行替換，同時將所述下一時刻作為所述當前時刻，執行所述實現所述水動力模型輸出模擬水位和模擬流量的步驟。可選的，所述計算參數包括所述研究區的底部高程、邊界入流流量、初始水位和初始流量的部分或全部。

可選的，所述預設糙率系數為糙率系數先驗值。

可選的，所述對所述粒子進行多項式重采樣包括：