[發明專利]一種排水系統監測點優化布置與實時全局反演方法

有效

• 申請號: 202110371210.1
• 申請日: 2021-04-07
• 公開（公告）號: CN113221440B
• 公開（公告）日: 2022-05-20
• 發明（設計）人: 周永潮;沈大利;張儀萍;張土喬
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: G06F30/27
• 分類號: G06F30/27;G06N3/04;G06N3/08;G06Q10/04;G06Q50/26;G06F111/06;G06F113/08
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司 33200
• 代理人: 傅朝棟;張法高

本發明公開了一種排水系統監測點優化布置與實時全局反演方法，包括以下步驟：針對目標區域建立2D水力模型，通過將歷史降雨事件輸入2D水力模型中，得到運算結果數據集；然后將運算結果數據集中的各雨水井水位數據進行主成分分析，提取若干主成分；再針對提取的每個主成分，將在提取的主成分上有最大荷載系數的雨水井作為最優監測點位集合；將最優監測點位集合的雨水井液位作為輸入，其余雨水井的液位數據作為輸出，利用BP神經網絡建立映射關系；最后可通過實時監測獲取最優監測點位的液位，利用BP神經網絡，即可實時反演和監測城市雨水排水系統所有雨水井的液位。本發明能夠在保證較高精確度的基礎上快速、準確地反應排水系統全局液位和內澇程度。

技術領域

本發明涉及智慧排水中雨水或污水排水系統的實時監控領域，特別涉及一種排水系統監測點優化布置與實時全局反演技術和方法，通過優化監測點布置，用盡可能少的監測點進行排水系統運行狀態的全局監控。

背景技術

城市雨水排水系統與城市河道系統共同承擔著排放雨水和防止城市內澇的作用。實際降雨的復雜性、城市管道-河道排水系統邊界條件的復雜性導致排水系統失效的發生條件比較復雜。一般來說，對內澇災害評估需要借助計算機水力模型的計算才能有較為可靠精確的結果，這不僅需要耗費很大的時間精力進行前期調研構建模型，同時在模型的運算過程中也要耗費大量時間，難以做到對內澇災害的實時響應。另外，也可以依靠在排水系統中安裝大量的液位計以進行內澇災害評估，這雖然能對內澇災害進行實時的響應，但是往往需要較高的儀器安裝和維護費用，并且如果減少液位計的安裝數量以降低費用，又會降低結果的可靠性。

因此，在較小花費下快速且準確地得到城市雨水排水系統液位實時全局數據，對指導城市防洪調度、加快相關部門的防洪應對速度、便利城市居民生活出行具有重大意義。

發明內容

本發明的目的在于解決現有技術中存在的問題，并提供一種排水系統監測點優化布置與實時全局反演方法，使用該方法一方面可以優化排水系統水力監測點布置，另一方面可以根據合理的監測點布置能動態反應全局狀態，在保證較高精確度的基礎上快速、準確地反應排水系統全局液位和內澇程度。

為了實現上述發明目的，本發明具體采用的技術方案如下：

一種排水系統監測點優化布置與實時全局反演方法，其包括以下步驟：

S1：針對待反演的目標區域，建立能夠根據降雨事件模擬城市雨水排水系統中各雨水井液位變化的2D水力模型，并對模型進行率定；

S2：選取包含不同降雨強度的歷史降雨事件集合，將集合中的歷史降雨事件逐個作為S1中率定后的2D水力模型的輸入，模型的輸出結果組成2D水力模型運算結果數據集；

S3：將S2中的2D水力模型運算結果數據集中的所述目標區域內各雨水井水位數據進行主成分分析，提取累計方差解釋率達到設定解釋率閾值的若干主成分；

S4：針對S3中提取的每個主成分，從所述目標區域內具備液位計安裝條件的所有雨水井中取出在該主成分上有最大荷載系數的雨水井，作為該主成分對應的備選監測點位；所有S3中提取的主成分對應的備選監測點位構成城市雨水排水系統的最優監測點位集合；

S5：以所述最優監測點位集合中每個監測點位的液位作為輸入，以所述目標區域內除所述最優監測點位集合之外的其余雨水井的液位作為輸出，構建BP神經網絡模型，并利用所述2D水力模型運算結果數據集對BP神經網絡模型進行訓練，得到雨水井液位反演監測模型；

S6：在實際的城市雨水排水系統中，實時監測所述最優監測點位集合中每個監測點位的液位，并將監測結果輸入所述雨水井液位反演監測模型中，實時反演和監測所述目標區域內城市雨水排水系統中所有雨水井的液位。

作為優選，步驟S1中，所述計算機2D水力模型基于目標區域雨水排水系統的管道位置、管道管徑、管道埋深、雨水井位置、雨水井標高、地面測繪數據以及河道斷面數據建立。