[發明專利]基于SWMM和MATLAB的城市雨水排水系統自動優化方法

有效

• 申請號: 202110485231.6
• 申請日: 2021-04-30
• 公開（公告）號: CN113190944B
• 公開（公告）日: 2022-04-22
• 發明（設計）人: 杜穎恩;侯精明;李軒;高徐軍;楊霄;郭敏鵬;楊少雄;張文晴;周思敏;龔佳輝;張兆安
• 申請（專利權）人: 西安理工大學;江蘇禹潤智能科技有限公司
• 主分類號: G06F30/18
• 分類號: G06F30/18;G06F30/27;G06F30/28;G06N3/00;G06F9/445;G06F8/30;G06F113/08;G06F113/14;G06F119/14
• 代理公司: 西安弘理專利事務所 61214
• 代理人: 韓玙

1.基于SWMM和MATLAB的城市雨水排水系統自動優化方法，其特征在于，具體步驟如下：

步驟1，利用研究區給定的地塊資料、管網和雨水井資料以及LID布設資料信息完成SWMM模型搭建，并對模型完成參數率定，最終生成inp格式的文本文件；

步驟2，對SWMM源代碼進行二次開發，將MATLAB對SWMM動態鏈接庫調用的接口函數寫入SWMM源代碼中，然后利用VS2013編輯器將寫有接口函數的SWMM源代碼生成DLL文件；

步驟3，用MATLAB編寫粒子群算法程序，以研究區節點總溢流量為優化目標，構建目標優化函數，同時完成步驟1中inp文件的調用、修改以及DLL動態鏈接庫的調用函數的編寫；

目標函數的具體構建方法如下：

目標函數是通過設計不同直徑的管道和改變LID在不同片區的布設面積來控制節點的溢流量，以使研究區片區內節點的總溢流量最小化，因此，雨水排水系統設計的成本和溢流量控制目標函數可表示為：

限制條件如下：

[Violation_all]＝[Violation_p]+[Violation_h]+[Violation_s] (2)

E_k∈Ω (4)

I_p＝(H_p→u-H_u→p)/L_p×100％ (7)

D_p∈B (8)

D_p≥max{D_p→u} (9)

式中：Q_k表示第k個節點的溢流量；J表示研究區的總節點數；K表示研究區總LID單體數；P表示研究區總管網數；

[Violation_all]表示全部的懲罰項；[Violation_p]表示與雨水排水系統費用限制相對應的懲罰函數；[Violation_h]表示與管道水力限制相對應的二次懲罰函數；[Violation_s]表示LID設施所在地塊面積占比限制相對應的懲罰函數；

C(D_p)表示單位管道長度的成本，其中D_p為不同管道的管徑；C(E_k)表示相應單位面積LID設施的成本，

E_k為不同LID設施類型；S_k表示不同類型LID設施的面積；Ω表示研究區已建設的LID全部類型；F_D、F_E分別表示管網和LID設施建設的投資成本上限；α表示[Violation_p]懲罰項的懲罰系數，為正整數；V_p表示管道滿管流速；n表示管壁粗糙系數；R_p表示管道水力半徑；I_p表示管道坡度；L_p表示管道長度；H_p→u、H_u→p分別表示管道D_p上、下游節點的底標高；B表示可在當地購買的管道規格總集合；D_p→u表示管道D_p上游管道的最大直徑；V_p,max、V_p,min分別表示管道的允許最大流速和最小流速；η表示[Violation_h]懲罰項的二次懲罰系數，為正整數；P_k表示LID設施面積所占地塊比例；P_k,max表示LID設施所占地塊的面積比例；θ表示[Violation_s]懲罰項的懲罰系數，為正整數；

粒子群優化算法的具體步驟如下：

步驟3.1，初始化粒子種群算法參數，設置最大迭代次數、目標函數的自變量個數以及粒子的位置和速度的上下閾值，并設定粒子群規模；

步驟3.2，采用拉丁超立方抽樣法初始化每個粒子的速度和位置；

步驟3.3，將步驟1中的inp文件作為輸入文件，通過MATLAB編寫的DLL文件的調用、運行函數，以節點溢流量為優化目標，計算出研究區的每個粒子的適應度值，并更新粒子的個體最優位置和群體的歷史最優位置；

步驟3.4，更新每個粒子的位置和速度，計算公式如下：

式中：

ω表示慣性因子，為非負數，大時全局尋優能力強，小時，局部尋優能力強；C₁、C₂分別表示粒子個體的學習因子和粒子的社會學習因子；rand(0,1)表示區間[0,1]上的隨機數；P_id表示第i個變量的個體機制的第d維；P_gd表示全局最優解的第d維；X_id、V_id分別表示粒子第i個變量第d維的位置和速度；

步驟3.5，采用步驟3.3的方法，計算更新后每個粒子的適應度值，并更新粒子的個體最優位置和群體的歷史最優位置；

步驟3.6，判斷是否達到最大迭代次數，是則跳出迭代，輸出最優解，否則回到步驟3.4；

步驟4，運行步驟3中MATLAB編寫的粒子群優化算法程序，以步驟1中的inp文件為輸入文件，以步驟3中構建的函數為目標函數，利用步驟3中inp文件和DLL動態鏈接庫的調用函數進行粒子群算法的適應度值計算，通過不斷迭代，最終得出最優的雨水管網和LID布設優化方案。

2.根據權利要求1所述的基于SWMM和MATLAB的城市雨水排水系統自動優化方法，其特征在于，所述步驟2中生成的SWMM動態鏈接庫具體如下：

該動態鏈接庫是基于SWMM源代碼，在C++語言環境下生成的動態鏈接庫，可通過MATLAB進行調用，實現SWMM的文件輸入、輸出和程序運行以及SWMM模擬結果的讀取。