基于C语言的机理模型、概念模型与数据模型的城市排水系统仿真控制混合模型的方法技术方案

一种基于C语言的机理模型、概念模型与数据模型的城市排水系统仿真控制混合模型，包括如下步骤：确定模型范围：确定精细化建模范围和粗略建模范围；在线机理模型构建；概念模型构建；在线机理模型与概念模型耦合；模型参数校正；降雨过程建立；排水系统水量、水质模拟；排水系统仿真控制；数据模型辅助应用：构建神经网络模型，通过接收特征数据建立降雨与径流、管网流量与深度的关系，关系建立后用于径流及管网深度的预测；模拟结果分析展示。该模型融合C语言的在线机理模型SWMM模型、概念模型及数据模型的丰富功能，实现城市排水系统水量、水质的快速模拟、高效仿真控制和自动策略优化。优化。优化。

【技术实现步骤摘要】
基于C语言的机理模型、概念模型与数据模型的城市排水系统仿真控制混合模型的方法


[0001]本专利技术涉及城市排水系统实时控制领域，特别涉及一种基于C语言的机理模型、概念模型与数据模型的城市排水系统仿真控制混合模型的方法。

技术介绍

[0002]随着快速的城市化进程以及气候变化引起的极端降雨事件频率和幅度的增加，城市排水系统系统的负荷加重，从而增加内涝和合流制管网溢流的风险。城市排水系统的实时控制是提升排水系统运行性能的可靠手段。实时控制是依据在线监测的重要过程变量数据，利用在线模型动态调整控制策略，通过控制设备对排水设施及污水处理厂运行进行实时干预。
[0003]在城市排水系统模拟中，在线机理模型EPA
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SWMM模型最为常见且应用广泛，是一类面向过程的模型。SWMM模型主要使用圣维南方程，模拟管道中水流质量和能量的守恒关系，因此能精确描述城市排水管网及附属设施中的水力过程，但其计算的复杂性导致了较长的模拟运算时间，无法满足实时控制的要求。
[0004]概念模型是一类面向控制的模型，其物理系统由高度简化的“概念”表示，依赖于更简单和更少的关系，其总体复杂性降低从而显著减少了计算时间。但由于概念模型只关注主导过程，其概化程度会影响模型模拟的精确性。其中，基于马斯京根方法的概念模型是将管道、河道或汇水区出流量，通过一种管道蓄水体积与管道流入和流出量之间的假设线性关系描述，是一种广泛应用于模拟和控制的模型，其方法简单且在预测方面具有适用性。
[0005]数据模型是现实世界数据特征的抽象，用于描述一组数据的概念和定义。数据模型是数据库中数据的存储方式。数据模型中的神经网络模型是一种模拟人脑的神经网络以期能够实现类人工智能的机器学习技术。经过多年研究表明，相较于传统模型，对于降雨
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径流模拟及预测，神经网络不止训练速度更快，模拟预测准确性也更高。在水质监测及预测中，由于水质需要结合气味、外观、氯浓度等因素综合考虑，各种因素相互影响且随时间存在衰变，传统模型很难进行精确模拟及预测，神经网络因其结果准确性及稳定度而具有优势。
[0006]基于上述模型各自的优、缺点，综合在线机理模型、概念模型与数据模型于同一仿真系统中构建混合模型，是一种优势互补的先进技术，在保证一定精度的前提下，能大幅提高运算速度，实现高效、全局、多目标的排水系统优化控制。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，而提供一种基于C语言的机理模型、概念模型与数据模型的城市排水系统仿真控制混合模型的方法，使用该方法构建的混合模型融合C语言的在线机理模型SWMM模型、概念模型及数据模型的丰富功能，实现城市排水系统水量、水质的快速模拟、高效仿真控制和自动策略优化。
[0008]如上构思，本专利技术的技术方案是：一种基于C语言的机理模型、概念模型与数据模型的城市排水系统仿真控制混合模型的方法，其特征在于：包括如下步骤：
[0009]1)确定模型范围：确定精细化建模范围和粗略建模范围；
[0010]2)在线机理模型构建：对于精细化建模范围，于在线机理模型中建立一个可运行的文件，该文件包含排水系统仿真中拟使用的部分机理模型的各项输入参数，文件建立完成后，在仿真控制混合模型中生成在线机理模型模块，并导入该输入文件；
[0011]3)概念模型构建：对于粗略建模范围，将排水系统其余部分进行概化，保留关键节点、管道和设施，进行合并、简化或删除，在混合模型仿真平台中生成相应的概念模型模块；
[0012]4)在线机理模型与概念模型耦合：在混合模型仿真平台上全面连接在线机理模型模块的入流/出流与概念模型模块的出流/入流相对应的关系节点或管道，以传导各关系节点、管道的水量、水位和水质信息；
[0013]5)模型参数校正：包括在线机理模型的参数校正和概念模型的参数校正；
[0014]6)降雨过程建立；
[0015]7)排水系统水量、水质模拟；
[0016]8)排水系统仿真控制；
[0017]9)数据模型辅助应用：构建神经网络模型，通过接收特征数据建立降雨与径流、管网流量与深度的关系，关系建立后用于径流及管网深度的预测；
[0018]10)模拟结果分析展示。
[0019]进一步，所述步骤3)概念模型构建包括汇水区模块、污水处理厂模块、调蓄池模块、泵站模块和节点模块，汇水区模块选用马斯京根线性方法或非线性水库法得到降雨
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径流关系，设置汇水区面积、初始损失、渗透损失、径流系数、污染物种类及浓度，污水处理厂模块包含污水处理厂设计容积，调蓄池模块包含调蓄池最大深度和深度
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面积曲线，两者通常与泵站模块相连，泵站模块包含泵的最大功率以及泵的启闭液位，节点模块用于连接各个设施及管道。
[0020]进一步，所述步骤5)在线机理模型的参数校正通过调节汇水区、管道、调蓄池和泵站相关参数，得到与监测数据吻合的校正参数；概念模型的参数校正通过获取汇水区、管道、调蓄池和泵站的基本信息在混合仿真平台中实现马斯京根参数(子段数N、传输时长K和权重系数X)自动寻优功能，得到模型评估结果最佳的参数。
[0021]进一步，所述步骤6)降雨过程建立包括调用外部降雨文件或典型雨型数据库、自定义公式生成降雨和手动输入降雨数据。
[0022]进一步，所述步骤7)包括求解在线机理模型的圣维南动力学方程、求解概念模型的马斯京根槽蓄和水量平衡方程演算流量、通过污染物累积模型、污染物冲刷模型并求解污染物传输转化方程。
[0023]进一步，所述步骤8)排水系统仿真控制选择基于规则的仿真控制模块，其根据规则控制法或模糊逻辑法的控制规则，选择受控设施和相应监测点，自动生成监测信息(监测时间、水质、水位和流量等)和控制指令的响应关系，在模拟控制时利用实时监测值和响应关系得到受控设施的控制值，利用PID控制方法控制设施平稳达到控制值。
[0024]进一步，所述步骤8)排水系统仿真控制选择优化策略仿真控制模块，其根据优化算法(遗传算法、线性规划、非线性规划)的控制规则，选择受控设施和监测点，生成监测时
间、水质、水位和流量信息，选择优化算法并设置算法参数，根据监测信息并结合系统控制目标，在仿真过程中通过优化算法实时计算出受控设施最优控制值，利用PID控制方法控制设施平稳达到控制值。
[0025]进一步，步骤10)模拟结果分析展示包括记录和调用各节点及管段的数据、计算通用性指标、自定义计算、生成时间
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流量等常用数据图表。
[0026]进一步，所述步骤8)基于规则的仿真控制模块的具体功能包括：选择受控设施，建立“if
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then
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else”形式的控制规则，基于监测点的运行时间、深度、水头、入流、出流、积水、水质、工作状态(开度、工作流量)信息，实现对堰、闸门、孔口、阀门、截流井、泵站可控设施的控制。
[0027]进一步，所述步骤8)优化策本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于C语言的机理模型、概念模型与数据模型的城市排水系统仿真控制混合模型的方法，其特征在于：包括如下步骤：1)确定模型范围：确定精细化建模范围和粗略建模范围；2)在线机理模型构建：对于精细化建模范围，于在线机理模型中建立一个可运行的文件，该文件包含排水系统仿真中拟使用的部分机理模型的各项输入参数，文件建立完成后，在仿真控制混合模型中生成在线机理模型模块，并导入该输入文件；3)概念模型构建：对于粗略建模范围，将排水系统其余部分进行概化，保留关键节点、管道和设施，进行合并、简化或删除，在混合模型仿真平台中生成相应的概念模型模块；4)在线机理模型与概念模型耦合：在混合模型仿真平台上全面连接在线机理模型模块的入流/出流与概念模型模块的出流/入流相对应的关系节点或管道，以传导各关系节点、管道的水量、水位和水质信息；5)模型参数校正：包括在线机理模型的参数校正和概念模型的参数校正；6)降雨过程建立；7)排水系统水量、水质模拟；8)排水系统仿真控制；9)数据模型辅助应用：构建神经网络模型，通过接收特征数据建立降雨与径流、管网流量与深度的关系，关系建立后用于径流及管网深度的预测；10)模拟结果分析展示。2.根据权利要求1所述的一种基于C语言的机理模型、概念模型与数据模型的城市排水系统仿真控制混合模型的方法，其特征在于：所述步骤3)概念模型构建包括汇水区模块、污水处理厂模块、调蓄池模块、泵站模块和节点模块，汇水区模块选用马斯京根线性方法或非线性水库法得到降雨
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径流关系，设置汇水区面积、初始损失、渗透损失、径流系数、污染物种类及浓度，污水处理厂模块包含污水处理厂设计容积，调蓄池模块包含调蓄池最大深度和深度
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面积曲线，两者通常与泵站模块相连，泵站模块包含泵的最大功率以及泵的启闭液位，节点模块用于连接各个设施及管道。3.根据权利要求1所述的一种基于C语言的机理模型、概念模型与数据模型的城市排水系统仿真控制混合模型的方法，其特征在于：所述步骤5)在线机理模型的参数校正通过调节汇水区、管道、调蓄池和泵站相关参数，得到与监测数据吻合的校正参数；概念模型的参数校正通过获取汇水区、管道、调蓄池和泵站的基本信息在混合仿真平台中实现马斯京根参数(子段数N、传输时长K和权重系数X)自动寻优功能，得到模型评估结果最佳的参数。4.根据权利要求1所述的一种基于C语言的机理模型、概念模型与数据模型的城市排水系统仿真控制混合模型的方法，其特征在于：所述步骤6)降雨过程建立包括调用外部降雨文件或典型雨型数据库、自定义公式生成降雨和手动输入降雨数据。5.根据权利要求1所述的一种基于C语言的机理模型、概念模型与数据模...

【专利技术属性】
技术研发人员：王浩正，吴凡松，张磊，韩冠宇，栗俊涛，王秋懿，邱依婷，
申请(专利权)人：中国市政工程华北设计研究总院有限公司，
类型：发明
国别省市：