基于数字孪生的城市合流制溢流系统流量监测方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于数字孪生的城市合流制溢流系统流量监测方法及系统，包括：拟定预设工况表；获取目标溢流装置的结构尺寸和水力参数，构建物理模型和数值模型；将预设工况代入模型进行试验，得到流量数据；将结构尺寸、水力参数、流量数据及其对应的水位数据放入水文特征参数数据集；根据数据集计算预设工况下的系数及其表征物理量；分别汇总不同出流条件下的系数及其表征物理量，进行拟合，得到系数拟合公式；将拟合公式代入流量计算公式，得到算法模型；对系统流量进行计算，能够实现对数字孪生的城市合流制溢流系统流量进行精确度较高的监测。较高的监测。较高的监测。

【技术实现步骤摘要】
基于数字孪生的城市合流制溢流系统流量监测方法及系统


[0001]本专利技术涉及城市水环境治理
，尤其是涉及一种基于数字孪生的城市合流制溢流系统流量监测方法及系统。

技术介绍

[0002]随着科技的发展，数字孪生技术作为继人工智能、云计算后的又一前沿技术，数字孪生技术的实现基于某种规则的虚拟空间对物理实体的仿真预测，数字孪生技术逐步从制造业延伸至城市空间，与城市规划、建设与发展紧密联系在一起，搭建成了数字孪生城市。数字孪生的城市合流制溢流（CSO）系统承担着生活污水、工业废水、雨水的汇集与排放功能；晴天或小雨时，合流污水送入污水处理厂，当雨天运输水量超过管网纳污能力就会出现溢流，影响城市河湖的生态环境。
[0003]中国在CSO污染研究方面起步较晚，缺乏CSO溢流量、溢流频次以及溢流水质等基础监测数据，致使CSO污染控制目标难以确定。目前，人们大多通过监测或者模拟获得CSO的流量数据。
[0004]但受城市土地资源紧缺的影响，承担溢流功能的异型结构的薄壁堰大量存在，受城市场地与工程结构的影响，常规的流量监测设施难以设置，无法监测CSO系统流量，从而导致CSO污染控制更加困难，亟需可靠、简便的流量监测方法。

技术实现思路

[0005]有鉴于此，本专利技术实施例提供了一种基于数字孪生的城市合流制溢流系统流量监测方法及系统，以解决现有技术中因常规流量监测设施难以设置而导致无法监测合流制溢流系统流量的问题。
[0006]本专利技术实施例的第一方面提供了一种基于数字孪生的城市合流制溢流系统流量监测方法，包括：拟定预设工况表，所述预设工况表包括上游水头、下游水位；获取目标溢流装置的结构尺寸和水力参数，并根据所述结构尺寸和水力参数构建物理模型和数值模型；将预设工况表中的上游水头和下游水位代入物理模型和数值模型进行试验和模拟，得到流量数据，将所述结构尺寸、水力参数以及流量数据及其对应的上游水头和下游水位放入水文特征参数数据集；从水文特征参数数据集中调取数据，计算得到预设工况下的系数及其表征物理量，所述系数包括自由出流条件下的流量拟合系数，淹没出流条件下的淹没拟合系数，孔口出流条件下的折减拟合系数；所述表征物理量包括雷诺数的倒数，韦伯数的倒数，上游水头与下游水位之差，上游水头与堰高之差，上游水头与堰口上边缘高程之差；分别汇总不同出流条件下所有预设工况下计算得到的系数及其表征物理量，并使用遗传算法对其进行函数拟合，得到不同出流条件下的系数拟合公式，所述拟合公式包括
自由出流条件下的流量拟合系数拟合公式，淹没出流条件下的淹没拟合系数拟合公式，孔口出流条件下的折减拟合系数拟合公式；将不同出流条件下的系数代入对应出流条件下的流量计算公式，得到城市合流制溢流系统流量算法模型；将下游水位数据输入城市合流制溢流系统流量算法模型，根据下游水位数据判定出过堰水流的出流方式，根据不同的出流方式选择对应的系数拟合公式，将选中的系数代入对应的流量计算公式中，计算出城市合流制溢流系统流量。
[0007]可以理解的是，流量拟合系数拟合公式即流量拟合系数的函数，简称流量拟合系数；淹没拟合系数拟合公式即淹没拟合系数的函数，简称淹没拟合系数；折减拟合系数拟合公式即折减拟合系数的函数，简称折减拟合系数。
[0008]作为本专利技术基于数字孪生的城市合流制溢流系统流量监测方法的一种改进，所述方法还包括：所述从水文特征参数数据集中调取数据，计算得到预设工况下的系数及其表征物理量，所述系数包括自由出流条件下的流量拟合系数，淹没出流条件下的淹没拟合系数，孔口出流条件下的折减拟合系数的步骤包括：从水文特征参数数据集中调取出物理模型试验和数值模型模拟的结构数据、水力参数以及流量数据及其对应的上游水头和下游水位；根据调取的数据，计算得到自由出流条件下的流量拟合系数，淹没出流条件下的淹没拟合系数，孔口出流条件下的折减拟合系数；根据和，得到流量拟合系数表征物理量；根据和，得到淹没拟合系数表征物理量；根据和，得到折减拟合系数表征物理量。
[0009]其中，是雷诺数；是韦伯数；为动力粘度；为堰上水头；为重力加速度；为表面张力；为密度；为上游水头，单位为米；为下游水位，单位为米；为堰高，单位为米；为堰口上边缘高程，单位为米。
[0010]作为本专利技术基于数字孪生的城市合流制溢流系统流量监测方法的一种改进，所述方法还包括：所述分别汇总不同出流条件下所有预设工况下计算得到的系数及其表征物理量，并使用遗传算法对其进行函数拟合，得到不同出流条件下的系数拟合公式，所述拟合公式包括自由出流条件下的流量拟合系数拟合公式，淹没出流条件下的淹没拟合系数拟合公式，孔口出流条件下的折减拟合系数拟合公式的步骤包括：汇总物理模型和数值模型在不同出流条件下所有预设工况下计算得到的系数及其表征物理量；按照出流条件的不同，对三种出流条件对应的系数及其表征物理量分别进行拟合；根据系数及其表征物理量，随机生成一系列关于系数和表征物理量的函数表达
式，将函数表达式作为父代，并根据父代的适应度对其进行排序，所述适应度为纳什效率系数，使用轮盘赌算法筛选出一批父代，根据适应度再次排序，根据排序结果将每组父代中的系数、计算函数、运算符依次进行杂交、变异操作，以输出当前迭代运算后的子代；获取当前迭代运算输出的子代的适应度，以判断当前迭代运算输出的子代的纳什效率系数是否大于0.95；若当前迭代运算输出的子代的纳什效率系数小于0.95，则将当前迭代运算输出的子代定义为父代，重复之前的操作进行迭代运算；若当前迭代运算输出的子代的纳什效率系数大于0.95，则将当前迭代运算输出的子代定义为目标子代；得到的目标子代函数即为选定的流量拟合系数拟合公式、淹没拟合系数拟合公式和折减拟合系数拟合公式。
[0011]作为本专利技术基于数字孪生的城市合流制溢流系统流量监测方法的一种改进，所述方法还包括：所述将不同出流条件下的系数拟合公式代入不同出流条件下的流量计算公式，得到城市合流制溢流系统流量算法模型的步骤包括：将拟合后的流量拟合系数、所述淹没拟合系数以及所述折减拟合系数代入流量计算公式；其中，为自由出流的流量、为淹没出流的流量、为孔口出流的流量，单位为每秒每立方米；为堰宽，单位为米；为流量拟合系数；为淹没拟合系数；为折减拟合系数；为堰口上边缘高程，单位为米；为重力加速度；为堰上水头，单位为米；为箱涵断面面积，单位为平方米；为糙率；为水力半径，单位为米；为上下游水位差，单位为米；为箱涵长度，单位为米。
[0012]作为本专利技术基于数字孪生的城市合流制溢流系统流量监测方法的一种改进，所述方法还包括：根据公式，得到；根据公式，得到；根据公式，得到；其中，用数值模型模拟的孔口出流流量；为谢才系数，单位为每秒每米。
[0013]作为本专利技术基于数字孪生的城市合流制溢流系统流量监测方法的一种改进，所述方法还包括：所述获取目标溢流装置的结构尺寸和水力参数，并根据所述结构尺寸和水力参数构建物理模型和数值模型的步骤包括：
测量排污箱涵长、宽、高以及关键结构尺寸、薄壁堰的堰高、堰宽、堰厚、堰转角角度、地面高程数据、本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于数字孪生的城市合流制溢流系统流量监测方法，其特征在于，所述方法包括：拟定预设工况表，所述预设工况表包括上游水头、下游水位；获取目标溢流装置的结构尺寸和水力参数，并根据所述结构尺寸和水力参数构建物理模型和数值模型；将预设工况表中的上游水头和下游水位代入物理模型和数值模型进行试验和模拟，得到流量数据，将所述结构尺寸、水力参数以及流量数据及其对应的上游水头和下游水位放入水文特征参数数据集；从水文特征参数数据集中调取数据，计算得到预设工况下的系数及表征物理量，所述系数包括自由出流条件下的流量拟合系数，淹没出流条件下的淹没拟合系数，孔口出流条件下的折减拟合系数；所述表征物理量包括雷诺数的倒数，韦伯数的倒数，上游水头与下游水位之差，上游水头与堰高之差，上游水头与堰口上边缘高程之差；分别汇总不同出流条件下所有预设工况下计算得到的系数及其表征物理量，并使用遗传算法对其进行函数拟合，得到不同出流条件下的系数拟合公式，所述拟合公式包括自由出流条件下的流量拟合系数拟合公式，淹没出流条件下的淹没拟合系数拟合公式，孔口出流条件下的折减拟合系数拟合公式；将不同出流条件下的系数代入对应出流条件下的流量计算公式，得到城市合流制溢流系统流量算法模型；将下游水位数据输入城市合流制溢流系统流量算法模型，根据下游水位数据判定出过堰水流的出流方式，根据不同的出流方式选择对应的系数拟合公式，将选中的系数代入对应的流量计算公式中，计算出城市合流制溢流系统流量。2.根据权利要求1所述的基于数字孪生的城市合流制溢流系统流量监测方法，其特征在于，所述从水文特征参数数据集中调取数据，计算得到预设工况下的系数及其表征物理量，所述系数包括自由出流条件下的流量拟合系数，淹没出流条件下的淹没拟合系数，孔口出流条件下的折减拟合系数的步骤包括：从水文特征参数数据集中调取出物理模型试验和数值模型模拟的结构数据、水力参数以及流量数据及其对应的上游水头和下游水位；根据调取的数据，计算得到自由出流条件下的流量拟合系数，淹没出流条件下的淹没拟合系数，孔口出流条件下的折减拟合系数；根据和，得到流量拟合系数表征物理量；根据和，得到淹没拟合系数表征物理量；根据和，得到折减拟合系数表征物理量；其中，是雷诺数；是韦伯数；为动力粘度；为堰上水头；为重力加速度；为表面张力；为密度；为上游水头，单位为米；为下游水位，单位为米；为堰高，单位为米；为堰口上边缘高程，单位为米。
3.根据权利要求2所述的基于数字孪生的城市合流制溢流系统流量监测方法，其特征在于，所述分别汇总不同出流条件下所有预设工况下计算得到的系数及其表征物理量，并使用遗传算法对其进行函数拟合，得到不同出流条件下的系数拟合公式，所述拟合公式包括自由出流条件下的流量拟合系数拟合公式，淹没出流条件下的淹没拟合系数拟合公式，孔口出流条件下的折减拟合系数拟合公式的步骤包括：汇总物理模型和数值模型在不同出流条件下所有预设工况下计算得到的系数及其表征物理量；按照出流条件的不同，对三种出流条件对应的系数及其表征物理量分别进行拟合；根据系数及其表征物理量，随机生成一系列关于系数和表征物理量的函数表达式，将函数表达式作为父代，并根据父代的适应度对其进行排序，所述适应度为纳什效率系数，使用轮盘赌算法筛选出一批父代，根据适应度再次排序，根据排序结果将每组父代中的系数、计算函数、运算符依次进行杂交、变异操作，以输出当前迭代运算后的子代；获取当前迭代运算输出的子代的适应度，以判断当前迭代运算输出的子代的纳什效率系数是否大于0.95；若当前迭代运算输出的子代的纳什效率系数小于0.95，则将当前迭代运算输出的子代定义为父代，重复之前的操作进行迭代运算；若当前迭代运算输出的子代的纳什效率系数大于0.95，则将当前迭代运算输出的子代定义为目标子代；得到的目标子代函数即为选定的流量拟合系数拟合公式、淹没拟合系数拟合公式和折减...

【专利技术属性】
技术研发人员：唐明，吴宇泽，谢千辰，曾燕林，胡耀升，王立风，
申请(专利权)人：南昌工程学院，
类型：发明
国别省市：