一种模块化洪水预报模型的参数全局寻优方法技术

本发明专利技术提供一种模块化洪水预报模型的参数全局寻优方法，具体步骤如下：将参数全局寻优主程序和优化算法控制文件拷贝至中国洪水预报系统安装目录下，利用中国洪水预报系统生成的率定参数控制文件和参数文件进行率定计算，率定完的参数文件即为参数率定结果，可直接用于实时作业预报；该模块化洪水预报模型的参数全局寻优方法设计合理，设计了数学优化方法同模块化洪水预报模型的通用接口，使优化率定软件离析为方法软件，可支持三水源蓄满产流模型，三水源滞后演算汇流模型，马斯京根河道分段连续演算模型，基于土壤水动力学和VG公式的产流计算模型等常用洪水预报模型，更具通用性、独立性和可扩展性。独立性和可扩展性。独立性和可扩展性。

【技术实现步骤摘要】
一种模块化洪水预报模型的参数全局寻优方法


[0001]本专利技术属于水文预报
，特别涉及一种模块化洪水预报模型的参数全局寻优方法。

技术介绍

[0002]目前全国水文预报领域最常用的模块化洪水预报模型的参数寻优算法包括单纯形法和Rosenbrock方法两种。其中，单纯形法是由Splendyd等于1962年提出的，是求解线性规划问题的通用方法。该方法是以待率定的n个模型参数构造一个(n
‑
1)边的多边形，在优化过程中，该多边形按照一定规则逐步向最优目标函数移动，循环搜索直至给定的优化条件满足。具体步骤是，从线性方程组找出一个个的单纯形，每一个单纯形可以求得一组解，然后再判断该解使目标函数值是增大还是变小了，决定下一步选择的单纯形。通过优化迭代，直到目标函数实现最大或最小值。换而言之，单纯形法就是秉承“保证每一次迭代比前一次更优”的基本思想：先找出一个基本可行解，对它进行鉴别，看是否是最优解；若不是，则按照一定法则转换到另一改进后更优的基本可行解，再鉴别；若仍不是，则再转换，按此重复进行。因基本可行解的个数有限，故经有限次转换必能得出问题的最优解。如果问题无最优解，也可用此法判别。
[0003]Rosenbrock方法是由Rosenbrock于1960年提出的，是一种迭代寻优的过程。该方法的基本原理是以要优化的n个参数构造一个n维的正交坐标系，通过目标函数计算，确定出新的一轮寻优的起始点，并计算每个参数新的搜索方向和步长，如此循环，直到满足优化终止条件。具体步骤是，每次迭代包括探测阶段和构造探索方向两部分内容，探测阶段中，从一点出发，依次沿n个单位正交方向进行探测移动，一轮探测之后，再从第1个方向开始继续探测，经过若干轮探测移动，完成一个探测结算，然后，构造一组新的单位正交方向，称之为转轴，在下一次迭代中，将沿这些方向进行探测。
[0004]但是，由于水文过程属于非线性过程，洪水过程常呈现多峰值、多噪声、不连续、高维、非线性等问题，不是一个简单的方程就能表达，所以参数优选的问题比较困难。自动优选如不加约束，常会得出离奇的参数值，即使加了约束，也可能遇到其他困难，例如，不同的初始参数群会得到不同的“最优”参数群；非常不同的参数群常能获得同样可接受的精度。因此，采用现有的方法无法快速、准确地搜寻到模型参数的全局最优解，严重影响洪水预报方案构建过程中模型参数的自动优选效率和准确度，为此，本专利技术提出一种模块化洪水预报模型的参数全局寻优方法。

技术实现思路

[0005]为了解决现有技术存在的问题，本专利技术提供了一种模块化洪水预报模型的参数全局寻优方法，本专利技术的模块化洪水预报模型的参数全局寻优方法设计合理，设计了数学优化方法同模块化洪水预报模型的通用接口，使优化率定软件离析为方法软件，可支持三水源蓄满产流模型(SMS_3)，三水源滞后演算汇流模型(LAG_3)，马斯京根河道分段连续演算
模型(MSK)，基于土壤水动力学和VG公式的产流计算模型(RVG)等常用洪水预报模型，更具通用性、独立性和可扩展性。
[0006]为了实现上述目的，本专利技术是通过如下的技术方案来实现：一种模块化洪水预报模型的参数全局寻优方法，将SCEUA遗传洗牌算法应用于洪水预报模型参数寻优过程中，将模型计算需要的参数和数据文件模块化处理，通过设定率定参数控制文件、目标函数优化过程文件、参数范围文件、参数文件、结果输出文件和优化算法控制文件通用接口，并制定“参数＝数值”的统一接口协议，使优化率定过程更加通用、独立，文件属性如下：
[0007]①
率定参数控制文件：率定参数控制文件为率定水文模型参数的总控文件，当参数范围文件为空时，表示该模块没有待优化的参数，当某模块的参数范围文件名与其他模块的参数范围文件名重名时，表示两模块共用同一组优化参数；
[0008]②
目标函数优化过程文件：目标函数优化过程信息文件主要存储目标函数的迭代过程、最优参数等信息；
[0009]③
参数范围文件：参数范围文件是实现人工试错和自动优选耦合的载体，一般包括水文模型的计算参数和其他与计算有关的内容，该文件第一列为参数名，第二列为统一的“＝”，第三列为参数范围值，当对某一参数进行自动优化率定时，需给定该参数的上下限范围值，如“CI＝0.01，1.0”，当采用人工试错法进行率定时，只需给定该参数某一具体值或将上下限设定为相同值，如“CI＝0.35”或“CI＝0.35，0.35”；
[0010]④
参数文件：参数文件主要存储多模型、多参数的参数率定结果，一般包含水文模型的计算参数和其他与计算有关的内容；
[0011]⑤
结果输出文件：结果输出文件主要存储目标函数值和目标函数的优化性质，目标函数值为实际率定结果，目标函数的优化性质表示优化目标为极大值或极小值；
[0012]⑥
优化算法控制文件：优化算法控制文件主要存储控制优化算法的循环控制次数，在实际操作中一般不要改动，其文件格式如下所示：
[0013]1000 10.001 10 1 0
[0014]分别代表：maxn kstop pcento ngs iseed ideflt
[0015]其中，maxn表示优化过程结束前允许的最大计算次数，一般取值范围为100
‑
2000；kstop表示优化过程结束前参数值必须按给定百分比变化的洗牌循环数，一般取值范围为1
‑
10；pcento表示在给定的洗牌循环次数中，参数值必须改变的百分比，一般取值范围为0.001
‑
0.010；ngs表示初始种群中复合体的数量，一般取值范围为1
‑
20；iseed表示初始随机种群数，一般取值范围为1
‑
10，推荐取1；ideflt表示是否使用默认参数。
[0016]具体步骤如下：
[0017]步骤一：将参数全局寻优主程序和优化算法控制文件拷贝至中国洪水预报系统安装目录下；
[0018]步骤二：利用中国洪水预报系统生成的率定参数控制文件和参数文件进行率定计算；
[0019]步骤三：率定完的参数文件即为参数率定结果，可直接用于实时作业预报；
[0020]步骤四：判断目标函数值是否满足需求，如果满足，则执行步骤五，否则，执行步骤二；
[0021]步骤五：保存目标函数优化过程信息文件、参数文件和结果输出文件。
[0022]作为本专利技术的一种优选实施方式，所述率定参数控制文件由中国洪水预报系统组织。
[0023]作为本专利技术的一种优选实施方式，所述参数范围文件由集成软件组织。
[0024]作为本专利技术的一种优选实施方式，所述参数文件由中国洪水预报系统组织。
[0025]本专利技术的有益效果为：
[0026]1、本专利技术的一种模块化洪水预报模型的参数全局寻优方法设计合理，设计了数学优化方法同模块化洪水预报模型的通用接口，使优化率定软件离析为方法软件，可支持三水源蓄满产本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种模块化洪水预报模型的参数全局寻优方法，其特征在于，将SCEUA遗传洗牌算法应用于洪水预报模型参数寻优过程中，将模型计算需要的参数和数据文件模块化处理，通过设定率定参数控制文件、目标函数优化过程文件、参数范围文件、参数文件、结果输出文件和优化算法控制文件通用接口，并制定“参数＝数值”的统一接口协议，使优化率定过程更加通用、独立，文件属性如下：
①
率定参数控制文件：率定参数控制文件为率定水文模型参数的总控文件，当参数范围文件为空时，表示该模块没有待优化的参数，当某模块的参数范围文件名与其他模块的参数范围文件名重名时，表示两模块共用同一组优化参数；
②
目标函数优化过程文件：目标函数优化过程信息文件主要存储目标函数的迭代过程、最优参数等信息；
③
参数范围文件：参数范围文件是实现人工试错和自动优选耦合的载体，一般包括水文模型的计算参数和其他与计算有关的内容，该文件第一列为参数名，第二列为统一的“＝”，第三列为参数范围值，当对某一参数进行自动优化率定时，需给定该参数的上下限范围值，如“CI＝0.01，1.0”，当采用人工试错法进行率定时，只需给定该参数某一具体值或将上下限设定为相同值，如“CI＝0.35”或“CI＝0.35，0.35”；
④
参数文件：参数文件主要存储多模型、多参数的参数率定结果，一般包含水文模型的计算参数和其他与计算有关的内容；
⑤
结果输出文件：结果输出文件主要存储目标函数值和目标函数的优化性质，目标函数值为实际率定结果，目标函数的优化性质表示优化目标为极大值或极小值；
⑥
优化算法控制文件：优化算法控制文件主要存储控...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡智丹，侯爱中，朱冰，张怡雯，王金星，
申请(专利权)人：水利部信息中心，
类型：发明
国别省市：