一种基于模型预测控制的河网动态智能调控方法技术

本发明专利技术涉及水资源管理技术领域的一种基于模型预测控制的河网动态智能调控方法，该方法通过构建城市河网调控MPC，根据目标区域河网水位、流量和雨量监测数据，利用河网边界预测模型计算预测时域内河网边界水位、流量和降雨过程作为系统边界，以河网水位和流速调控目标为系统参考，以当前时刻河网水位和流速为当前系统状态，驱动水文水动力耦合系统模型，采用多目标优化算法求解最优的河网闸泵控制量，从而实现对河网闸泵的动态自动控制，调控精度高、实时性好。实时性好。实时性好。

【技术实现步骤摘要】
一种基于模型预测控制的河网动态智能调控方法


[0001]本专利技术涉及水资源管理
，尤其涉及一种基于模型预测控制的河网动态智能调控方法。

技术介绍

[0002]河网是城市水系景观的重要组成部分，同时也是城市防洪排涝的主要通道，如何对河网水资源进行调控对于城市防洪排涝显得非常重要。传统的城市河网调控主要是依赖对比情景预案库和人工经验的方法，但是由于气候变化及城市建设不断改变着城市水文循环过程，导致上游来水、降雨、人工经验等存在着较多的不确定性，因此传统调控方法的精度和效率都难以满足城市河网专业化、精细化、科学化的管理需求。

技术实现思路

[0003]本专利技术所要解决的技术问题是提供一种能够对河网闸泵进行自动控制并且调控准确度好、效率高的基于模型预测控制的河网动态智能调控方法。
[0004]本专利技术解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种基于模型预测控制的河网动态智能调控方法，包括，S1，收集河网数据，包括河网水位、流量、降雨历史监测数据；S2，将描述城市地表产流和汇流过程的水文模型与描述城市河网内水流演进过程的水动力模型通过断面节点水量交换的过程进行耦合构建水文水动力耦合模型；S3，根据收集的河网水位、流量、降雨历史监测数据，采用河网边界预测模型计算预测时域内城市河网水文水动力耦合模型的边界，即计算预测时域内的预测河网边界水位、流量、降雨；S4，构建城市河网调控MPC，其中河网水文水动力耦合模型为系统模型，当前时刻河网水位和流速为当前系统状态，由河网边界预测模型计算得到的预测时域内的河网边界水位、流量和降雨为系统边界，河网水文水动力耦合模型模拟的预测时域内断面水位、流速为系统输出，河网水位和流速调控目标为系统参考，河网闸门和泵站在预测时域内的开度和启闭为系统未来控制量；S5，以系统边界、当前系统状态和系统未来控制量驱动系统模型，计算得到系统输出，以系统输出与系统参考的差值最小为优化目标，基于多目标优化算法求解最优的系统未来控制量，从而实现河网动态智能调控。
[0005]进一步的，所述S2中的水文水动力耦合模型基于SWMM构建，具体构建过程如下：S21，调用SWMM中的Horton模型计算陆面下渗过程，如下式：其中表示入渗能力，t表示时间，表示稳定入渗能力，即时的入渗能力，表示初始入渗能力，即时的入渗能力，表示衰减系数；
S22，调用SWMM中的非线性水库法模型，通过联立曼宁方程和连续方程求解，计算城市地表径流，如下式：曼宁方程：连续方程：其中q是单位面积上的径流速度，Q是地表径流流量，A是子集水区表面积，n是表面粗糙系数，W是子集水区特征宽度，S是子集水区平均坡度，d和d
s
分别是子集水区地表水深和洼地蓄水深，V是子集水区总需水量，i是降雨强度，e'是表面蒸发率，f是下渗率，即入渗能力；S23，调用SWMM中的水动力模块，通过采用动力波对圣维南方程组完全求解的方式计算河网汇流，如下式：连续方程：动量方程：其中是距离，t是时间，A'是流动截面面积，Q'是河网断面流量，H是河道的水头，S
f
是摩擦比降，g是重力加速度；S24，采用SWMM提供的闸门模型计算闸门过流量，具体包括淹没出流或非淹没出流的计算方式，其中，淹没出流：非淹没出流：其中是Q''闸门过流流量，C
d
是排放系数，A0是闸门开放的面积，g是重力加速度，H
e
是闸门的有效水头，是闸门开度，Y
full
是闸门全开高度，H1是闸前水头，Z
o
是闸低标高；S25，采用SWMM提供的定速水泵模型获取泵站流量，其中泵站流量为泵站设计流量；S26，采用断面节点水量交换的方式对地表径流与河网水流进行耦合，如下式：其中是t时刻第i'个河网断面的流量，是第t
‑
1时刻第i'个河网断面的流量，是t时刻第i'个河网断面对应的地表径流。
[0006]进一步的，所述S3中河网边界预测模型基于长短期记忆网络即LSTM构建，包括如下步骤：计算遗忘门：
计算当前cell状态，包括三个阶段：第一阶段，计算当前cell候选状态：第二阶段，计算输入门：第三阶段，计算cell状态：计算输出门：其中，在上述方程中，、、分别代表t时刻的遗忘门、输入门和输出门的数据，、分别是t时刻和t
‑
1时刻的单元状态，是t
‑
1时刻的单元输出，表示t时刻的输入，即历史河网水位、流量、降雨的监测数据，W和b分别代表权重矩阵和偏置向量，tanh和σ是分别代表tanh函数和sigmoid函数。
[0007]进一步的，所述S5中以系统输出与系统参考的差值最小为优化目标中所构建的目标函数为：标函数为：其中，和 分别为水文水动力耦合模型模拟的第个河网断面预测时域内的流速与水深的最大值；和分为第个河网断面流速和水位的调控目标；L表示河网断面数量；约束条件：约束条件：约束条件：其中，为第j个闸门的开度约束，0.0表示闸门关闭，1.0表示闸门全开，J表示闸门个数；为第k个泵站的启闭约束，0表示泵站关闭，1表示泵站打开，K为泵站个数；为第k个泵站的泵站运行时长约束，其中T0小于等于预测时域的时长。
[0008]进一步的，所述S5中的多目标优化算法具体采用NSGA2算法，采用NSGA2算法求解最优系统未来控制量包括如下步骤：S51，确定闸泵控制时间步长，其中时间步长不能超过预测时域，设闸泵控制量的代数为G，其中G的取值范围为1至M之间的自然数，M为设定代数的值，在预测时域内对闸泵控制量进行随机初始化，生成第一代闸泵控制量；S52，对第一代闸泵控制量进行非支配排序，再进行选择、交叉和变异操作生成第
二代闸泵控制量；S53，将第G代闸泵控制量与第G+1代闸泵控制量进行合并，对合并后的闸泵控制量进行非支配排序，再进行拥挤度计算生成新的闸泵控制量，对新的闸泵控制量进行选择、交叉和变异操作生成第G+2代闸泵控制量，其中G的初始值为1；S54，将第G+2代闸泵控制量输入河网水文水动力耦合模型，计算得到预测时域内河网断面的水位、流速，判断计算出的预测时域内河网断面的水位、流速是否满足调控目标，若是，则输出对应的闸泵控制量，并结束，若否，则进入S55；S55，判断当前代数是否小于设定代数M，若是，则执行G++并返回执行S53；若否，则执行M=2M，即将设定代数调整为2M，再执行G++并返回执行S53。
[0009]与现有技术相比，本专利技术的优点在于：本专利技术通过构建城市河网调控MPC，根据目标区域河网水位、流量和雨量监测数据，利用河网边界预测模型计算预测时域内河网边界水位、流量和降雨过程作为系统边界，以河网水位和流速调控目标为系统参考，以当前时刻河网水位和流速为当前系统状态，驱动水文水动力耦合系统模型，采用多目标优化算法求解最优的河网闸泵控制量，从而实现对河网闸泵的动态自动控制，调控精度高、实时性好。
附图说明
[0010]图1为构建的河网调控MPC示意图。
[0011]图2为采用NSGA2算法求解最优系统未来控制量的流程图本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于模型预测控制的河网动态智能调控方法，其特征在于：包括，S1，收集河网数据，包括河网水位、流量、降雨历史监测数据；S2，将描述城市地表产流和汇流过程的水文模型与描述城市河网内水流演进过程的水动力模型通过断面节点水量交换的过程进行耦合构建水文水动力耦合模型；S3，根据收集的河网水位、流量、降雨历史监测数据，采用河网边界预测模型计算预测时域内城市河网水文水动力耦合模型的边界，即计算预测时域内的预测河网边界水位、流量、降雨；S4，构建城市河网调控MPC，其中河网水文水动力耦合模型为系统模型，当前时刻河网水位和流速为当前系统状态，由河网边界预测模型计算得到的预测时域内的河网边界水位、流量和降雨为系统边界，河网水文水动力耦合模型模拟的预测时域内断面水位、流速为系统输出，河网水位和流速调控目标为系统参考，河网闸门和泵站在预测时域内的开度和启闭为系统未来控制量；S5，以系统边界、当前系统状态和系统未来控制量驱动系统模型，计算得到系统输出，以系统输出与系统参考的差值最小为优化目标，基于多目标优化算法求解最优的系统未来控制量，从而实现河网动态智能调控。2.根据权利要求1所述的基于模型预测控制的河网动态智能调控方法，其特征在于：所述S2中的水文水动力耦合模型基于SWMM构建，具体构建过程如下：S21，调用SWMM中的Horton模型计算陆面下渗过程，如下式：其中表示入渗能力，t表示时间，表示稳定入渗能力，即时的入渗能力，表示初始入渗能力，即时的入渗能力，表示衰减系数；S22，调用SWMM中的非线性水库法模型，通过联立曼宁方程和连续方程求解，计算城市地表径流，如下式：曼宁方程：连续方程：其中q是单位面积上的径流速度，Q是地表径流流量，A是子集水区表面积，n是表面粗糙系数，W是子集水区特征宽度，S是子集水区平均坡度，d和d
s
分别是子集水区地表水深和洼地蓄水深，V是子集水区总需水量，i是降雨强度，e'是表面蒸发率，f是下渗率，即入渗能力；S23，调用SWMM中的水动力模块，通过采用动力波对圣维南方程组完全求解的方式计算河网汇流，如下式：连续方程：
动量方程：其中是距离，t是时间，A'是流动截面面积，Q'是河网断面流量，H是河道的水头，S
f
是摩擦比降，g是重力加速度；S24，采用SWMM提供的闸门模型计算闸门过流量，具体包括淹没出流或非淹没出流的计算方式，其中，淹没出流：非淹没出流：其中是Q''闸门过流流量，C
d
是排放系数，A0是闸门开放的面积，g是重力加速度，H
e
是闸门的有效水头，是闸门开度，Y
full
是闸门全开高度，H1是闸前水头，Z
o
是闸低标高；S25，采用SWMM提供的定速水泵模型获取泵站流量，其中泵站流量为泵站设计流量；S26，采用断面节点水量交换的方式对地表径流与河网水流...

【专利技术属性】
技术研发人员：梁永帅，廖卫红，蒋云钟，雷晓辉，王超，李海辰，焦安甲，杨永森，霍雨，
申请(专利权)人：中国水利水电科学研究院，
类型：发明
国别省市：