引黃灌渠斗口水流量軟測量技術研究.pdf

1、實現(xiàn)引黃灌渠水流量連續(xù)自動測量和遠程數(shù)據(jù)傳輸是實行可交易水權制度和建設數(shù)字灌區(qū)的重要技術基礎之一。引黃灌渠斗口特指引黃干渠通向支渠的放水閘口(簡稱斗口)，按照引黃灌區(qū)現(xiàn)行水資源管理辦法，灌渠斗口水流量是水資源管理部門與用水單位結算水費的法定依據(jù)。利用閘口水工建筑物(灌渠斗口)量水不需要修筑專門的量水設施，可以避免量水設施帶來的水頭損失等弊端，是最為經(jīng)濟和廣泛采用的灌渠量水方法。由于引黃灌渠泥砂含量大、淤積嚴重、漂浮物多、水流形態(tài)變化無常

2、，一般只能通過觀測干渠(閘前)和支渠(閘后)若干點水位以及啟閘高度，依據(jù)閘口水工建筑物的類別和水流形態(tài)，選用基于水力學分析的量水公式和現(xiàn)場率定的綜合流量系數(shù)來估算水流量，具有軟測量的典型特征。 本文基于國家自然科學基金項目“引黃灌渠斗口流量自動測量方法與裝置研究”(60165001)，主要開展了以下研究工作： (1)從實現(xiàn)可交易水權制度和引黃灌區(qū)數(shù)字化的目標出發(fā)，設計了基于短消息服務的引黃灌渠水流量遠程監(jiān)測網(wǎng)絡總體方案，

3、并研制了作為該網(wǎng)絡重要現(xiàn)場單元的灌渠斗口水流量自動測量裝置(ZL200420050359.1)以及與之配套的兩種水位測量儀器(智能浮子水位計、智能電子水尺)和閘門開啟度(位置)測量機構。為深入研究灌渠斗口水流量軟測量的相關問題并對各種軟測量模型進行訓練和檢驗，還專門設計并搭建了引黃灌渠斗口縮尺水工模型。 (2)按照軟測量原理和工程開發(fā)規(guī)范，提出引黃灌渠斗口水流量軟測量技術所包含的輔助變量選擇、數(shù)據(jù)預處理、建立軟測量模型和軟模型在

4、線校正四個方面的基本任務。首先將各種流態(tài)對應的量水公式轉化為傳統(tǒng)機理軟測量模型，并由此確定了引黃灌渠斗口水流量軟測量的輔助變量。在對各點水位信號特征分析的基礎上，提出基于綜合支持度的加權平均算法，以有效濾除水位測量數(shù)據(jù)中的異常值和隨機干擾；還針對引黃灌渠斗口的特殊條件，提出了滾動式軟測量模型在線校正策略。 (3)為使基于傳統(tǒng)水力學機理的軟測量技術轉化為可以實際應用的專家系統(tǒng)軟件，設計并實現(xiàn)了基于產(chǎn)生式規(guī)則的引黃灌渠斗口水流量軟測

5、量專家系統(tǒng)。所提出的綜合流量系數(shù)細分率定法并通過知識庫擴充予以實現(xiàn)，使傳統(tǒng)機理模型的估計精度和適應性得到一定程度的改善。 (4)建立了引黃灌渠斗口水流量BP網(wǎng)絡軟測量模型，并采用水工實驗數(shù)據(jù)對BP網(wǎng)絡模型進行訓練和檢驗，證明人工神經(jīng)網(wǎng)絡軟測量模型在改善測量精度方面的成效。鑒于BP網(wǎng)絡存在學習速度慢、易陷入局部極小以及泛化能力性能差等缺陷，建立了引黃灌渠斗口水流量RBF網(wǎng)絡軟測量模型，并采用自適應遺傳算法(AGA)對RBF網(wǎng)絡軟測

6、量模型參數(shù)進行優(yōu)化。通過仿真實驗證明RBF網(wǎng)絡模型比BP網(wǎng)絡模型更加適用。為適應嵌入式環(huán)境和水流量實時估計的要求，又建立了基于CMAC網(wǎng)絡和水力學機理的混合軟測量模型。從適應引黃灌渠斗口水流形態(tài)多樣化以及訓練樣本稀疏性出發(fā)，還提出“分而治之”策略，建立了適應流態(tài)變化的軟測量混合專家網(wǎng)絡，使全流態(tài)復雜系統(tǒng)的軟測量建模問題轉化為針對單一流態(tài)簡單系統(tǒng)的軟測量建模問題。 (5)針對實際中訓練樣本稀疏的問題，建立了基于支持向量回歸(SVR

7、)的軟測量模型，并采用基于粒子群優(yōu)化算法(PSO)對SVR軟測量模型參數(shù)進行優(yōu)化。相同的水工實驗數(shù)據(jù)對采用不同核函數(shù)和損失函數(shù)的SVR軟測量模型進行的仿真訓練和性能檢驗結果表明，SVR軟測量模型能夠適應樣本稀疏條件，比BP和RBF網(wǎng)絡軟測量模型估算精度高，而且泛化能力可從本質(zhì)上得到改善。 (6)現(xiàn)場量水實踐和水工實驗均表明，目前采用的量水公式在鄰近流態(tài)邊界處誤差明顯增大，由于實際中缺乏流態(tài)邊界的訓練樣本，基于機器學習的軟測量模型

8、的泛化能力也會明顯降低。在對引黃灌渠斗口水流態(tài)邊界的模糊特性進行分析的基礎上，提出流態(tài)區(qū)域參考模型以及綜合流量系數(shù)模糊推理和數(shù)據(jù)融合相結合的軟測量方案。在改善流態(tài)模糊邊界水流量估計精度和模型適用性方面取得了一定的成效。 本文的主要貢獻與創(chuàng)新點主要體現(xiàn)在以下五個方面：其一，開發(fā)了適合引黃灌渠條件的灌渠斗口水流量自動測量裝置，為軟測量技術實現(xiàn)搭建了較為理想的硬件平臺；其二，建立了基于水力學機理和綜合流量系數(shù)細分率定的軟測量專家系統(tǒng)，

9、既為設計引黃灌渠斗口水流量軟測量程序制定了一種規(guī)范，也為改善水流量估計精度提供了簡便有效的方法；其三，選擇BP、RBF、CMAC、SVR、AGA和PSO等多種軟計算方法，建立了適應嵌入式環(huán)境和水流量實時估計以及訓練樣本稀缺的軟測量模型，使軟測量模型的估計精度以及適用性和可靠性得到全面改善。第四，提出并實際建立了基于模糊推理技術的混合軟測量模型，有效提高了水力學機理模型的適用性和精確度；其五，提出由確定性區(qū)域和模糊邊界構成的流態(tài)區(qū)域參考模