CN115510600B - 一种城市排水网络优化设计方法 - Google Patents

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CN115510600B CN202211408100.9A CN202211408100A CN115510600B CN 115510600 B CN115510600 B CN 115510600B CN 202211408100 A CN202211408100 A CN 202211408100A CN 115510600 B CN115510600 B CN 115510600B
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Abstract

本发明涉及排水网络优化的技术领域，揭露了一种城市排水网络优化设计方法及装置，所述方法包括：收集城市排水网络数据构成城市排水网络结构，并对城市排水网络结构进行修正；基于修正的城市排水网络结构，构建城市排水网络模型；构建城市排水网络优化模型，确定城市排水网络设计约束规范表达式；利用梯度优化算法对构建的城市排水网络优化模型进行优化求解，将优化的排水网络置于城市排水网络模型中运行。本发明基于排水管道的待排放流量确定排水管道的两端压力差，进而构建排水网络优化设计模型，通过求解模型，得到城市排水网络优化设计方案，即通过新增若干条特定位置的排水管道，减轻城市排水网络的运行压力，降低城市内涝灾害发生的频率。

Description

一种城市排水网络优化设计方法
技术领域
本发明涉及排水网络优化的技术领域，尤其涉及一种城市排水网络优化设计方法。
背景技术
随着城镇化进程的加快，沥青、混凝土等不透水物质在城市下垫面中所占比例持续上升，可渗水的土壤面积区域减少，更多的土壤被道路替代，若发生强降雨，降雨雨量只能通过排水管道进行排放，影响了城市水文状况，增大了城市排水网络的运行压力，显著提高了城市内涝灾害发生的频率。
发明内容
有鉴于此，本专利提出一种城市排水网络优化设计方法及装置，旨在提高城市排水网络的利用率和安全性，提高城市排水能力。
本发明提供一种城市排水网络优化设计方法及装置，目的在于：1）基于搜索查询模式构成城市排水网络中排水管道的结构，删除孤立的排水管道，并基于城市的降水量、土壤降水下渗量、降水蒸发量以及最大蓄水量确定城市排水网络模型，其中大部分降水被下渗到土壤、被洼地进行蓄水以及蒸发，其余降水需要利用城市排水网络中的排水管道进行排放，根据所确定的城市排水网络模型计算得到不同区域排水管道的待排放流量；2）基于不同区域排水管道的待排放流量确定不同排水管道的两端压力差，若排水管道两端压力差过大，相当于增大了城市排水网络的运行压力，排水管道有可能发生损坏，显著提高了城市内涝灾害发生的频率，并基于排水管道两端压力差构建排水网络优化设计模型，通过利用梯度优化算法对模型进行求解，得到城市排水网络优化设计方案，即通过新增若干条特定位置的排水管道，减轻城市排水网络的运行压力，降低城市内涝灾害发生的频率。
实现上述目的，本发明提供的一种城市排水网络优化设计方法，包括以下步骤：
S1：收集城市排水网络数据构成城市排水网络结构，并对城市排水网络结构进行修正，延接网络拓扑关系；
S2：基于修正的城市排水网络结构，构建城市排水网络模型，其中所述城市排水网络模型包括城市不同排水管道的流量以及管道两端压力差，利用修正的 Morris 筛选法对模型中参数进行筛选，形成城市排水网络模型实例；
S3：构建城市排水网络优化模型，确定城市排水网络设计约束规范表达式，所述城市排水网络优化模型的求解结果为城市排水网络中新增排水管道位置；
S4：利用梯度优化算法对构建的城市排水网络优化模型进行优化求解，并根据求解结果优化城市排水网络结构，将优化的排水网络置于城市排水网络模型中运行，若效果达到指定阈值则实施，否则重新求解，其中基于非精确Armijo准则的秩2拟牛顿法为所述梯度优化算法。
作为本发明的进一步改进方法：
可选地，所述S1步骤中收集城市排水网络数据构成城市排水网络结构，包括：
收集城市排水网络数据，所述城市排水网络数据包括城市排水管道的位置参数、管道长度以及管道壁粗糙系数，基于城市排水网络数据构建城市排水网络结构，所述城市排水网络结构包括城市排水管道的位置分布以及管道参数，其中管道参数为管道长度以及管道壁粗糙系数，将同一管道的管口位置以及管底位置用直线连接，构成管道的位置分布；
所述排水管道位置参数包括城市排水管道管口位置以及管底位置，所述城市排水管道均为直线，管口位置高于管底位置；
所述城市排水网络中共有n条排水管道，n条排水管道的数据集合为：
；
其中：
表示城市排水网络中任意第/>条排水管道，/>表示第/>条排水管道的管口位置坐标，/> 表示第/>条排水管道的管底位置坐标，所述管口位置坐标以及管底位置坐标分别为管口或管底区域的中心位置坐标；
在本发明实施例中，所述城市被构建为三维坐标系，城市地表中心为三维坐标系的坐标原点，东西方向为X轴方向，南北方向为Y轴方向，从地底到地表的方向为Z轴方向；
表示第/>条排水管道的管道长度，/>表示第/>条排水管道的管道壁粗糙系数。
可选地，所述S1步骤中对城市排水网络结构进行修正，包括：
所述城市排水网络结构的修正流程为：
S11：删除所构建城市排水网络结构中孤立的管口位置坐标或管底位置坐标；
S12：选取管口位置坐标位于地表的排水管道进行查询；
S13：若查询到只有一个排水管道的管口位置坐标与选取排水管道的管底位置坐标相连，则连接查询到的排水管道以及所选取的排水管道，将所查询到的排水管道作为选取管道，重复步骤S13，直到无法查询到排水管道；
若查询到的排水管道以及所选取的排水管道的管口位置坐标与管底位置坐标的距离小于距离阈值，则判断两个位置坐标相连；
S14：若查询到有多个排水管道的管口位置坐标与选取排水管道的管底位置坐标相连，则分别连接查询到的排水管道以及所选取的排水管道，并将所查询到的排水管道分别作为选取管道，返回步骤S13，直到无法查询到排水管道；
S15：删除城市排水网络结构中管口位置坐标不位于地表，且管口位置坐标不与其他排水管道的管底位置坐标相连的排水管道；
根据上述城市排水网络结构的修正流程，得到基于条排水管道的修正后城市排水网络结构，/>表示修正后城市排水管道的数目。
可选地，所述S2步骤中基于修正的城市排水网络结构，构建城市排水网络模型，包括：
基于修正的城市排水网络结构，将城市表面划分为若干不同的子区域，每个子区域具有一条管口位置坐标位于地表的排水管道，所划分的子区域数目为m，其中第j个子区域为，/>中管口位置坐标位于地表的排水管道为/>，所述子区域/>的排水网络结构为：
；
其中：
表示水流从排水管道/>出发，经过的/>条排水管道；
所述排水管道在城市排水网络结构中可连接的最深排水管道集合为/>，所述最深排水管道为管底位置坐标不与其他排水管道相连的管道，地表的水能通过排水管道/>到达/>中任意排水管道，最深排水管道最终通向污水处理厂；
所述城市排水网络模型包含不同子区域的排水网络模型，所述子区域的排水网络模型为：
；
；
；
；
其中：
表示单位时间内区域/>的降雨量；
表示单位时间内区域/>中可透水区域的土壤平均下渗量；
表示单位时间内区域/>中不透水区域的最大蓄水量；
表示单位时间内区域/>的降雨蒸发量；
表示单位时间内区域/>的降水流量；即所述排水管道Lj的排水流量；
表示排水管道/>的管道两端压力差，/>表示水的密度，/>表示重力加速度，/>表示降水从地表流进排水管道/>管口的流经距离长度，/>表示排水管道/>的管道壁粗糙系数；
表示连接排水管道/>的所有上游排水管道在单位时间内向排水管道/>排放的排水总流量，所述上游排水管道为位置高于排水管道/>，能够向排水管道/>排放污水的排水管道；
表示区域/>的道路面积占比，/>表示区域/>的林地面积占比，/>表示区域/>的草地面积占比。
在本发明实施例中，若相连排水管道之间不存在分支排水管道，则相连排水管道的排水流量相同，若相连排水管道之间存在条分支排水管道，则位置更深的排水管道流量为上游排水总流量的/>。
可选地，所述S2步骤中利用修正的 Morris 筛选法对模型中的参数进行筛选，确定城市排水网络模型，包括：
所述模型参数包括不同子区域的土壤平均下渗量以及最大蓄水量、单位时间内降雨蒸发量以及降雨量；
利用修正的 Morris 筛选法对模型中的参数进行筛选，所述修正的Morris 筛选法的模型参数筛选流程为：
S21：从模型参数中随机选取一个参数进行多次修改，所述模型参数的修改方式为采集同一城市不同时间的降雨情况作为模型参数；
S22：将每次修改后的参数结果输入到城市排水网络模型中，得到多组城市排水网络模型中地表排水管道流量结果；
S23：计算修改参数的敏感性：
；
其中：
参数的修改次数为K-1次；
表示基于第k次修改参数得到的排水管道流量结果；
表示第k次修改参数相较于初始参数值的变化率；
S24：重复上述步骤，得到不同模型参数的敏感性，并删除模型中敏感性绝对值低于0.02的参数，得到适用于所选取城市的城市排水网络模型。
可选地，所述S3步骤中构建城市排水网络优化模型，包括：
所构建城市排水网络优化模型B为：
；
其中：
表示所增加第h条排水管道的管底坐标位置，/>表示任意污水处理厂的坐标位置，/>表示第h条排水管道的管底与最近污水处理厂的距离；
表示所增加第h条排水管道的管口位置原始排水流量，所述原始排水流量表示未增加排水管道时的排水流量；
表示增加第h条排水管道后，管口位置如今的排水流量；
H表示城市排水网络优化设计方案中新增的排水管道数量；
所述城市排水网络优化模型的求解结果为城市排水网络中新增排水管道位置；
确定城市排水网络设计约束规范表达式，所述排水网络设计约束为：
；
；
其中：
表示待优化城市排水网络中排水管道的数量。
在本发明具体实施例中，所述新增排水管道的管口位置为其他排水管道的管底位置。
可选地，所述S4步骤中利用梯度优化算法对构建的城市排水网络优化模型进行优化求解，包括：
利用梯度优化算法对构建的城市排水网络优化模型进行优化求解，其中基于非精确Armijo准则的秩2拟牛顿法为所述梯度优化算法的主要方法，所述城市排水网络优化模型的求解流程为：
S41：构造城市排水网络优化模型与约束规范表达式的罚函数形式：
；
；
其中：
表示城市排水网络优化设计方案中新增的H条排水管道的位置分布，在本发明实施例中，将H设置为/>；
为罚函数系数，将其设置为10；
S42：初始化生成H条新增排水管道的位置分布，并设置允许误差为/>，初始正定矩阵为/>，/>为单位矩阵，算法的当前迭代次数为w，w的初始值为0；
S43：计算罚函数在的梯度/>，若/>，则第w次迭代得到的位置分布为优化求解结果，否则转向步骤S44；
S44：计算；
S45：基于Armijo准则更新得到：
；
；
其中：
为/>的更新步长；
为更新参数，将其设置为0.5；
为满足/>的迹最小的分布矩阵，T表示转置；
S46：更新得到：
；
S47：令，返回步骤S43。
可选地，所述S4步骤中将优化的排水网络置于城市排水网络模型中运行，若效果达到指定阈值则实施，否则重新求解，包括：
将优化后的城市排水网络拓扑结构置于城市排水网络模型中，并采集城市不同季节的降水数据输入到模型中，模型输出城市排水网络中各排水管道的流量以及管道两端压力差，若各排水管道两端压力差均小于指定阈值，则表示可以实施城市排水网络的优化设计方案，即通过新增若干排水管道降低排水网络的负载压力，否则重新利用梯度优化算法进行求解。
为了解决上述问题，本发明提供一种城市排水网络优化设计装置，所述装置包括：
排水网络构建装置，用于收集城市排水网络数据构成城市排水网络结构，并对城市排水网络结构进行修正，基于修正的城市排水网络结构，构建城市排水网络模型，利用修正的 Morris 筛选法对模型中参数进行筛选，形成城市排水网络模型；
优化模型构建装置，用于构建城市排水网络优化模型，确定城市排水网络设计约束规范表达式；
排水网络优化模块，利用梯度优化算法对构建的城市排水网络优化模型进行优化求解，并根据求解结果优化城市排水网络结构，将优化的排水网络置于城市排水网络模型中运行，若效果达到指定阈值则实施对应的城市排水网络优化设计方案，否则重新求解。
相对于现有技术，本发明提出一种城市排水网络优化设计方法，该技术具有以下优势：
首先，本方案提出一种城市排水网络模型，通过将城市表面划分为若干不同的子区域，每个子区域具有一条管口位置坐标位于地表的排水管道，所述城市排水网络模型包含不同子区域的排水网络模型，所述子区域的排水网络模型为：；
；
；
；
其中：
表示单位时间内区域/>的降雨量；/>表示单位时间内区域/>中可透水区域的土壤平均下渗量；/>表示单位时间内区域/>中不透水区域的最大蓄水量；/>表示单位时间内区域/>的降雨蒸发量；/>表示单位时间内区域/>的降水流量；/>表示排水管道/>的管道两端压力差，/>表示水的密度，/>表示重力加速度，/>表示降水从地表流进排水管道/>管口的流经距离长度，/>表示排水管道/>的管道壁粗糙系数；
表示连接排水管道/>的所有上游排水管道在单位时间内向排水管道/>排放的排水总流量，所述上游排水管道为位置高于排水管道/>，能够向排水管道/>排放污水的排水管道；
表示区域/>的道路面积占比，/>表示区域/>的林地面积占比，/>表示区域/>的草地面积占比；相较于传统方案，本方案基于搜索查询模式构成城市排水网络中排水管道的结构，删除孤立的排水管道，并基于城市的降水量、土壤降水下渗量、降水蒸发量以及最大蓄水量确定城市排水网络模型，其中大部分降水被下渗到土壤、被洼地进行蓄水以及蒸发，其余降水需要利用城市排水网络中的排水管道进行排放，根据所确定的城市排水网络模型计算得到不同区域排水管道的待排放流量。
同时，本方案提出一种城市排水网络优化模型，所构建城市排水网络优化模型B为：
；
其中：
表示所增加第h条排水管道的管底坐标位置，/>表示任意污水处理厂的坐标位置，/>表示第h条排水管道的管底与最近污水处理厂的距离；
表示所增加第h条排水管道的管口位置原始排水流量，所述原始排水流量表示未增加排水管道时的排水流量；
表示增加第h条排水管道后，管口位置如今的排水流量；H表示城市排水网络优化设计方案中新增的排水管道数量；所述城市排水网络优化模型的求解结果为城市排水网络中新增排水管道位置；确定城市排水网络设计约束规范表达式，所述排水网络设计约束为：
；
；
其中：
表示待优化城市排水网络中排水管道的数量。利用梯度优化算法对构建的城市排水网络优化模型进行优化求解，其中基于非精确Armijo准则的秩2拟牛顿法为所述梯度优化算法。本方案通过基于不同区域排水管道的待排放流量确定不同排水管道的两端压力差，若排水管道两端压力差过大，相当于增大了城市排水网络的运行压力，排水管道有可能发生损坏，显著提高了城市内涝灾害发生的频率，并基于排水管道两端压力差构建排水网络优化设计模型，通过利用梯度优化算法对模型进行求解，得到城市排水网络优化设计方案，即通过新增若干条特定位置的排水管道，减轻城市排水网络的运行压力，降低城市内涝灾害发生的频率。
附图说明
图1为本发明一实施例提供的一种城市排水网络优化设计方法的流程示意图；
图2为本发明一实施例提供的城市排水网络优化设计装置的功能模块图。
具体实施方式
应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本申请实施例提供一种城市排水网络优化设计方法。所述城市排水网络优化设计方法的执行主体包括但不限于服务端、终端等能够被配置为执行本申请实施例提供的该方法的电子设备中的至少一种。换言之，所述城市排水网络优化设计方法可以由安装在终端设备或服务端设备的软件或硬件来执行，所述软件可以是区块链平台。
实施例1
S1：收集城市排水网络数据构成城市排水网络结构，并对城市排水网络结构进行修正，延接网络拓扑关系。
所述S1步骤中收集城市排水网络数据构成城市排水网络结构，包括：
收集城市排水网络数据，所述城市排水网络数据包括城市排水管道的位置参数、管道长度以及管道壁粗糙系数，基于城市排水网络数据构建城市排水网络结构，所述城市排水网络结构包括城市排水管道的位置分布以及管道参数，其中管道参数为管道长度以及管道壁粗糙系数，将同一管道的管口位置以及管底位置用直线连接，构成管道的位置分布；所述排水管道位置参数包括城市排水管道管口位置以及管底位置，所述城市排水管道均为直线，管口位置高于管底位置；
所述城市排水网络中共有n条排水管道，n条排水管道的数据集合为：
；
其中：
表示城市排水网络中任意第/>条排水管道，/>表示第/>条排水管道的管口位置坐标，/> 表示第/>条排水管道的管底位置坐标，所述管口位置坐标以及管底位置坐标分别为管口或管底区域的中心位置坐标；
在本发明实施例中，所述城市被构建为三维坐标系，城市地表中心为三维坐标系的坐标原点，东西方向为X轴方向，南北方向为Y轴方向，从地底到地表的方向为Z轴方向；
表示第/>条排水管道的管道长度，/>表示第/>条排水管道的管道壁粗糙系数。
所述S1步骤中对城市排水网络结构进行修正，包括：
所述城市排水网络结构的修正流程为：
S11：删除所构建城市排水网络结构中孤立的管口位置坐标或管底位置坐标；
S12：选取管口位置坐标位于地表的排水管道进行查询；
S13：若查询到只有一个排水管道的管口位置坐标与选取排水管道的管底位置坐标相连，则连接查询到的排水管道以及所选取的排水管道，将所查询到的排水管道作为选取管道，重复步骤S13，直到无法查询到排水管道；
若查询到的排水管道以及所选取的排水管道的管口位置坐标与管底位置坐标的距离小于距离阈值，则判断两个位置坐标相连；
S14：若查询到有多个排水管道的管口位置坐标与选取排水管道的管底位置坐标相连，则分别连接查询到的排水管道以及所选取的排水管道，并将所查询到的排水管道分别作为选取管道，返回步骤S13，直到无法查询到排水管道；
S15：删除城市排水网络结构中管口位置坐标不位于地表，且管口位置坐标不与其他排水管道的管底位置坐标相连的排水管道；
根据上述城市排水网络结构的修正流程，得到基于条排水管道的修正后城市排水网络结构，/>表示修正后城市排水管道的数目。
S2：基于修正的城市排水网络结构，构建城市排水网络模型，其中所述城市排水网络模型包括城市不同排水管道的流量以及管道两端压力差，利用修正的 Morris 筛选法对模型中参数进行筛选，形成城市排水网络模型实例。
所述S2步骤中基于修正的城市排水网络结构，构建城市排水网络模型，包括：
基于修正的城市排水网络结构，将城市表面划分为若干不同的子区域，每个子区域具有一条管口位置坐标位于地表的排水管道，所划分的子区域数目为m，其中第j个子区域为，/>中管口位置坐标位于地表的排水管道为/>，所述子区域/>的排水网络结构为：
；
其中：
表示水流从排水管道/>出发，经过的/>条排水管道；
所述排水管道在城市排水网络结构中可连接的最深排水管道集合为/>，所述最深排水管道为管底位置坐标不与其他排水管道相连的管道，地表的水能通过排水管道/>到达/>中任意排水管道，最深排水管道最终通向污水处理厂；
所述城市排水网络模型包含不同子区域的排水网络模型，所述子区域的排水网络模型为：
；
；
；
；
其中：
表示单位时间内区域/>的降雨量；
表示单位时间内区域/>中可透水区域的土壤平均下渗量；
表示单位时间内区域/>中不透水区域的最大蓄水量；
表示单位时间内区域/>的降雨蒸发量；
表示单位时间内区域/>的降水流量；即所述排水管道Lj的排水流量；
表示排水管道/>的管道两端压力差，/>表示水的密度，/>表示重力加速度，/>表示降水从地表流进排水管道/>管口的流经距离长度，/>表示排水管道/>的管道壁粗糙系数；
表示连接排水管道/>的所有上游排水管道在单位时间内向排水管道/>排放的排水总流量，所述上游排水管道为位置高于排水管道/>，能够向排水管道/>排放污水的排水管道；
表示区域/>的道路面积占比，/>表示区域/>的林地面积占比，/>表示区域/>的草地面积占比。
所述S2步骤中利用修正的 Morris 筛选法对模型中的参数进行筛选，确定城市排水网络模型，包括：
所述模型参数包括不同子区域的土壤平均下渗量以及最大蓄水量、单位时间内降雨蒸发量以及降雨量；
利用修正的 Morris 筛选法对模型中的参数进行筛选，所述修正的Morris 筛选法的模型参数筛选流程为：
S21：从模型参数中随机选取一个参数进行多次修改，所述模型参数的修改方式为采集同一城市不同时间的降雨情况作为模型参数；
S22：将每次修改后的参数结果输入到城市排水网络模型中，得到多组城市排水网络模型中地表排水管道流量结果；
S23：计算修改参数的敏感性：
；
其中：
参数的修改次数为K-1次；
表示基于第k次修改参数得到的排水管道流量结果；
表示第k次修改参数相较于初始参数值的变化率；
S24：重复上述步骤，得到不同模型参数的敏感性，并删除模型中敏感性绝对值低于0.02的参数，得到适用于所选取城市的城市排水网络模型。
S3：构建城市排水网络优化模型，确定城市排水网络设计约束规范表达式，所述城市排水网络优化模型的求解结果为城市排水网络中新增排水管道位置。
所述S3步骤中构建城市排水网络优化模型，包括：
所构建城市排水网络优化模型B为：
；
其中：
表示所增加第h条排水管道的管底坐标位置，/>表示任意污水处理厂的坐标位置，/>表示第h条排水管道的管底与最近污水处理厂的距离；
表示所增加第h条排水管道的管口位置原始排水流量，所述原始排水流量表示未增加排水管道时的排水流量；
表示增加第h条排水管道后，管口位置如今的排水流量；
H表示城市排水网络优化设计方案中新增的排水管道数量；
所述城市排水网络优化模型的求解结果为城市排水网络中新增排水管道位置；
确定城市排水网络设计约束规范表达式，所述排水网络设计约束为：
；
；
其中：
表示待优化城市排水网络中排水管道的数量。
S4：利用梯度优化算法对构建的城市排水网络优化模型进行优化求解，并根据求解结果优化城市排水网络结构，将优化的排水网络置于城市排水网络模型中运行，若效果达到指定阈值则实施，否则重新求解，其中基于非精确Armijo准则的秩2拟牛顿法为所述梯度优化算法。
所述S4步骤中利用梯度优化算法对构建的城市排水网络优化模型进行优化求解，包括：
所述城市排水网络优化模型的求解流程为：
S41：构造城市排水网络优化模型与约束规范表达式的罚函数形式：
；
；
其中：
表示城市排水网络优化设计方案中新增的H条排水管道的位置分布，在本发明实施例中，将H设置为/>；
为罚函数系数，将其设置为10；
S42：初始化生成H条新增排水管道的位置分布，并设置允许误差为/>，初始正定矩阵为/>，/>为单位矩阵，算法的当前迭代次数为w，w的初始值为0；
S43：计算罚函数在的梯度/>，若/>，则第w次迭代得到的位置分布为优化求解结果，否则转向步骤S44；
S44：计算；
S45：基于Armijo准则更新得到：
；
；
其中：
为/>的更新步长；
为更新参数，将其设置为0.5；
为满足/>的迹最小的分布矩阵，T表示转置；
S46：更新得到：
；
S47：令，返回步骤S43。
所述S4步骤中将优化的排水网络置于城市排水网络模型中运行，若效果达到指定阈值则实施，否则重新求解，包括：将优化后的城市排水网络拓扑结构置于城市排水网络模型中，并采集城市不同季节的降水数据输入到模型中，模型输出城市排水网络中各排水管道的流量以及管道两端压力差，若各排水管道两端压力差均小于指定阈值，则表示可以实施城市排水网络的优化设计方案，即通过新增若干排水管道降低排水网络的负载压力，否则重新利用梯度优化算法进行求解。
实施例2：
如图2所示，是本发明一实施例提供的城市排水网络优化设计装置的功能模块图，其可以实现实施例1中的城市排水网络优化设计方法。
本发明所述城市排水网络优化设计装置100可以安装于电子设备中。根据实现的功能，所述城市排水网络优化设计装置可以包括排水网络构建装置101、优化模型构建装置102及排水网络优化模块103。本发明所述模块也可以称之为单元，是指一种能够被电子设备处理器所执行，并且能够完成固定功能的一系列计算机程序段，其存储在电子设备的存储器中。
排水网络构建装置101，用于收集城市排水网络数据构成城市排水网络结构，并对城市排水网络结构进行修正，基于修正的城市排水网络结构，构建城市排水网络模型，利用修正的 Morris 筛选法对模型中参数进行筛选，形成城市排水网络模型；
优化模型构建装置102，用于构建城市排水网络优化模型，确定城市排水网络设计约束规范表达式；
排水网络优化模块103，利用梯度优化算法对构建的城市排水网络优化模型进行优化求解，并根据求解结果优化城市排水网络结构，将优化的排水网络置于城市排水网络模型中运行，若效果达到指定阈值则实施对应的城市排水网络优化设计方案，否则重新求解。
详细地，本发明实施例中所述城市排水网络优化设计装置100中的所述各模块在使用时采用与上述的图1中所述的城市排水网络优化设计方法一样的技术手段，并能够产生相同的技术效果，这里不再赘述。
需要说明的是，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。并且本文中的术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、装置、物品或者方法不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、装置、物品或者方法所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、装置、物品或者方法中还存在另外的相同要素。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到上述实施例方法可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件，但很多情况下前者是更佳的实施方式。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质(如ROM/RAM、磁碟、光盘)中，包括若干指令用以使得一台终端设备(可以是手机，计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述的方法。
以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (7)

1.一种城市排水网络优化设计方法，其特征在于，所述方法包括：
S1：收集城市排水网络数据构成城市排水网络结构，并对城市排水网络结构进行修正；
S2：基于修正的城市排水网络结构，构建城市排水网络模型，其中所述城市排水网络模型包括城市不同排水管道的流量以及管道两端压力差，利用修正的 Morris 筛选法对模型中参数进行筛选，形成城市排水网络模型；
S3：构建城市排水网络优化模型，确定城市排水网络设计约束规范表达式，所述城市排水网络优化模型的求解结果为城市排水网络中新增排水管道位置；
S4：利用梯度优化算法对构建的城市排水网络优化模型进行优化求解，并根据求解结果优化城市排水网络结构，将优化的排水网络置于城市排水网络模型中运行，若效果达到指定阈值则实施，否则重新求解，其中基于非精确Armijo准则的秩2拟牛顿法为所述梯度优化算法，包括：
所述城市排水网络优化模型的求解流程为：
S41：构造城市排水网络优化模型与约束规范表达式的罚函数形式：
；
；
其中：
表示所增加第h条排水管道的管底位置坐标，/>表示任意污水处理厂的坐标位置，/>表示第h条排水管道的管底与最近污水处理厂的距离；
表示所增加第h条排水管道的管口位置原始排水流量，所述原始排水流量表示未增加排水管道时的排水流量；
表示增加第h条排水管道后，管口位置如今的排水流量；
H表示城市排水网络优化设计方案中新增的排水管道数量；
表示城市排水网络优化设计方案中新增的H条排水管道的位置分布；
为罚函数系数，将其设置为10；
S42：初始化生成H条新增排水管道的位置分布，并设置允许误差为/>，初始正定矩阵为/>，/>为单位矩阵，算法的当前迭代次数为w，w的初始值为0；
S43：计算罚函数在的梯度/>，若/>，则第w次迭代得到的位置分布为优化求解结果，否则转向步骤S44；
S44：计算；
S45：基于Armijo准则更新得到：
；
；
其中：
为/>的更新步长；
为更新参数，将其设置为0.5；
为满足/>的迹最小的分布矩阵，T表示转置；
S46：更新得到：
；
S47：令，返回步骤S43。
2.如权利要求1所述的一种城市排水网络优化设计方法，其特征在于，所述S1步骤中收集城市排水网络数据构成城市排水网络结构，包括：
收集城市排水网络数据，所述城市排水网络数据包括城市排水管道的位置参数、管道长度以及管道壁粗糙系数，基于城市排水网络数据构建城市排水网络结构，所述城市排水网络结构包括城市排水管道的位置分布以及管道参数，其中管道参数为管道长度以及管道壁粗糙系数，将同一管道的管口位置以及管底位置用直线连接，构成管道的位置分布；
所述城市排水网络中共有n条排水管道，n条排水管道的数据集合为：
；
其中：
表示城市排水网络中任意第/>条排水管道，/>表示第/>条排水管道的管口位置坐标，/> 表示第/>条排水管道的管底位置坐标，所述管口位置坐标以及管底位置坐标分别为管口或管底区域的中心位置坐标；
表示第/>条排水管道的管道长度，/>表示第/>条排水管道的管道壁粗糙系数。
3.如权利要求2所述的一种城市排水网络优化设计方法，其特征在于，所述S1步骤中对城市排水网络结构进行修正，包括：
所述城市排水网络结构的修正流程为：
S11：删除所构建城市排水网络结构中孤立的管口位置坐标或管底位置坐标；
S12：选取管口位置坐标位于地表的排水管道进行查询；
S13：若查询到只有一个排水管道的管口位置坐标与选取排水管道的管底位置坐标相连，则连接查询到的排水管道以及所选取的排水管道，将所查询到的排水管道作为选取管道，重复步骤S13，直到无法查询到排水管道；
若查询到的排水管道以及所选取的排水管道的管口位置坐标与管底位置坐标的距离小于距离阈值，则判断两个位置坐标相连；
S14：若查询到有多个排水管道的管口位置坐标与选取排水管道的管底位置坐标相连，则分别连接查询到的排水管道以及所选取的排水管道，并将所查询到的排水管道分别作为选取管道，返回步骤S13，直到无法查询到排水管道；
S15：删除城市排水网络结构中管口位置坐标不位于地表，且管口位置坐标不与其他排水管道的管底位置坐标相连的排水管道；
根据上述城市排水网络结构的修正流程，得到基于条排水管道的修正后城市排水网络结构，/>表示修正后城市排水管道的数目。
4.如权利要求3所述的一种城市排水网络优化设计方法，其特征在于，所述S2步骤中基于修正的城市排水网络结构，构建城市排水网络模型，包括：
基于修正的城市排水网络结构，将城市表面划分为若干不同的子区域，每个子区域具有一条管口位置坐标位于地表的排水管道，所划分的子区域数目为m，其中第j个子区域为，/>中管口位置坐标位于地表的排水管道为/>，所述子区域/>的排水网络结构为：
；
其中：
表示水流从排水管道/>出发，经过的/>条排水管道；
所述排水管道在城市排水网络结构中可连接的最深排水管道集合为/>，所述最深排水管道为管底位置坐标不与其他排水管道相连的管道，地表的水能通过排水管道/>到达中任意排水管道，最深排水管道最终通向污水处理厂；
所述城市排水网络模型包含不同子区域的排水网络模型，所述子区域的排水网络模型为：
；
；
；
；
其中：
表示单位时间内区域/>的降雨量；
表示单位时间内区域/>中可透水区域的土壤平均下渗量；
表示单位时间内区域/>中不透水区域的最大蓄水量；
表示单位时间内区域/>的降雨蒸发量；
表示单位时间内区域/>的降水流量；
表示排水管道/>的管道两端压力差，/>表示水的密度，/>表示重力加速度，/>表示降水从地表流进排水管道/>管口的流经距离长度，/>表示排水管道/>的管道壁粗糙系数；
表示连接排水管道/>的所有上游排水管道在单位时间内向排水管道/>排放的排水总流量，所述上游排水管道为位置高于排水管道/>，能够向排水管道/>排放污水的排水管道；
表示区域/>的道路面积占比，/>表示区域/>的林地面积占比，/>表示区域/>的草地面积占比。
5. 如权利要求4所述的一种城市排水网络优化设计方法，其特征在于，所述S2步骤中利用修正的Morris 筛选法对模型中的参数进行筛选，确定城市排水网络模型，包括：
模型参数包括不同子区域的土壤平均下渗量以及最大蓄水量、单位时间内降雨蒸发量以及降雨量；
利用修正的 Morris 筛选法对模型中的参数进行筛选，所述修正的Morris 筛选法的模型参数筛选流程为：
S21：从模型参数中随机选取一个参数进行多次修改，模型参数的修改方式为采集同一城市不同时间的降雨情况作为模型参数；
S22：将每次修改后的参数结果输入到城市排水网络模型中，得到多组城市排水网络模型中地表排水管道流量结果；
S23：计算修改参数的敏感性：
；
其中：
参数的修改次数为K-1次；
表示基于第k次修改参数得到的排水管道流量结果；
表示第k次修改参数相较于初始参数值的变化率；
S24：重复上述步骤，得到不同模型参数的敏感性，并删除模型中敏感性绝对值低于0.02的参数，得到适用于所选取城市的城市排水网络模型。
6.如权利要求1所述的一种城市排水网络优化设计方法，其特征在于，所述S3步骤中构建城市排水网络优化模型，包括：
所构建城市排水网络优化模型B为：
；
所述城市排水网络优化模型的求解结果为城市排水网络中新增排水管道位置；
确定城市排水网络设计约束规范表达式，所述排水网络设计约束为：
；
；
其中：
表示待优化城市排水网络中排水管道的数量。
7.如权利要求1所述的一种城市排水网络优化设计方法，其特征在于，所述S4步骤中将优化的排水网络置于城市排水网络模型中运行，若效果达到指定阈值则实施，否则重新求解，包括：
将优化后的城市排水网络拓扑结构置于城市排水网络模型中，并采集城市不同季节的降水数据输入到模型中，模型输出城市排水网络中各排水管道的流量以及管道两端压力差，若各排水管道两端压力差均小于指定阈值，则表示能够实施城市排水网络的优化设计方案，通过新增若干排水管道降低排水网络的负载压力，否则重新利用梯度优化算法进行求解。
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