CN101609478B - 感潮河网与排水管网模型的集成方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种感潮河网与排水管网模型的集成方法，包括以下步骤：首先，导出感潮河网模型仿真的核心函数并封装成动态链接库，屏蔽不同开发工具的差异。其次，基于.NET平台将动态链接库中的核心函数封装成符合OpenMI标准的C语言接口。最后，将支持OpenMI接口的感潮河网模型与排水管网模型的核心函数在OpenMI平台上进行集成并交互。本发明实现了感潮河网与排水管网水力模型的自动交互、动态耦合、并行准确计算，能全面、真实、准确反映区域排涝与集水区排水之间的相互作用和相互影响，为优化河网与管网排水系统的布局和规模，节省工程建设投资，实现河网与管网蓄排水相容以及污水治理与水环境改善相配的可持续发展提供了关键的技术支撑。
Description
技术领域
本发明涉及一种水环境模型的集成方法，特别涉及一种感潮河网与排水管网模型的集成方法。
背景技术
利用计算机技术建立水环境模型可以有效地预测水动力、水质时空变化规律，有利于对水资源实施综合管理，为流域的水安全保障、水资源配置、水环境治理和水生态保护提供关键技术支撑。水循环是一个复杂的循环系统，涉及到水环境领域的一、二、三维多种数学模型，目前水的综合规划与管理缺乏水的综合模型系统，感潮河网模型和排水管网模型作为水务规划与管理的两个重要关键技术手段，急需整合融合、集成创新建立水陆排水系统的综合模型系统。
感潮河网模型是模拟感潮河网地区水流、水质受上游来水、下游潮汐、区域降雨径流、取水排水、人工调控等因素影响下的时空变化规律的数学模型。排水管网模型是模拟城镇化地区雨水排水管网系统及污水处理排放管网系统，在降雨集水、污水纳管等条件下管道水流、水头、水质等指标时空变化规律的数学模型。
受排水和水利专业分割的影响，目前的感潮河网模型和排水管网模型是各自独立研究的。一般是先执行排水管网模型，连续计算直至运行结束，然后再开始执行感潮河网模型，将管网排水入河的流量变化过程作为河网水系排涝模拟计算的输入条件，连续计算直至运行结束。这是利用两个模型先后分别进行独立计算，在计算过程中，无法实现自动切换、动态交互、并行准确计算，一般只能反映管网排水入河对河网水位、流量的单向作用和影响，而不能反映河网水位的变化对管网排水能力的影响。
而城镇化地区的河网是管网排水的载体，管网排水入河影响河网的水位、流量变化，同时河网水位的变化又影响管网的排水能力，因此在水务管理中势必要集成感潮河网模型与排水管网模型来共同研究。
请参见图1，其为现有的一种管网排水模型与河网排水模型集成计算的流程图，其包括以下步骤：
S101，运行排水管网模型，计算得出管网排水入河的流量过程数据。
S103，将排水管网模型输出的管道入河流量过程数据作为感潮河网模型的输入条件，再计算得出区域河网的排涝分析数据。
上述这种计算方式是将一个模型计算结束生成的结果作为另一个模型计算的输入条件，实现两个模型之间的静态、耦合、串行计算。但是，由于管网排水和河网排水是互为关联、互相影响、密不可分的两个过程，这种先后独立计算的方式不能全面、真实、准确地反映两个模型之间的相互作用和相互影响，存在计算误差，与实际情况不能完全吻合，也影响河网与管网设施的优化配置，乃至影响水务规划设计与研究方案的科学性、合理性及可靠性。
发明内容
本发明的目的是提出一种感潮河网与排水管网模型的集成方法，以解决现有的感潮河网模型与排水管网模型结合计算存在误差的问题。
本发明提供一种感潮河网与排水管网模型的集成交互计算方法，包括以下步骤：首先，导出感潮河网模型仿真的核心函数并封装为动态链接库，屏蔽不同开发工具的差异。其次，基于.NET平台将动态链接库中的核心函数封装成符合OpenMI标准的C语言接口。最后，将感潮河网模型与排水管网模型的核心函数在OpenMI平台上进行集成交互计算。
依照本发明较佳实施例所述的感潮河网与排水管网模型的集成方法，在导出感潮河网模型仿真的核心函数之前还包括步骤：将感潮河网模型的运行方式转换为单时间步长的运行模式。
依照本发明较佳实施例所述的感潮河网与排水管网模型的集成方法，将感潮河网模型的运行方式转换为单时间步长的运行模式包括以下步骤：首先，将感潮河网模型的整个运行周期划分为可调的若干时间步。然后，根据不同的交互时间间隔和交互位置，设置感潮河网模型调用不同的输入参数。
依照本发明较佳实施例所述的感潮河网与排水管网模型的集成方法，将感潮河网模型与排水管网模型的核心函数在OpenMI平台上进行集成交互时包括以下步骤：首先，将排水管网模型的运行方式设置成与所述感潮河网模型相衔接的单时间步长的运行模式。其次，统筹感潮河网与排水管网模型交互计算的开始次序，将排水管网模型每运行一个时间步长的输入参数设置为调用感潮河网模型在该时刻或前一时间步长计算输出的相关数据。最后，将感潮河网模型每运行一个时间步长的输入参数设置为调用排水管网模型在该时刻或前一时间步长计算输出的相关数据。
依照本发明较佳实施例所述的感潮河网与排水管网模型的集成方法，将感潮河网模型与排水管网模型的核心函数在OpenMI平台上进行集成交互时还包括步骤：为感潮河网模型设置一运行触发开关。
依照本发明较佳实施例所述的感潮河网与排水管网模型的集成方法，将核心函数封装成OpenMI标准包括以下步骤：首先，将动态链接库中的函数与C语言中的函数一一对应。其次，将感潮河网模型导出的核心函数转化为C语言下的函数。最后，将转化的C语言函数封装成符合OpenMI标准的动态链接库文件。
本发明的有益效果是：
1、本发明利用OpenMI平台实现了感潮河网与排水管网水力模型的自动交互、动态耦合、并行准确计算，可以进一步提高城乡区域排水排涝模拟计算的精度和速度，全面、真实、准确反映区域排涝与集水区排水之间的相互作用和相互影响，可以进一步优化河网与管网排水系统的工程措施，节省工程建设投资，本发明将为适应城乡水务一体化发展、发挥好水的综合效益、实现河网与管网蓄排水相容以及污水治理与水环境改善相配的可持续发展提供有力的技术支撑。
2、本发明利用OpenMI平台实现感潮河网与排水管网模型的集成创新、自动交互、动态耦合、并行准确计算，不需要重新开发整个模型，可以节省开发时间，减少开发投入，提高研发效率。
附图说明
图1为现有的一种管网排水模型与河网排水模型集成计算的流程图；
图2为本发明实施例的一种感潮河网与排水管网模型的集成方法流程图；
图3为本发明实施例的另一种感潮河网与排水管网模型的集成方法流程图；
图4为本发明实施例的一种将核心函数封装成OpenMI标准的流程图；
图5为本发明实施例的一种感潮河网模型与排水管网模型交互运算的示意图；
图6为本发明实施例的一种感潮河网模型在计算单个时间步长时的运算流程图。
具体实施方式
本发明的原理是将原先用Fortran语言开发的感潮河网模型封装成OpenMI的标准，并与排水管网模型一同在OpenMI平台上运行，实现感潮河网与排水管网模型在运行时可以自动交互、互相关联、动态耦合的目的。
本发明所涉及的OpenMI(the Open Modelling Interfaces)指开放式的模型公共接口。它于2002年在欧盟的资助下，由英国生态与水文中心(CEH)牵头，有14个欧洲组织参加的Harmonit项目开始实施。通过OpenMI环境提供的模型包装功能，用户可以将原有软件模型包装为OpenMI兼容模型，与集成前的运行方式一样。OpenMI已经受到全世界很多政府、研究机构的广泛关注。OpenMI有望成为水环境研究领域软件模型开发的长期标准。
本发明所引用的排水管网模型可以是英国Wallingford软件公司开发的城市排水系统水力模型(Info Works CS)，其符合OpenMI的标准，因而将感潮河网模型封装成OpenMI的标准后，便能实现感潮河网与排水管网模型在OpenMI平台上的交互计算。
以下结合附图，具体说明本发明。
请参见图2，其为本发明实施例的一种感潮河网与排水管网模型的集成方法流程图，其包括以下步骤：
S201，导出感潮河网模型仿真的核心函数，并封装成动态链接库，屏蔽不同开发工具的差异。
S203，基于.NET平台将动态链接库中的核心函数封装成符合OpenMI标准的C语言接口。
S205，将感潮河网模型与排水管网模型的核心函数在OpenMI平台上进行集成交互计算。
本实施例步骤S201中所采用的感潮河网模型最常见的是用Fortran语言开发，以exe文件形式执行模型计算命令的，但现有的感潮河网模型都不符合OpenMI标准。而为了使感潮河网模型可以在OpenMI平台上运行，就需要将感潮河网模型的核心函数导出，在.NET环境(.NET环境是微软的新一代技术平台)下利用C语言将核心函数转换为符合OpenMI标准的DLL文件(Dynamic Link Library，动态链接库)，并正确产生OMI文件(即可在OpenMI平台上运行的文件)。
由于排水管网模型可以采用英国Wallingford软件公司开发的模型，其本身满足OpenMI标准。因此在感潮河网模型的核心函数封装成OpenMI标准后，便可以使感潮河网模型与排水管网模型同时在OpenMI平台上运行，瞬时动态反映管网与河网之间的相互作用和影响，实现真正意义上的自动交互、动态耦合及并行准确计算，以进一步提高模拟计算的精度和计算结果的合理性和可靠性，全面、真实、准确反映两者之间的相互作用和相互影响，创新发展水务规划与研究的关键技术和方法，使之更符合实际。
为了实现感潮河网模型与排水管网模型的自动交互与动态耦合，本发明提出了单时间步长的运行方式，请参见图3，其为本发明实施例的另一种感潮河网与排水管网模型的集成方法流程图，其包括以下步骤：
S301，将感潮河网模型的运行方式转换为单时间步长的运行模式。
感潮河网模型原先是以多重循环的运行方式，模型一旦开始运行后，便会连续计算至模型运行结束，如此便无法在模型运行期间与其它模型进行交互。本实施例中将感潮河网模型的整个运行周期划分为多个时间段，最小时间间隔为一个时间步长，一般时间步长以分钟为单位，每小时可划分成若干时间步长。
S303，导出感潮河网模型仿真的核心函数。这里所述的核心函数是指感潮河网模型转换为单时间步长运行模式后的核心函数。
S305，将核心函数封装成OpenMI标准。封装时，需要在.NET环境下利用C语言将核心函数原来的语言转换为符合OpenMI标准的DLL文件，并正确产生OMI文件。
S307，将排水管网模型的运行方式设置成与所述感潮河网模型相衔接的单时间步长的运行模式。
S309，将排水管网模型每运行一个时间步长时的输入参数设置为调用感潮河网模型在该时刻或前一时间步长计算输出的相关数据。
例如，排水管网、感潮河网模型的计算时间步长为1分钟，计算的起始时间为0:00(下同)。如果第一个时间步长先运行排水管网模型，当排水管网模型运行一个时间步长，即0:01时，则调用感潮河网模型0:01时的模拟输出数据作为排水管网模型的输入参数，但此时刻河网模型没有运行输出，管网模型就采用河网模型0:00时相应的初始数据；当排水管网模型运行0:02时，调用感潮河网模型0:01时的模拟输出相关数据作为排水管网模型的输入参数。如果第一个时间步长先运行感潮河网模型，再切换运行排水管网模型，则直接调用河网模型在该时刻0:01时的模拟输出相关数据作为排水管网模型的输入参数。
S311，将感潮河网模型每运行一个时间步长时的输入参数设置为调用排水管网模型在该时刻或前一时间步长计算输出的相关数据。
例如，考虑到河网模型与管网模型的计算时间步长可能不一致，当河网模型运行一个时间步长，即0:05时，需调用管网模型0:05时的模拟输出数据作为排水管网模型的输入参数，若0:05时，管网模型有输出数据则直接调用该数据，若没有输出数据则调用最接近0:05时(如：0:04时)的输出数据。
S313，将感潮河网模型与排水管网模型集成到OpenMI平台上。
S315，为感潮河网模型设置一个运行触发开关。
为了使感潮河网的核心函数可以符合OpenMI标准，封装需要四步，也即需要用C语言实现四个类。请参见图4，其为将核心函数封装成OpenMI标准的流程图。MyEngineDLL是指从感潮河网模型导出的核心封装函数。MyEngineDLLAccess类实现DLL(Dynamic Link Library，动态链接库)文件中的函数与C语言中的函数一一对应。MyEngineDotNetAccess类将由Fortran导出的DLL封装的函数转化为C语言下的函数并改变一些调用约束习惯。MyEngineWrapper将模型转换为标准接口供MyLinkableEngine调用；MyLinkableEngine最终实现模型对外的接口。
本发明将感潮河网模型中最核心的计算模块剥离出来，形成“单个时间步长”的相对独立运行模块。模型进行满足OpenMI标准的移植、封装后，可以利用OpenMI平台，在感潮河网模型计算某一“时间步长”后，自动切换执行排水管网模型，并将该时间步长的感潮河网模型关联计算结果传输给排水管网模型开始该时间步长的计算，然后再自动切换执行感潮河网模型，将同一时间步长的排水管网模型关联结果传输给感潮河网模型，进行下一时间步的计算，以此类推，动态循环交互计算，直至计算过程结束为止，达到感潮河网模型和排水管网模型在每个计算时间步长的自动交互、互相关联、动态耦合、并行准确计算的目的。
如图5所示，其为感潮河网模型与排水管网模型交互计算的示意图。图中CSSimID26为排水管网模型，HDWQNTW为感潮河网模型。CSSimID26和HDWQNTW之间的连线表示两个模型自动切换执行、管网入流河网交互位置、相互调用关联数据的传递过程，其中向右的箭头表示排水管网传递给感潮河网的流量数据，向左的箭头为感潮河网传递给排水管网的水位数据，Trigger为模型运行的触发开关。
为便于理解，下面给出一个感潮河网模型在计算单个时间步长时的运算过程，如图6所示。其中，参数myyear、mymonth是指当前年份和月份；参数nextMonth是指下个时间步的月份；参数flag是指一个实测时间步内的第几个计算时间步，取值0-Mt-1；first标记是否是模拟的第一步；CurrentTimeStep是指当前时间步数。当年份改变的时候，读入年份河网信息；当月份改变的时候，读入月份河网信息；然后根据时间步来插值计算边界水位或流量，求解节点水位，回代求解河道的断面水位和流量，输出该时刻指定断面的的水位和流量；求解节点水质浓度，回代求解河道的断面水质浓度，输出该时刻指定位置处的浓度。
相对于现有技术，本发明具有以下优点：
1、本发明实现了感潮河网与排水管网水力模型的自动交互、动态耦合、并行准确计算，可以进一步提高城乡区域排水排涝模拟计算的精度和速度，全面、真实、准确反映区域排涝与集水区排水之间的相互作用和相互影响，可以进一步优化河网与管网排水系统的工程措施，节省工程建设投资。本发明将为适应城乡水务一体化发展、发挥好水的综合效益、实现河网与管网蓄排水相容以及污水治理与水环境改善相配的可持续发展提供有力的技术支撑。
2、本发明建立了感潮河网与排水管网水力模型集成交互的创新方法，因此，不需要重新开发整个模型，可以节省开发时间，减少开发投入，提高研发效率，对既有模型研发与应用起到保护和增强作用，更加符合实际需求，很有推广应用价值。
以上公开的仅为本发明的几个具体实施例，但本发明并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化，都应落在本发明的保护范围内。
Claims (3)
1.一种感潮河网与排水管网模型的集成方法，其特征在于，包括以下步骤：
将感潮河网模型的运行方式转换为单时间步长的运行模式；
导出感潮河网模型仿真的核心函数并封装为动态链接库，屏蔽不同开发工具的差异；
基于.NET平台将动态链接库中的核心函数封装成符合OpenMI标准的C语言接口；
将感潮河网模型与排水管网模型的核心函数在OpenMI平台上进行集成并交互计算，进一步包括以下步骤：将排水管网模型的运行方式设置成与所述感潮河网模型相同的单时间步长的运行模式；
统筹感潮河网与排水管网模型交互计算的开始次序，排水管网模型每运行一个时间步长时，将输入参数设置为调用感潮河网模型在该时刻或前一个时间步长计算输出的相关数据，其中该时刻有输出数据时采用该输出数据，否则采用前一时间步长的输出数据；
感潮河网模型每运行一个时间步长时，将输入参数设置为调用排水管网模型在该时刻或前一个时间步长计算输出的相关数据，其中该时刻有输出数据时采用该输出数据，否则采用前一时间步长的输出数据；
为感潮河网模型设置一运行触发开关。
2.如权利要求1所述的感潮河网与排水管网模型的集成方法，其特征在于，将感潮河网模型的运行方式转换为单时间步长的运行模式包括以下步骤：
将感潮河网模型的整个运行时间过程按年、月、日、小时、时间步长划分为多个时间段，其中，时间步长是模型计算的最小时间间隔，一般每小时可划分成若干时间步长;
根据模型的不同交互时间间隔和交互位置，设置感潮河网模型调用不同的输入参数。
3.如权利要求1所述的感潮河网与排水管网模型的集成方法，其特征在于，将动态链接库中的核心函数封装成符合OpenMI标准的C语言接口包括 以下步骤：
将动态链接库中的函数与C语言中的函数一一对应；
将感潮河网模型导出的核心函数转化为C语言下的函数；
将转化的C语言函数封装成符合OpenMI标准的动态链接库文件。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| ASS | Succession or assignment of patent right |
Owner name: NANJING AERONAUTICS AND ASTRONAUTICS UNIV. |
|
| C41 | Transfer of patent application or patent right or utility model | ||
| C53 | Correction of patent for invention or patent application | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information |
Inventor after: Xu Guiquan Inventor after: Chen Bing Inventor after: Chen Qingjiang Inventor after: Zhou Jianguo Inventor after: Chen Changtai Inventor after: Zhang Jianpin Inventor after: Tan Qiong Inventor before: Xu Guiquan Inventor before: Chen Bing |
|
| COR | Change of bibliographic data |
Free format text: CORRECT: INVENTOR; FROM: XU GUIQUAN CHEN BING TO: XU GUIQUAN CHEN BING CHEN QINGJIANG ZHOU JIANGUO CHEN ZHANGTAI ZHANG JIANPIN TAN QIONG |
|
| TA01 | Transfer of patent application right |
Effective date of registration: 20110224 Address after: 200232, 1170, Key Bridge Road, Shanghai, Xuhui District Applicant after: Shanghai Water Planning And Design Researchi Institute Co-applicant after: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics Address before: 200232, 1170, Key Bridge Road, Shanghai, Xuhui District Applicant before: Shanghai Water Planning And Design Researchi Institute |
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| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20121017 Termination date: 20150709 |
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| EXPY | Termination of patent right or utility model |