CN102096740B - 基于贝叶斯网络的城市雨水管网可靠度演进建模方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于贝叶斯网络的城市雨水管网可靠度演进建模方法，通过选择管道设计参数，设定降雨条件，用动态建模软件进行模拟，根据模拟结果以及管网组件系统可靠度表征方法，计算相应组件及系统的可靠度，据此建立贝叶斯网络节点的状态，应用贝叶斯网络软件，建立其贝叶斯网络的拓扑结构，应用组件和系统可靠度区间数据建立贝叶斯网络节点的若干状态，并用弧段建立节点之间的概率关系，建立雨水管网可靠度演进的贝叶斯网络模型。本发明能够满足未来雨水管网非恒定流设计的需要；具有直观性和模块化的优势，可以实现化繁为简，使可靠度设计理念真正走向工程实践；可以融合包括各种不确定性以及专家经验在内的先验知识，具有先进性和实用性。
Description
技术领域
本发明属于市政工程信息技术领域，特别涉及一种基于贝叶斯网络的城市雨水管网可靠度演进建模方法。
背景技术
可靠度是城市雨水管网工程设计的重要指标之一。将可靠度概念引入到城市雨水管网设计大约始于20世纪70～80年代的著名水文学家颜本琦(YenBen Chie)。他借鉴水利工程的设计经验，将可靠度设计方法引入到雨水管网设计领域，从而可通过数学计算量化工程设计的可靠性。在之后的20余年里，颜本琦(Ben Chie Yen)及其团队直接推动着雨水管网可靠度理论的发展，形成了几种比较经典的可靠度分析与评价方法，包括：(1)直接集成法(directintegratio)；(2)一阶可靠度分析法(又分为mean-valued和advanced两种)；(3)二阶可靠度分析法；(4)蒙特卡洛模拟方法(Monte Carlo Simulation)；(5)故障树可靠度分析法。
国内方面，1998年周玉文等以可靠性分析理论为依据，提出可以用于排水管网可靠性计算的基础数学模型；张子贤等在分析雨水管网各水力因子不确定性的基础上，通过一次二阶矩法计算过水能力的统计参数，给出了过水能力的均值、变差系数的计算式以及管道水力设计可靠度的计算式和计算方法。而后，他又在阐明水力因子、过水能力的概率分布和统计参数的基础上，提出了基于可靠性的雨水管道水力设计方法；2004年，高延红等研究了基于可靠性的屋面雨水排水沟设计方法，提出了适合我国屋面雨水排水沟设计的可靠指标取值标准；郭瑞提出了雨水管道概率极限状态水力计算方法，在计算单个管道可靠度的基础上，通过界限估计法计算出整个雨水管网体系的可靠度。同时，提出了雨水管网概率极限状态设计的目标可靠指标建议值，并计算出与之相对应的分项系数，然后应用目标可靠指标和分项系数表达式两种方法进行了雨水管道在概率极限状态下的水力计算。张佳彬在郭瑞研究的基础上，在雨水管网概率极限状态设计法的基本理论和基本遗传算法优化方法的基础上，以可靠性为约束条件，建立了基于可靠性的城市雨水管网优化设计的改进遗传算法模型。钱坤将可靠指标已确定时各设计参数的关系作为约束条件，应用在管网优化设计中。孙圣广采用蒙特卡罗法计算单管段和管网系统的可靠度，并对雨水泵站的可靠性进行分析，给出在给定可靠度的前提下计算备用泵组的方法。
然而，当前的城市雨水管网可靠度计算上存在以下问题：(1)可靠度计算方法不易用于设计过程，不易为设计人员所接受；(2)不能适应未来雨水管网非恒定流设计的要求。
发明内容
本发明的目的是提供一种能适应雨水管网非恒定流设计的要求且易于为设计人员所接受的雨水管网可靠度演进建模方法。
本发明的建模过程如下：
(1)采用自适应Metropolis Hastings算法，对雨水管网的设计参数：雨水管道的管径和坡度、雨水池容积进行采样，并在其中设定先验条件：管径取特定整数值和限定参数取值范围；
(2)将自适应Metropolis Hastings算法的取样结果，依次输入到动态建模软件中，在设计动态降雨边界条件下分别进行模拟，保存多次模拟结果；
(3)根据动态建模软件的模拟结果以及雨水管网组件可靠度和系统可靠度的表征方法，计算相应组件的可靠度以及系统可靠度，然后，按照组件可靠度分区间统计组件设计参数状况，据此建立贝叶斯网络节点的状态；
(4)应用贝叶斯网络软件，按照雨水管网的拓扑结构，建立其贝叶斯网络的拓扑结构，其中，与雨水管网拓扑结构不同，贝叶斯网络的最末端节点是系统可靠度节点；
(5)应用组件和系统可靠度区间数据建立贝叶斯网络节点的若干状态，并用弧段建立节点之间的概率关系，从而初步建立雨水管网可靠度演进的贝叶斯网络模型。
据此，可以应用组件可靠度和系统可靠度的计算数据推理计算贝叶斯网络的节点即组件的演进关系(即贝叶斯网络的弧段信息)。
雨水管网系统可靠度既是当今城市雨水管网设计的价值观，也是协调雨水管网设计多功能关系和协同雨水管网组件配置的有效途径。和雨水管网系统中水流量演进一样，雨水管网系统的组件可靠度和系统可靠度之间也存在动态演进关系，是一种信息量的演进。按照图论观点，设计之中的雨水管网是一个有向图，而贝叶斯网络也是基于有向图的概率推理模型。为此，应用贝叶斯网络模型来建模雨水管网系统组件可靠度与系统可靠度的演进关系，具有如下优势：(1)能够满足未来雨水管网非恒定流(动态)设计的需要；(2)图形化建模。贝叶斯网络模型是一个基于图形的建模工具，具有直观性和模块化的优势，可以摆脱以往可靠度分析与计算的复杂模式，从而实现化繁为简，为设计人员所接受，使可靠度设计理念真正走向工程实践；(3)兼容性。贝叶斯网络是可以基于先验知识的概率推理工具。它能够融合多种有效的先验知识，包括各种不确定性以及专家经验。因此，应用贝叶斯网络进行雨水管网可靠度演进计算比当前先进的故障树理论更具先进性和实用性。
附图说明
图1是本发明的技术路线图。
具体实施方式
为了使本发明的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。
如图1所示，第一步，采用MCMC算法中的自适应Metropolis Hastings算法对雨水管网的包括雨水管道的管径和坡度、雨水池容积的设计参数进行采样，并在其中设定如下先验条件：管径取特定整数值、限定参数取值范围。
第二步，将自适应Metropolis Hastings算法的取样结果，依次输入到动态建模软件SWMM中，设计多组动态降雨边界条件，在每组设计动态降雨边界条件下分别进行模拟，保存多次模拟结果。
第三步，根据SWMM的模拟结果以及雨水管网组件可靠度和系统可靠度的表征方法，计算相应组件的可靠度以及系统可靠度。然后，按照组件可靠度每5％为一个区间进行分区间，统计组件设计参数状况，据此建立贝叶斯网络节点的状态。
第四步，应用贝叶斯网络软件，按照雨水管网的拓扑结构，建立其贝叶斯网络的拓扑结构。其中，与雨水管网拓扑结构不同，贝叶斯网络的最末端节点是系统可靠度节点。
第五步，应用组件和系统可靠度区间数据建立贝叶斯网络节点的若干状态，并用弧段建立节点之间的概率关系，从而初步建立雨水管网可靠度演进的贝叶斯网络模型。
据此，可以应用组件可靠度和系统可靠度的计算数据推理计算贝叶斯网络的节点(即组件)的演进关系(即贝叶斯网络的弧段信息)。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。
Claims (1)
1.基于贝叶斯网络的城市雨水管网可靠度演进建模方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)采用自适应Metropolis Hastings算法，对雨水管网的包括雨水管道的管径和坡度、雨水池容积的设计参数进行采样，并在其中设定先验条件：管径取特定整数值和限定参数取值范围；
(2)将自适应Metropolis Hastings算法的取样结果，依次输入到动态建模软件中，在设计动态降雨边界条件下分别进行模拟，保存多次模拟结果；
(3)根据动态建模软件的模拟结果以及雨水管网组件可靠度和系统可靠度的表征方法，计算相应组件的可靠度以及系统可靠度，然后，按照组件可靠度分区间统计组件设计参数状况，据此建立贝叶斯网络节点的状态；
(4)应用贝叶斯网络软件，按照雨水管网的拓扑结构，建立其贝叶斯网络的拓扑结构，其中，与雨水管网拓扑结构不同，贝叶斯网络的最末端节点是系统可靠度节点；
(5)应用组件和系统可靠度区间数据建立贝叶斯网络节点的若干状态，并用弧段建立节点之间的概率关系，从而初步建立雨水管网可靠度演进的贝叶斯网络模型。
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| 刘兴坡.城市雨水管网模型参数校准研究综述.《给水排水》.2009,第35卷第452-455页. |
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| 基于贝叶斯理论的大坝体系可靠度计算方法;徐强等;《大连理工大学学报》;20110131;第51卷(第1期);第84－88页 * |
| 徐强等.基于贝叶斯理论的大坝体系可靠度计算方法.《大连理工大学学报》.2011,第51卷(第1期),第84－88页. |
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