CN111680171B - 一种基于专题知识图谱的河系洪水预报方案构建方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于专题知识图谱的河系洪水预报方案构建方法，包括以下步骤：河系预报专题知识图谱构建；用户构建意图的输入和解析；河系洪水预报方案推理；最终预报方案的生成。该方法高效、准确；河系预报专题知识图谱一次构建后可多次使用，当河系内工程发生变化时，可对变化的工程进行更新；该方法进行河系洪水方案构建方式比较灵活，可以根据需要构建流域内任意区段的河系洪水预报方案。该方法可以应用到各类洪水预报应用系统中，不受编程语言的限制。

Description

一种基于专题知识图谱的河系洪水预报方案构建方法
技术领域
本发明属于洪水预报技术领域，尤其涉及了河系预报专题知识图谱及河系洪水预报计算，具体为一种河系洪水预报方案构建方法。
背景技术
河系洪水预报实现流域内多个断面同时进行洪水预报计算，相对于单个断面的洪水预报来说，河系洪水预报需要考虑各个预报断面的拓扑关系，因为在同一河系中上游的预报结果会对下游产生影响，预报计算时需要先进行上游断面的预报计算再进行下游断面的预报计算，因而河系洪水预报构建和计算过程也更为复杂。河系洪水预报方案构建需要的信息比较多，包括河系内的工程对象、工程属性和相互关系。工程对象包括水库断面、河道断面、河流、河流交汇点、产汇流区间及相关雨量站等。不同得工程对象具有不同的属性信息，如水库工程涉及库容曲线、水位泄量关系、关联汇流区间信息等属性信息；汇流区间则有关联预报模型、流域面积等属性。工程对象之间的拓扑关系包括产汇流关系，河道连接关系、入流与泄流关系等相互关系。传统模式是通过人工来组织工程对象之间的拓扑关系，以及设置各个对象的工程属性来构建河系洪水预报方案，构建河系洪水预报方案是一件费时、费力的事情，也容易因为人为因素产生错误。因为需要管理复杂的河系信息，建设能够支持河系洪水预报方案的应用软件也有较大的难度。另外，在防洪调度决策实践中，往往还需要根据当前洪水形势分析需要临时构建河系洪水预报方案，通过人工方法构建河系洪水预报方案在效率和准确性方面往往难以胜任。
现有相关技术中至少存在以下问题：
现有传统的人工方法进行河系洪水预报方案构建相应软件工具需要处理各类工程的关系及属性，相应的开发难度大；人工方法构建河系洪水预报方案对工作人员的要求高，需要非常熟练掌握流域内的相关信息，且方案构建的工作量大，也容易产生错误，也无法对人工修改的河系洪水预报方案进行验证；现有的河系洪水预报方案构建方法不够灵活、高效，不能根据实际防洪形势需要快速构建新的河系洪水预报方案。
发明内容
为了克服以上技术缺陷，本发明提供一种河系洪水预报方案构建方法，该方法基于专题知识图谱，可以实现自动、准确、高效的河系洪水预报方案构建。本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种基于专题知识图谱的河系洪水预报方案构建方法，包括以下步骤：
步骤一：河系预报专题知识图谱构建：河系预报专题知识图谱的内容包括河系洪水预报方案相关的工程对象、工程对象属性及工程对象之间的拓扑关系；
步骤二：用户构建意图的输入和解析：用户对所要构建的河系预报方案设置条件，并将用户设置的条件解析为可供河系预报专题知识图谱推理使用的规范格式；该步骤是将用户构建河系洪水预报方案的意图形成一定输入模式，然后通过形式化的形式表达传递给应用系统，以便于应用系统理解用户需求然后自动构建河系洪水预报方案；
步骤三：河系洪水预报方案推理；根据用户构建意图通过河系预报专题知识图谱进行逻辑推理得到河系洪水预报方案所需工程对象、工程对象属性及工程对象之间的拓扑关系；
步骤四：最终预报方案的生成：将步骤三推理的结果生成最终的河系洪水预报方案的数据格式。最终方案的内容包括预报断面、断面的属性、所用预报模型、模型参数、断面关联雨量站、雨量站权重、断面计算顺序等信息。最终形成的方案可在应用系统进行河系洪水预报计算，以及输出洪水预报结果。
进一步的，步骤一中所述工程对象包括水库断面、河道断面、河流、河流交汇点、产汇流区间、雨量站、预报模型、河道；所述对象属性包括库容曲线、水位泄量关系、关联汇流区间信息、水位、流量关系、关联汇流区间、关联预报模型、流域面积、模型参数、模型初始值；工程对象之间的拓扑关系包括：产汇流关系、河道连接关系、入流与泄流关系。
进一步的，步骤一河系预报专题知识图谱构建包括概念模型构建和物理模型构建两部分：所述概念模型为对工程对象、工程对象属性及工程对象之间的关系进行定义，使用式(1)表达：
Gc＝(C，Pc，Nc，Rc) (1)
其中C表示工程对象概念；Pc表示工程对象属性；Nc表示属性的类型；Rc表示工程对象概念之间的关系，所述工程对象概念之间的关系包括拓扑关系；
所述物理模型的构建即为按照概念模型的定义来构建存储实际的工程对象、工程对象属性和工程对象属性关系的专题知识图谱数据库。
进一步的，步骤二中所述设置条件包括：开始预报断面、终止预报断面、排除预报断面、模型选择。
进一步的，用户意图规范化格式如下：
Cinput＝(Os，Oe，{E1，…En}) (2)
其中：Os表示开始预报的断面对象；Oe表示结束预报的断面对象；{E1，…En}表示排除预报断面对象。
总之，本发明河系预报专题知识图谱构建，形成支持河系洪水预报方案构建的专题知识图谱；用户构建意图的输入和解析，通过专题知识图谱的支持理解和规划用户构建河系洪水预报方案的意图；河系洪水预报方案相关工程对象和拓扑关系推理或提取，形成构建河系洪水预报方案的相关工程、工程属性和相互关系等必要信息；根据河系洪水预报方案数据格式和存储方式需要生成河系洪水预报方案。
本发明的有益效果：
通过本发明的方法可以利用专题知识图谱来自动、准确的构建河系洪水预报方案，同时可以对人工修改的河系洪水预报方案的正确性进行验证。相对于单断面洪水预报方案来说，河系洪水预报实现流域内多个断面同时预报，考虑了断面之间的影响关系，一次性完成流域内多个断面的预报，所以相对于传统的人工方法构建河系洪水预报方案该方法更加高效、准确，
通过该方法不需要每个方案构建人员都非常熟悉方案构建区域的各类工程特点和水文特点。
该方法所需的知识图谱相对固定，一般一次构建后可多次使用，当河系内工程发生变化时，可在专题知识图谱中对变化的工程进行更新。
该方法进行河系洪水方案构建方式比较灵活，可以根据需要构建流域内任意区段的河系洪水预报方案。
该方法可以应用到各类洪水预报应用系统中，不受编程语言的限制。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1为本发明之“专题知识图谱概念模型”图。
图2为本发明之“以淠河为例物理知识模型”图。
图3为本发明之“基于专题知识图谱的方案生成推理流程”图。
图4为本发明之“以淠河为例的河系洪水预报方案生成结果”图。
图5为本发明之“淠河河系预报方案计算效果”图。
具体实施方式
实施例1
一种基于专题知识图谱的河系洪水预报方案构建方法，包括以下步骤：
1、河系预报专题知识图谱构建。专题知识图谱构建分为领域概念模型构建和物理模型构建两部分。领域概念模型(又称领域模型、领域对象模型、分析对象模型)是领域内的概念类或现实世界中对象的形式化表示。概念模型可使用下面的形式化公式表达：
Gc＝(C，Pc，Nc，Rc) (1)
其中C表示工程对象概念，在河系预报方案中包括水库断面、河道断面、河流、河流交汇点、产汇流区间、雨量站、预报模型、河道等对象概念；Pc表示工程对象的属性，如水库工程涉及库容曲线、水位泄量关系、关联汇流区间信息等属性信息,河道断面涉及水位、流量关系、关联汇流区间等属性；汇流区间则有关联预报模型、流域面积等属性,预报模型则有模型参数、模型初始值等属性；表示属性的类型，比如产汇流区间的面积是浮点类型，水库的名称是字符类型,水位流量关系是浮点型二维数组,在河系洪水预报方案中主要涉及属性类型有浮点型、整形、浮点数组类型和字符类型；Rc表示工程对象概念之间的关系，在河系预报方案中这些概念之间的关系主要是拓扑关系，如断面之间上下游关系、断面和河道之间的出入流关系，还有雨量站和汇流区间之间的包含关系等。
河系洪水预报领域专注于洪水预报业务本身的业务特点，发掘重要的业务领域概念，并建立业务领域概念之间的关系。河系洪水预报领域内的相关对象包括河道断面、水库断面、河流、雨量站，各类对象有各自的属性，这些对象构成一个个洪水预报断面(断面、产汇流区间、雨量站)，断面对象之间通过河道形成上下游的拓扑关系，雨量站则与产汇流区间形成对应关系，表示雨量站的降雨可以代表断面区间的降雨量。河系洪水预报方案的概念模型如图1所示，在层次关系上，河道断面和水库断面都属于断面；在拓扑关系上，断面与断面通过河道连接，形成流入(或流出)的拓扑关系，这也是河系预报方案计算的拓扑顺序(先计算上游断面再计算下游断面)；每个断面有自己河系预报相关的属性，如预报模型和参数信息(如流域面积)；预报相关模型都有自己的属性(如模型参数与初始值)。总之河系洪水预报方案的概念模型包括各类对象、对象的属性、对象之间的关系定义，不包括具体的物理对象。
物理模型就是存储实际对象，对象属性和关系的专题知识图谱数据库。河系预报专题知识图谱的物理模型是按照概念模型的定义来构建的，需要熟悉流域情况，富有经验的专业人士进行构建，以安徽省淠河流域为例，其物理模型构建结果(以流域的部分区段为例)如图2所示，其中横排头(河道断面)、佛子岭水库(水库断面)都属于断面；两个断面通过淠河连接构成上下游关系(佛子岭水库泄流入淠河，淠河经横排头流出到下游)，河系预报计算时会先计算佛子岭水库断面再计算横排头断面；横排头的区间预报模型使用了API预报模型，API预报模型有模型参数(即参数属性)PR曲线。所有的物理存在的断面、断面关系和属性构成了的淠河流域河系洪水预报知识图谱的物理模型，该物理知识图谱中包含构建河系洪水预报方案的相关信息，即构建河系洪水预报方案所需的专题知识图谱。
2、用户意图的输入与解析：基于专题知识图谱既可以自动构建全流域的河系洪水预报方案，也可以根据用户需求构建部分流域(区段)的河系洪水预报方案，还可以根据用户选择舍去流域中指定断面(比如需要验证某一水库工程有无情况下对下游洪水的影响)进行河系洪水预报方案的构建。用户意图的输入即用户构建河系预报方案的设置条件，这些设置条件包括：开始预报断面、终止预报断面、排除预报断面、模型选择等信息。如设置条件为：佛子岭水库以上，使用新安江模型，则预报的断面有佛子岭水库、白莲崖水库和磨子潭水库，并将新安江模型作为各个水库上游区间的预报模型。用户意图的解析是将用户的输入条件解析为规范格式供知识图谱推理及方案生成使用。用户意图规范化格式如下：
Cinput＝(Os，Oe，{E1，…En}) (2)
其中Os表示开始预报的断面对象，如果没有设置则一直预报到流域的最上游断面；Oe表示结束预报的断面对象，如果没有设置则一直预报到流域的最下游断面；如果上下游断面都没有设置则构建全流域的洪水预报方案；{E1，…En}表示排除预报断面对象，如果列出为排除对象，该断面不参与工程的调度计算(如排除工程为某水库工程，则水库工程变成河道断面，水流在此处没有蓄洪作用，也不进行规程调度)。
3、河系洪水预报方案推理。是在专题知识图谱建立的基础上根据用户构建方案的意图通过知识图谱推理生成所需的河系洪水预报方案。在河系预报专题知识图谱中，主要的关系有产汇流关系、河道连接关系、入流与泄流关系等关系。“属于”关系如所有的区间预报模型、河道演算模型都属于水文预报模型，河道断面、水库断面都属于断面。而构建河系预报方案推理中主要用到关系是上下游关系(即“流入”，“流出”关系)，以及雨量站与产汇流区间的“关联”关系，相关的推理关系也相对比较简单，可以通过程序的逻辑判断来实现知识推理，无须开发或使用专门的规则驱动引擎。专题知识推理的过程如图3所示。专题知识图谱推理的结果是预报的范围所有的水利工程，工程属性及相互关系。
4、最终预报方案的生成。方案生成是根据专题知识推理的结果生成最终的河系洪水方案的数据格式，该方案可最终提供给洪水预报应用系统计算使用。方案生成根据节点的拓扑关系及属性信息生成，方案的内容包括参与计算断面、断面计算顺序号、断面所使用的预报模型、断面关联的雨量站、雨量站的权重等。形成的预报方案结果可进行河系洪水预报计算，以及输出预报结果。用户也可以根据自身需要对生成的河系洪水预报方案调整。
基于专题知识图谱的河系洪水预报方案的方法已经在本单位开发的水工程联合预报调度系统中应用，用于生成河系洪水预报方案，目前系统应用省级、流域级应用系统中各1个，通过该方法可自动、快速、准确的构建流域的河系洪水预报方法，并可通过生成的河系洪水预报方案计算得出合理的预报结果(如图5)。
上述的实施方式仅是本发明的部分体现，并不能涵盖本发明的全部，在上述实例以及附图的基础上，本领域技术人员在不付出创造性劳动的前提下可获得更多的实施方式，因此这些不付出创造性劳动的前提下获得的实施方式均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (1)

1.一种基于专题知识图谱的河系洪水预报方案构建方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一：河系预报专题知识图谱构建：河系预报专题知识图谱的内容包括河系洪水预报方案相关的工程对象、工程对象的属性及工程对象之间的拓扑关系；
步骤二：用户构建意图的输入和解析：用户对所要构建的河系预报方案设置条件，并将用户设置的条件解析为可供河系预报专题知识图谱推理使用的规范格式；
步骤三：河系洪水预报方案推理；根据用户构建意图通过河系预报专题知识图谱进行逻辑推理得到河系洪水预报方案所需工程对象、工程对象属性及工程对象之间的拓扑关系；
步骤四：最终预报方案的生成：将步骤三推理的结果生成最终的河系洪水预报方案的数据格式；
步骤一中所述工程对象包括水库断面、河道断面、河道、河道交汇点、产汇流区间、雨量站、预报模型；所述对象属性包括库容曲线、水位泄量关系、关联汇流区间信息、水位、流量关系、关联汇流区间、关联预报模型、流域面积、模型参数、模型初始值；工程对象之间的拓扑关系包括：产汇流关系、河道连接关系、入流与泄流关系；步骤一河系预报专题知识图谱构建包括概念模型构建和物理模型构建两部分：所述概念模型为对工程对象、工程对象属性及工程对象之间的关系进行定义，使用式(1)表达：
Gc＝(C,Pc,Nc,Rc) (1)
其中：C表示工程对象概念；Pc表示工程对象属性；Nc表示属性的类型；Rc表示工程对象概念之间的关系，所述工程对象概念之间的关系包括拓扑关系；
所述物理模型的构建即为按照概念模型的定义来构建存储实际的工程对象、工程对象属性和工程对象属性关系的专题知识图谱数据库；步骤二中所述设置条件包括：开始预报断面、终止预报断面、排除的预报断面、选择的预报模型；用户意图规范化格式如下：
Cinput＝(Os,Oe,{E1,…En}) (2)
其中：Os表示开始预报的断面对象；Oe表示结束预报的断面对象；{E1,…En}表示排除预报断面对象。
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