CN114021297A - 基于回声状态网络的复杂管网泄漏定位方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及复杂管网泄漏定位技术领域，特别涉及基于回声状态网络的复杂管网泄漏定位预测方法。包括以下步骤：建立回声状态网络训练数据库、构建回声状态网络模型并对回声状态网络模型进行训练、训练BP神经网络模型，并对回声状态网络模型与BP神经网络模型进行比较。本发明通过建立回声状态网络训练数据库，并将数据的数据分为训练集与测试集对回声状态网络模型进行训练，使回声状态网络模型对泄漏的位置进行准确的预测，并且通过建立管网输入与输出之间的映射关系实现了对整个管网的诊断，相比于BP神经网络预测方法，减少人力巡查的时间以及设备使用的消费，极大提高了管网泄漏的诊断效率。
Description
技术领域
本发明涉及复杂管网泄漏定位技术领域，特别涉及基于回声状态网络的复杂管网泄漏定位预测方法。
背景技术
目前大部分泄漏定位技术主要适应于单一长直管道(输油、输天然气管道等)，对于有拓扑结构的复杂管网(供热管网、供水管网等)有一定的局限性，复杂管网出现泄漏时最可靠的定位技术是靠定期人力巡查或被动检查法，不仅浪费了大量的精力和时间，并且造成了极大的资源浪费，近年来人工神经网络以其能够逼近任意非线性函数，建立输入与输出之间良好的映射关系这一优势，被应用于管网的泄漏定位。
其中运用最为广泛的是反向传播(BP)神经网络，但是该神经网络容易陷入局部最小值，预测精度不是很高，而回声状态网络(ESNs)以其随机稀疏连接的大量神经元构成的动态储备池(DR)作为隐含层，在稳定性、全局最优性、局部最小问题、收敛速度和训练过程复杂性等方面相对BP神经网络有很大提高，为此本发明提出了基于回声状态网络的复杂管网泄漏定位预测方法。
发明内容
本发明的目的在于提供基于回声状态网络的复杂管网泄漏定位方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，提供了基于回声状态网络的复杂管网泄漏定位方法，包括以下步骤：
S1、建立回声状态网络训练数据库；
S2、构建回声状态网络模型并对回声状态网络模型进行训练；
S3、训练BP神经网络模型，并对回声状态网络模型与BP神经网络模型进行比较。
作为本技术方案的进一步改进，在所述S1中，建立回声状态网络训练库的步骤为：
S1.1、通过复杂管网的水力、结构参数构建管网水力模型；
S1.2、对管网水力模型进行验证，确定其准确性；
S1.3、确定管网泄漏模拟方案；
S1.4、对网水力模型进行模拟，并统计管网泄漏前后监测点压力差与管道泄漏位置及泄漏量之间的对应数据；
S1.5、对记录的数据进行归一化处理，并根据归一化处理的数据获得回声状态网络的训练数据库。
作为本技术方案的进一步改进，在所述S1.5中，对记录的数据进行归一化处理的公式为：
其中X表示原始数据，
和Xstd分别表示数据在整个范围内的平均值，Xnew为归一化处理后的训练数据。
作为本技术方案的进一步改进，在所述S2中，构建回声状态网络模型的步骤为：
S2.1、将管网泄漏前后监测点的压力差作为回声状态网络的输入层；
S2.2、将管网中管道泄漏位置及泄漏量作为输出层；
S2.3、在输入层和输出层之间设置一个随机生成的稀疏连接的神经元结构的储备池，并对生成的储备池网络结构进行初始化，并保持连接权值固定不变。
作为本技术方案的进一步改进，在所述S2中，对回声状态网络模型进行训练的步骤为：
S2.4、将步骤S1中建立的回声状态网络的训练数据库中的数据分为训练集与测试集两个部分；
S2.5、利用训练集对回声状态网络模型进行训练，利用测试集测试回声状态网络模型对管网泄漏位置及泄漏量的预测精度。
作为本技术方案的进一步改进，在所述S2.5中，在测试集测试回声状态网络模型对管网泄漏位置及泄漏量的预测精度时，采用均方误差MSE来衡量模型的预测精度和效果，其公式为：
其中：yi代表实际值，fi代表网络预测值，n为数据数量，MES为均方误差数值。
作为本技术方案的进一步改进，在所述S3中，训练BP神经网络模型的步骤为：
S3.1、建立BP神经网络模型；
S3.2、使用步骤S2.4中将回声状态网络的训练数据库中的数据出的训练集训练BP神经网络模型。
作为本技术方案的进一步改进，在所述S3中，对回声状态网络模型与BP神经网络模型进行比较的步骤为：
S3.3、利用回声状态网络的训练数据库中的数据出的测试集测试回声状态网络模型和BP神经网络模型预测的精度和效果；
S3.4、将测试集测试的有关回声状态网络模型和BP神经网络模型数据进行对比，确定回声状态网络模型和BP神经网络模型预测的精度。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
该基于回声状态网络的复杂管网泄漏定位方法中，通过建立回声状态网络训练数据库，并将数据的数据分为训练集与测试集对回声状态网络模型进行训练，使回声状态网络模型对泄漏的位置进行准确的预测，并且通过建立管网输入与输出之间的映射关系实现了对整个管网的诊断，相比于BP神经网络预测方法，减少人力巡查的时间以及设备使用的消费，极大提高了管网泄漏的诊断效率，相比于BP神经网络预测方法，在预测精度上有很大提高。
附图说明
图1为本发明的整体步骤框图；
图2为本发明的步骤S1流程框图；
图3为本发明的步骤S2流程框图；
图4为本发明的步骤S3流程框图；
图5为本发明的复杂管网结构图；
图6为本发明的复杂管网模拟界面图结构示意图；
图7为本发明的回声状态网络结构图；
图8为本发明的回声状态网络模型与BP神经网络模型预测结果对比图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
实施例1
请参阅图1-图8所示，本实施例目的在于，提供了基于回声状态网络的复杂管网泄漏定位方法，包括以下步骤：
S1、建立回声状态网络训练数据库；
建立回声状态网络训练库的步骤为：
S1.1、通过复杂管网的水力、结构参数构建管网水力模型；
S1.2、对管网水力模型进行验证，确定其准确性；
S1.3、确定管网泄漏模拟方案；
S1.4、对网水力模型进行模拟，并统计管网泄漏前后监测点压力差与管道泄漏位置及泄漏量之间的对应数据；
S1.5、对记录的数据进行归一化处理，并根据归一化处理的数据获得回声状态网络的训练数据库；
对记录的数据进行归一化处理的公式为：
其中X表示原始数据，
和Xstd分别表示数据在整个范围内的平均值，Xnew为归一化处理后的训练数据。
如图5所示，本次模拟的复杂管网中设有40个管段、25个节点，以此管网为基础建立模型，在各管段的1/4，1/2，3/4处各增加一个节点作为模拟泄漏点，如图6所示，确定模拟方案为：模型中设置5个压力监测点，在进口流量为1.0m3/h的情况下，选择模型中所有节点处以及管段的1/4，1/2，3/4处模拟泄漏，每个泄漏点泄漏量按小泄漏、中等泄漏、大泄漏来划分，泄漏量占总循环量的比例分别为0.1％、0.3％、0.6％、1％、3％、6％、10％、30％、60％。
根据以上方案对9种泄漏工况，145个泄漏点进行模拟，得出泄漏后5个监测点的压力数据，然后计算泄漏前后5个监测点的压力差，经过整理得出1305组监测点压力差与泄漏点位置和泄漏量之间对应关系。
S2、构建回声状态网络模型并对回声状态网络模型进行训练；
构建回声状态网络模型和对回声状态网络模型进行训练的步骤为：
S2.1、将管网泄漏前后监测点的压力差作为回声状态网络的输入层；
S2.2、将管网中管道泄漏位置及泄漏量作为输出层；
S2.3、在输入层和输出层之间设置一个随机生成的稀疏连接的神经元结构的储备池，并对生成的储备池网络结构进行初始化，并保持连接权值固定不变；
S2.4、将步骤S1中建立的回声状态网络的训练数据库中的数据分为训练集与测试集两个部分；
S2.5、利用训练集对回声状态网络模型进行训练，利用测试集测试回声状态网络模型对管网泄漏位置及泄漏量的预测精度；
在测试集测试回声状态网络模型对管网泄漏位置及泄漏量的预测精度时，采用均方误差MSE来衡量模型的预测精度和效果，其公式为：
其中：yi代表实际值，fi代表网络预测值，n为数据数量，MES为均方误差数值。
如图7所示，以管网监测点泄漏前后压力差为输入层，以管网中管道的泄漏位置及泄漏量为输出层，储备池神经元的激励函数选用具有较好的非线性逼近能力用S型神经元；储备池规模根据训练样本数据的规模T确定大概范围N，介于T/10到T/2之间，然后逐步增大N选取使网络预测误差最小的N值；储备池的稀疏程度SD取值范围介于0到0.1之间；储备池的谱半径SR取值范围介于0到0.1之间；输入单元尺度SC取值范围介于0到0.1之间，输入单元位移SF取0；利用确定的回声状态网络模型将上述1305组数据以4:1的比例分为训练集和测试集，即训练集包含1044组数据，测试集261组，并利用训练集的1044组数据对回声状态网络模型进行训练，利用测试集的261组数据测试回声状态网络模型对管网泄漏位置及泄漏量的预测精度。
S3、训练BP神经网络模型，并对回声状态网络模型与BP神经网络模型进行比较。
训练BP神经网络模型和对回声状态网络模型与BP神经网络模型进行比较的步骤为：
S3.1、建立BP神经网络模型；
S3.2、使用步骤S2.4中将回声状态网络的训练数据库中的数据出的训练集训练BP神经网络模型。
S3.3、利用回声状态网络的训练数据库中的数据出的测试集测试回声状态网络模型和BP神经网络模型预测的精度和效果；
S3.4、将测试集测试的有关回声状态网络模型和BP神经网络模型数据进行对比，确定回声状态网络模型和BP神经网络模型预测的精度。
利用上述数据库的训练集训练BP神经网络模型，利用均方误差MSE比较其与回声状态网络模型的预测精度和效果，结果如图8所示，从图中可以看出回声状态网络模型在测试集的性能优于BP神经网络模型，回声状态网络模型展示出了更好的泛化能力。
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仅为本发明的优选例，并不用来限制本发明，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效物界定。
Claims (8)
1.基于回声状态网络的复杂管网泄漏定位方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1、建立回声状态网络训练数据库；
S2、构建回声状态网络模型并对回声状态网络模型进行训练；
S3、训练BP神经网络模型，并对回声状态网络模型与BP神经网络模型进行比较。
2.根据权利要求1所述的基于回声状态网络的复杂管网泄漏定位方法，其特征在于：在所述S1中，建立回声状态网络训练库的步骤为：
S1.1、通过复杂管网的水力、结构参数构建管网水力模型；
S1.2、对管网水力模型进行验证，确定其准确性；
S1.3、确定管网泄漏模拟方案；
S1.4、对网水力模型进行模拟，并统计管网泄漏前后监测点压力差与管道泄漏位置及泄漏量之间的对应数据；
S1.5、对记录的数据进行归一化处理，并根据归一化处理的数据获得回声状态网络的训练数据库。
3.根据权利要求2所述的基于回声状态网络的复杂管网泄漏定位方法，其特征在于：在所述S1.5中，对记录的数据进行归一化处理的公式为：
其中X表示原始数据，
和Xstd分别表示数据在整个范围内的平均值，Xnew为归一化处理后的训练数据。
4.根据权利要求2所述的基于回声状态网络的复杂管网泄漏定位方法，其特征在于：在所述S2中，构建回声状态网络模型的步骤为：
S2.1、将管网泄漏前后监测点的压力差作为回声状态网络的输入层；
S2.2、将管网中管道泄漏位置及泄漏量作为输出层；
S2.3、在输入层和输出层之间设置一个随机生成的稀疏连接的神经元结构的储备池，并对生成的储备池网络结构进行初始化，并保持连接权值固定不变。
5.根据权利要求4所述的基于回声状态网络的复杂管网泄漏定位方法，其特征在于：在所述S2中，对回声状态网络模型进行训练的步骤为：
S2.4、将步骤S1中建立的回声状态网络的训练数据库中的数据分为训练集与测试集两个部分；
S2.5、利用训练集对回声状态网络模型进行训练，利用测试集测试回声状态网络模型对管网泄漏位置及泄漏量的预测精度。
6.根据权利要求5所述的基于回声状态网络的复杂管网泄漏定位方法，其特征在于：在所述S2.5中，在测试集测试回声状态网络模型对管网泄漏位置及泄漏量的预测精度时，采用均方误差MSE来衡量模型的预测精度和效果，其公式为：
其中：yi代表实际值，fi代表网络预测值，n为数据数量，MES为均方误差数值。
7.根据权利要求6所述的基于回声状态网络的复杂管网泄漏定位方法，其特征在于：在所述S3中，训练BP神经网络模型的步骤为：
S3.1、建立BP神经网络模型；
S3.2、使用步骤S2.4中将回声状态网络的训练数据库中的数据出的训练集训练BP神经网络模型。
8.根据权利要求7所述的基于回声状态网络的复杂管网泄漏定位方法，其特征在于：在所述S3中，对回声状态网络模型与BP神经网络模型进行比较的步骤为：
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