CN116700039A - 一种城市应急排水系统的控制方法、系统、设备及介质 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种城市应急排水系统的控制方法、系统、设备及介质，用以解决现有的城市应急排水系统无法实现自动控制，导致应急排水启动失败而引发洪涝灾害的技术问题。包括：实时获取液位传感器及流量计测得的城市下水道的水流信息，以及预设时间段内的降水信息；构建城市应急排水策略预测模型，将所述水流信息以及所述降水信息输入经训练后的所述城市应急排水策略预测模型，输出预设时间段内的城市排水策略，将所述城市排水策略下发至各个出入节点；基于所述城市排水策略，控制各个出入节点的水泵转速及闸门开度进行排水。通过构建模型对即将发生短时强降雨的时间段内排水策略进行预测，在确保排水顺利进行的同时，还能对水泵进行节能控制。

Description

一种城市应急排水系统的控制方法、系统、设备及介质

技术领域

本申请涉及自动控制技术领域，尤其涉及一种城市应急排水系统的控制方法、系统、设备及介质。

背景技术

在城市化进程中，衡量一个城市发展水平的重要指标就是城市应急排水系统的建设。而我国传统的应急排水系统结构较为简单，在实际应用中又缺乏自动化控制机制，无法实现集中控制和智能化处理。在发生短时强降雨时，常常出现排水系统启动失败的问题，严重影响城市排水，导致洪涝灾害的发生。

发明内容

本申请实施例提供了一种城市应急排水系统的控制方法、系统、设备及介质，用以解决现有的城市应急排水系统无法实现自动控制，导致应急排水启动失败而引发洪涝灾害的技术问题。

一方面，本申请实施例提供了一种城市应急排水系统的控制方法，所述城市应急排水系统包括中央控制器、水泵、液位传感器、流量计以及若干出入节点，所述若干出入节点之间通过管道及水泵连接，所述方法包括：实时获取所述液位传感器及所述流量计测得的城市下水道的水流信息，以及预设时间段内的降水信息；构建城市应急排水策略预测模型，将所述水流信息以及所述降水信息输入经训练后的所述城市应急排水策略预测模型，输出预设时间段内的城市排水策略，将所述城市排水策略下发至各个出入节点；基于所述城市排水策略，控制各个出入节点的水泵转速及闸门开度进行排水。

在本申请的一种实现方式中，获取预设时间段内的降水信息的过程，具体为：基于最小流域面积法计算雨水径流量，公式如下：Q=φ×q×F；其中，Q为雨水径流量，φ为径流系数，q为设计暴雨强度，F为汇水面积。

在本申请的一种实现方式中，所述城市应急排水策略预测模型的训练过程，具体为：基于当前的水流信息和降水信息在数据库中遍历，以查找多个与当前时间段近似的历史时期排水数据；所述历史时期排水数据中包含历史水流信息、历史降水信息以及历史城市排水策略，所述历史城市排水策略中包含各个出入节点的水泵转速及闸门开度；将查找到的多个所述历史时期排水数据划分为训练集和测试集；将所述训练集输入预先构建的所述城市应急排水策略预测模型中进行训练，将所述测试集输入训练后的所述城市应急排水策略预测模型中进行优化。

在本申请的一种实现方式中，所述方法还包括：将所述测试集输入训练后的所述城市应急排水策略预测模型后，输出预测城市排水策略；将所述预测城市排水策略与所述测试集中对应的历史排水策略进行比对，并计算误差率；重复优化，直至计算的误差率小于预设阈值，完成所述城市应急排水策略预测模型的收敛。

在本申请的一种实现方式中，所述方法还包括：基于所述水流信息以及所述降水信息，确定各个出入节点的水泵的流入量及流出量；获取当前水泵的扬程及功率，基于所述当前水泵的扬程及功率，确定所述当前水泵的排水能力；基于所述当前水泵的排水能力，判断所述当前水泵是否满足预设时间段内的排水需求。

在本申请的一种实现方式中，所述基于所述当前水泵的排水能力，判断所述当前水泵是否满足预设时间段内的排水需求，具体包括：若所述流入量大于流出量，则确定所述当前水泵不满足预设时间段内的排水需求，并增大所述当前水泵的功率；若所述流入量等于流出量，则确定所述当前水泵满足预设时间段内的排水需求，无需更改所述当前水泵的功率；若所述流入量小于流出量，则确定所述当前水泵不满足预设时间段内的排水需求，并减小所述当前水泵的功率。

本申请实施例还提供了一种城市应急排水系统的控制系统，应用如前述的一种用于城市应急排水系统的控制方法，所述系统包括：流量信息获取模块，用于实时获取液位传感器及流量计测得的城市下水道的水流信息，以及预设时间段内的降水信息；城市排水策略预测模块，用于构建城市应急排水策略预测模型，将所述水流信息以及所述降水信息输入经训练后的所述城市应急排水策略预测模型，输出预设时间段内的城市排水策略，将所述城市排水策略下发至各个出入节点；排水控制执行模块，用于基于所述城市排水策略，控制各个出入节点的水泵转速及闸门开度进行排水。

在本申请的一种实现方式中，所述系统还包括水泵排水能力计算模块，用于确定水泵的排水能力。

此外，本申请实施例还提供了一种城市应急排水系统的控制设备，所述设备包括：至少一个处理器；以及，与所述至少一个处理器通信连接的存储器；其中，所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够：实时获取液位传感器及流量计测得的城市下水道的水流信息，以及预设时间段内的降水信息；构建城市应急排水策略预测模型，将所述水流信息以及所述降水信息输入经训练后的所述城市应急排水策略预测模型，输出预设时间段内的城市排水策略，将所述城市排水策略下发至各个出入节点；基于所述城市排水策略，控制各个出入节点的水泵转速及闸门开度进行排水。

最后，本申请实施例还提供了一种城市应急排水系统的控制的非易失性计算机存储介质，存储有计算机可执行指令，所述计算机可执行指令设置为：实时获取液位传感器及流量计测得的城市下水道的水流信息，以及预设时间段内的降水信息；构建城市应急排水策略预测模型，将所述水流信息以及所述降水信息输入经训练后的所述城市应急排水策略预测模型，输出预设时间段内的城市排水策略，将所述城市排水策略下发至各个出入节点；基于所述城市排水策略，控制各个出入节点的水泵转速及闸门开度进行排水。

本申请实施例提供的一种城市应急排水系统的控制方法、系统、设备及介质，通过构建模型对即将发生短时强降雨的时间段内排水策略进行预测，然后根据排水策略控制城市排水系统的管道阀门水泵进行协调，以期在较短时间内完成城市应急排水。同时，还考虑到排水管道的出入节点水泵的功率及扬程，确定水泵排水能力并控制水泵转速功率，在确保排水顺利进行的同时，还能对水泵进行节能控制。本方案可应用在海绵城市建设中，增强城市排水系统对雨水的渗透、调蓄、排放和利用。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为本申请实施例提供的一种城市应急排水系统的控制方法流程图；

图2为本申请实施例提供的一种城市应急排水系统的控制系统组成图；

图3为本申请实施例提供的一种城市应急排水系统的控制设备示意图。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请具体实施例及相应的附图对本申请技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。

本申请实施例提供了一种城市应急排水系统的控制方法、系统、设备及介质，用以解决现有的城市应急排水系统无法实现自动控制，导致应急排水启动失败而引发洪涝灾害的技术问题。下面通过附图对本申请实施例提出的技术方案进行详细的说明。

图1为本申请实施例提供的一种城市应急排水系统的控制方法流程图。如图1所示，该方法主要包括以下步骤：

步骤101、实时获取所述液位传感器及所述流量计测得的城市下水道的水流信息，以及预设时间段内的降水信息。

在本申请实施例中，所述城市应急排水系统包括中央控制器、水泵、液位传感器、流量计以及若干出入节点，所述若干出入节点之间通过管道及水泵连接。

通过液位传感器和流量计测得的数据得出城市下水道的水流信息。

然后，通过最小流域面积法计算雨水径流量，公式如下：Q=φ×q×F；其中，Q为雨水径流量，φ为径流系数，具体取值可以通过查表得知，q为设计暴雨强度，与降水历时和降水重现期等因素相关，F为汇水面积。

步骤102、构建城市应急排水策略预测模型，将所述水流信息以及所述降水信息输入经训练后的所述城市应急排水策略预测模型，输出预设时间段内的城市排水策略，将所述城市排水策略下发至各个出入节点。

在本申请实施例中，构建的城市应急排水策略预测模型需要预先进行训练，然后才能使用。

首先，基于当前的水流信息和降水信息在数据库中遍历，以查找多个与当前时间段近似的历史时期排水数据；所述历史时期排水数据中包含历史水流信息、历史降水信息以及历史城市排水策略，所述历史城市排水策略中包含各个出入节点的水泵转速及闸门开度。

其次，将查找到的多个所述历史时期排水数据划分为训练集和测试集；将所述训练集输入预先构建的所述城市应急排水策略预测模型中进行训练，将所述测试集输入训练后的所述城市应急排水策略预测模型中进行优化。

再其次，将所述测试集输入训练后的所述城市应急排水策略预测模型后，输出预测城市排水策略；将所述预测城市排水策略与所述测试集中对应的历史排水策略进行比对，并计算误差率；重复优化，直至计算的误差率小于预设阈值，完成所述城市应急排水策略预测模型的收敛。

最后，经训练和优化后的城市应急排水策略预测模型可以满足在发生短时强降雨时，对城市应急排水策略进行预测。

步骤103、基于所述城市排水策略，控制各个出入节点的水泵转速及闸门开度进行排水。

在本申请实施例中，控制各个出入节点的水泵转速及闸门开度进行排水的过程，具体为：首先，基于所述水流信息以及所述降水信息，确定各个出入节点的水泵的流入量及流出量；然后，获取当前水泵的扬程及功率，基于所述当前水泵的扬程及功率，确定所述当前水泵的排水能力；最后，基于所述当前水泵的排水能力，判断所述当前水泵是否满足预设时间段内的排水需求。

需要说明的是，若所述流入量大于流出量，则确定所述当前水泵不满足预设时间段内的排水需求，并增大所述当前水泵的功率，以增大水泵转速加快排水。

若所述流入量等于流出量，则确定所述当前水泵满足预设时间段内的排水需求，此时水位为理想水位，无需更改所述当前水泵的功率。

若所述流入量小于流出量，则确定所述当前水泵不满足预设时间段内的排水需求，此时水泵的工作效率较低，流入节点易形成漩涡，此时需要减小所述当前水泵的功率，甚至需要立即停机。

同时，在出入节点还设置了污染物浓度检测装置，由于发生短时强降雨时，会冲坏一些污水管井或其他污染物区域，因此在应急排水的同时，还应该注意污染物浓度。若在一定的时间段内，污染物的浓度持续高于预设阈值，则应相应的调整水泵的功率和转速，以达到快速排污的目的。此外，中央控制器还会监测各个水泵站水泵的性能及启停次数，防止水泵过载损坏，从而影响整体排水进程。

以济南市为例，济南市全年各月份平均降水量如下表1所示。

表1 济南市各月降水量表

从表1可以看出，济南市年降水量约为680毫米，降水月份集中在7月份和8月份，且要考虑夏季台风影响，以2021年台风“烟花”为例，“烟花”过境期间济南市区短时强降雨达到了150毫米，个别地区甚至达到300毫米，这给济南市区应急排水工作带来了巨大的挑战。

济南市现有的防涝沟道共计90条，总长度达到782千米。雨水管沟总长度约1340千米，其中雨水管道长约1099千米，雨水暗沟长约241千米。现有排水泵站22座，其中，下穿铁路立交道雨水泵站17座，片区雨水泵站3座，排涝泵站2座。

在7月份台风过境影响下，全市紧急连通所有防涝沟道及雨水暗沟，并通过中央控制器紧急调配雨水泵站，对出入口的水泵进行集中管理，制定了详细的排水策略。历下区羊头峪东沟及西沟承接历下区主城区的短时强降雨水，汇入羊头峪东沟西沟，联合燕子山东的马家庄沟，城区地下水道的雨水经由中央控制器下发的指令，控制水泵开启及功率调控抽水，排至三条防洪沟道，然后北入小清河，取得了较好的应急排水效果。窑头沟是市区东部较大的防洪沟道，在发生台风降水时，城区地下水道的雨水经由中央控制器下发的指令，控制水泵开启及功率调控抽水，排至窑头沟防洪沟道，从浆水泉水库往北经窑头庄、七里河，从七里河向西北方向经南北全福庄也汇入小清河。中央控制器同时调度各个防洪沟道的闸门开度开至城区下水道水量高度，水泵转速达到额定功率，在较短时间内完成了应急排水任务。在排水过程中，离心泵转速调至最高转速2900r/min，扬程为17m，功率达到11kw，测得流量为140m³/h。中央控制器预测排水任务进行至80%时，将所有水泵转速调至1800 r/min，以防止水泵长时间高功率工作而出现过耗。

本申请实施例中，对济南市各历史时期夏季强降雨及相应的排水策略进行了汇总，并制作了相应的数据集，用于构建训练城市应急排水预测模型。通过建立相应的学习机制，在易发生短时强降雨的季节，提前进行预防，预测并制定详细的应急排水策略，在洪涝灾害来临之际，做好相应的防备。城市应急排水预测模型是不断优化的，随着数据的完善，城市应急排水预测模型的预测效果也越来越精确，排水策略具体到济南市22座排水泵站，90条防洪沟道具体的调度方案，城区划分成几个区域，每个区域下水道及道路漫水的汇水量应汇入的沟道，以及各水泵站水泵运行策略。

以上是本申请实施例提供的一种城市应急排水系统的控制方法，基于同样的发明构思，本申请实施例还提供了一种城市应急排水系统的控制系统，图2为本申请实施例提供的一种城市应急排水系统的控制系统组成图，如图2所示，所述系统主要包括：流量信息获取模块201，用于实时获取液位传感器及流量计测得的城市下水道的水流信息，以及预设时间段内的降水信息；城市排水策略预测模块202，用于构建城市应急排水策略预测模型，将所述水流信息以及所述降水信息输入经训练后的所述城市应急排水策略预测模型，输出预设时间段内的城市排水策略，将所述城市排水策略下发至各个出入节点；排水控制执行模块203，用于基于所述城市排水策略，控制各个出入节点的水泵转速及闸门开度进行排水。

在本申请实施例中，所述系统还包括水泵排水能力计算模块，用于确定水泵的排水能力。

本申请实施例提供的一种城市应急排水系统的控制方法及系统，通过构建模型对即将发生短时强降雨的时间段内排水策略进行预测，然后根据排水策略控制城市排水系统的管道阀门水泵进行协调，以期在较短时间内完成城市应急排水。同时，还考虑到排水管道的出入节点水泵的功率及扬程，确定水泵排水能力并控制水泵转速功率，在确保排水顺利进行的同时，还能对水泵进行节能控制。

以上是本申请实施例提供的一种城市应急排水系统的控制系统，基于同样的发明构思，本申请实施例还提供了一种城市应急排水系统的控制设备，图3为本申请实施例提供的一种城市应急排水系统的控制设备示意图，如图3所示，该设备主要包括：至少一个处理器301；以及，与至少一个处理器通信连接的存储器302；其中，存储器302存储有可被至少一个处理器301执行的指令，指令被至少一个处理器301执行，以使至少一个处理器301能够完成：实时获取液位传感器及流量计测得的城市下水道的水流信息，以及预设时间段内的降水信息；构建城市应急排水策略预测模型，将所述水流信息以及所述降水信息输入经训练后的所述城市应急排水策略预测模型，输出预设时间段内的城市排水策略，将所述城市排水策略下发至各个出入节点；基于所述城市排水策略，控制各个出入节点的水泵转速及闸门开度进行排水。

除此之外，本申请实施例还提供了一种城市应急排水系统的控制的非易失性计算机存储介质，存储有计算机可执行指令，所述计算机可执行指令设置为：实时获取液位传感器及流量计测得的城市下水道的水流信息，以及预设时间段内的降水信息；构建城市应急排水策略预测模型，将所述水流信息以及所述降水信息输入经训练后的所述城市应急排水策略预测模型，输出预设时间段内的城市排水策略，将所述城市排水策略下发至各个出入节点；基于所述城市排水策略，控制各个出入节点的水泵转速及闸门开度进行排水。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备（系统）、和计算机程序产品的流程图和／或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和／或方框图中的每一流程和／或方框、以及流程图和／或方框图中的流程和／或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

在一个典型的配置中，计算设备包括一个或多个处理器 (CPU)、输入/输出接口、网络接口和内存。

本申请中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

还需要说明的是，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、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，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、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims (10)

1.一种城市应急排水系统的控制方法，所述城市应急排水系统包括中央控制器、水泵、液位传感器、流量计以及若干出入节点，所述若干出入节点之间通过管道及水泵连接，其特征在于，所述方法包括：

实时获取所述液位传感器及所述流量计测得的城市下水道的水流信息，以及预设时间段内的降水信息；

构建城市应急排水策略预测模型，将所述水流信息以及所述降水信息输入经训练后的所述城市应急排水策略预测模型，输出预设时间段内的城市排水策略，将所述城市排水策略下发至各个出入节点；

基于所述城市排水策略，控制各个出入节点的水泵转速及闸门开度进行排水。

2.根据权利要求1所述的一种城市应急排水系统的控制方法，其特征在于，获取预设时间段内的降水信息的过程，具体为：

基于最小流域面积法计算雨水径流量，公式如下：

Q=φ×q×F；

其中，Q为雨水径流量，φ为径流系数，q为设计暴雨强度，F为汇水面积。

3.根据权利要求1所述的一种城市应急排水系统的控制方法，其特征在于，所述城市应急排水策略预测模型的训练过程，具体为：

基于当前的水流信息和降水信息在数据库中遍历，以查找多个与当前时间段近似的历史时期排水数据；所述历史时期排水数据中包含历史水流信息、历史降水信息以及历史城市排水策略，所述历史城市排水策略中包含各个出入节点的水泵转速及闸门开度；

将查找到的多个所述历史时期排水数据划分为训练集和测试集；

将所述训练集输入预先构建的所述城市应急排水策略预测模型中进行训练，将所述测试集输入训练后的所述城市应急排水策略预测模型中进行优化。

4.根据权利要求3所述的一种城市应急排水系统的控制方法，其特征在于，所述方法还包括：

将所述测试集输入训练后的所述城市应急排水策略预测模型后，输出预测城市排水策略；

将所述预测城市排水策略与所述测试集中对应的历史排水策略进行比对，并计算误差率；

重复优化，直至计算的误差率小于预设阈值，完成所述城市应急排水策略预测模型的收敛。

5.根据权利要求1所述的一种城市应急排水系统的控制方法，其特征在于，所述方法还包括：

基于所述水流信息以及所述降水信息，确定各个出入节点的水泵的流入量及流出量；

获取当前水泵的扬程及功率，基于所述当前水泵的扬程及功率，确定所述当前水泵的排水能力；

基于所述当前水泵的排水能力，判断所述当前水泵是否满足预设时间段内的排水需求。

6.根据权利要求5所述的一种城市应急排水系统的控制方法，其特征在于，所述基于所述当前水泵的排水能力，判断所述当前水泵是否满足预设时间段内的排水需求，具体包括：

若所述流入量大于流出量，则确定所述当前水泵不满足预设时间段内的排水需求，并增大所述当前水泵的功率；

若所述流入量等于流出量，则确定所述当前水泵满足预设时间段内的排水需求，无需更改所述当前水泵的功率；

若所述流入量小于流出量，则确定所述当前水泵不满足预设时间段内的排水需求，并减小所述当前水泵的功率。

7.一种城市应急排水系统的控制系统，应用如权利要求1-6任意一项所述的一种用于城市应急排水系统的控制方法，其特征在于，所述系统包括：

流量信息获取模块，用于实时获取液位传感器及流量计测得的城市下水道的水流信息，以及预设时间段内的降水信息；

城市排水策略预测模块，用于构建城市应急排水策略预测模型，将所述水流信息以及所述降水信息输入经训练后的所述城市应急排水策略预测模型，输出预设时间段内的城市排水策略，将所述城市排水策略下发至各个出入节点；

排水控制执行模块，用于基于所述城市排水策略，控制各个出入节点的水泵转速及闸门开度进行排水。

8.根据权利要求7所述的一种城市应急排水系统的控制系统，其特征在于，所述系统还包括水泵排水能力计算模块，用于确定水泵的排水能力。

9.一种城市应急排水系统的控制设备，其特征在于，所述设备包括：

至少一个处理器；以及，

与所述至少一个处理器通信连接的存储器；其中，

所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够：

实时获取液位传感器及流量计测得的城市下水道的水流信息，以及预设时间段内的降水信息；

构建城市应急排水策略预测模型，将所述水流信息以及所述降水信息输入经训练后的所述城市应急排水策略预测模型，输出预设时间段内的城市排水策略，将所述城市排水策略下发至各个出入节点；

基于所述城市排水策略，控制各个出入节点的水泵转速及闸门开度进行排水。

10.一种城市应急排水系统的控制的非易失性计算机存储介质，存储有计算机可执行指令，其特征在于，所述计算机可执行指令设置为：

实时获取液位传感器及流量计测得的城市下水道的水流信息，以及预设时间段内的降水信息；

构建城市应急排水策略预测模型，将所述水流信息以及所述降水信息输入经训练后的所述城市应急排水策略预测模型，输出预设时间段内的城市排水策略，将所述城市排水策略下发至各个出入节点；

基于所述城市排水策略，控制各个出入节点的水泵转速及闸门开度进行排水。