[发明专利]渠道水位流量关系模型的求解方法

权利要求书

1.一种渠道水位流量关系模型的求解方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1.在3个稳定流态下重复测量3组水位、流量数据，具体包含以下子步骤：

步骤1-1.选取渠段平直、断面稳定、流速分布均匀、水流平缓的地方作为测流断面，且断面与水流方向垂直；视渠道宽度布设测流垂线，将选取的测流断面划分为多个子断面；

步骤1-2.基于所选取的断面和子断面，分别在低水位、中水位、高水位3个稳定流态下施测，每个稳定流态下重复施测3次，获取9组水位流量数据p_num＝(h_num，q_num)，1≤num≤9：

根据渠道水深，同一测流垂线上划分多个测速水位点，分别在每个测速水位点上使用流速仪测量该点流速，

计算断面流量数据：

式中，n为子断面数目，V_r表示第r条测流垂线的平均流速，D_r表示第r条测流垂线的水深，b_r为第r、r+1条垂线之间的水平距离，ΔQ为渠边的流量，

通过浮子式水位计测量当前时刻水位值h_num；

步骤2.基于每个稳定流态下的3组水位、流量数据采用加权平均值法求相应稳定流态下的水位、流量预估值：

步骤2-1.计算3组流量、水位测量值的均值：

Q_i＝(q_i1+q_i2+q_i3)/3，

H_i＝(h_i1+h_i2+h_i3)/3，

式中，q_i1、q_i2、q_i3为第i个稳定流态下断面流量的3个测量值，h_i1、h_i2、h_i3为第i个稳定流态下水位的3个测量值；

步骤2-2.计算第i个稳定流态下的第j个流量、水位测量值的权值系数：

流量权值系数为：

水位权值系数为：

步骤2-3.计算第i个稳定流态下的流量、水位估计值：

步骤3.基于模拟生物进化理论，求取水位流量关系模型的一组解，重复求取，共获得N组模型解，包含以下子步骤：

步骤3-1.将待求解参量(a，b，c)分别被编码为10位的二进制子字符串v_f，f＝1，2，3，将3个子字符串合成30位二进制数的染色体编码，重复10次操作产生10个随机值0和1的染色体编码；

步骤3-2.计算每一个30位的染色体编码所表示的(a，b，c)对应的实数值：

式中，k_fg是某个染色体编码中第f个待求参量x_f对应10位二进制编码中第g位的取值，min，max分别为x_f取值的下限和上限；

步骤3-3.将每一条染色体的对应的(a，b，c)确定的水位流量关系模型，带入水位预估值，计算流量预计值，并计算流量预计值与流量预估值的误差，然后通过下式计算平均拟合误差：

步骤3-4.计算每个染色体的适应度：

式中，p_pop表示第pop个染色体的适应度；

步骤3-5.根据每个染色体适应度值大小，采用轮盘选择机制选择下一代染色体个体；

步骤3-6.随机选择两个染色体V_s＝(V_s1，V_s2，V_s3)和V_l＝(V_l1，V_l2，V_l3)，随机产生一个交叉点位，以较小的概率，两个个体相互交换交叉点起始部分的基因，形成两个子代个体V′_s＝(V′_s1，V′_s2，V′_s3)和V′_l＝(V′_l1，V′_l2，V′_l3)；

步骤3-7.随机选择一个染色体，以较小的概率随机地改变编码中某位的值，进行取反运算，由1到0或0到1；

步骤3-8.将第1代的种群反复进行选择复制、交叉、变异操作，循环迭代t次，判断是否满足寻优条件，如果满足，则提前终止迭代，将此染色体对应的参数x₁，x₂，x₃作为模型的1组解；

重复上述步骤，获得N组模型解；

步骤4.建立模型解的状态方程和测量方程：

状态方程为：X(k)＝X(k-1)+w(k)，

测量方程为：Y(k)＝X(k)+v(k)，

式中，k表示第k个模型解，X(k)表示状态向量，Y(k)表示观测向量，w(k)和v(k)为互不相关的均值为0的高斯白噪声；

步骤5.将N组水位流量关系模型的解，作为卡尔曼滤波的N组测量数据，基于卡尔曼滤波算法对这些模型解进行滤波处理，求得水位流量关系模型的最优解。