[发明专利]一种基于数字孪生技术的城市内涝预测方法及预警平台

说明书

本发明公开了一种基于数字孪生技术的城市内涝预测方法及预警平台，属于城市内涝预测技术领域。现有仿真预测模型普适性较差，预测准确度不高，不利于推广使用。本发明的一种基于数字孪生技术的城市内涝预测方法，通过构建不规则三角形网格单元模型、水动力仿真数值模型、数据同化模型、水动力仿真数值优化模型，对未来一段时间内的城市内涝场景模拟预测。同时数据同化模型利用初估背景值以及取待求背景值与初估背景值的偏差分别构造评价函数，并将两个评价函数结合，得到目标函数，利用极小化算法求解目标函数，完成城市模型参数的自动率定，方案详尽、科学、合理，切实可行，能够有效提高仿真模拟计算的准确性，提升预测准确度。

技术领域

本发明涉及一种基于数字孪生技术的城市内涝预测方法及预警平台，属于城市内涝预测技术领域。

背景技术

中国专利（CN109871621B）公开了一种城市暴雨内涝汇水区分析方法，其包括采用SMS地表水模拟系统对任一选取的选定区域进行网格剖分得到计算区域；获取待研究区域的DEM数据，并将糙率和DEM数据赋给计算区域，计算每个网格的高程；向计算区域加入降雨数据，并采用前损后损法计算每个网格的降雨产汇流；根据每个网格的降雨产汇流，采用地表二维水力学模型计算每个网格的水深和水流速度；根据具有水深数据的网格的水流速度和与水流速度经过的网格边的边长，计算具有水深数据的网格的边流量；选取水深大于设定阈值的网格作为分析网格，并根据分析网格及与分析网格邻接的网格的水深、每条网格边的边流量大小和方向，判断分析网格是否为汇水区。

同时，中国专利（CN109190263A）公开了一种基于降雨径流及水动力模型预测全流域降水流量的方法，包括：读取全流域数据，通过分布式降雨径流模型计算各个子集水区的出流量，模拟降雨径流的空间分布；将各个子集水区的出流量收纳入河川水动力模型，通过计算河川水动力模型得到河川断面水位和流量。降雨入渗量通过含有降雨入渗率、初始入渗率、长期入渗率的公式进行计算。

上述内涝预测方案以及现有的内涝方案，其仿真数值模型的准确率都是依赖于模型参数的准确度，但上述方案都没有公开如何对模式参数进行确定以及校准，影响了模型预测的准确性，并且随着地形地貌、周边建筑以及管路的改变，其模型参数也会变化，因此固定参数的仿真模型普适性较差，预测准确度不高，不利于推广使用。

进一步，现有的内涝预测方案需要处理的数据量巨大，涉及的模型仿真较多，对计算资源具有极高的要求，计算过程中占用的内存较大，并且其仿真计算一直处于运行阶段，导致计算资源浪费，不利于节能减排。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的一在于提供一种通过构建不规则三角形网格单元模型、水动力仿真数值模型、数据同化模型、水动力仿真数值优化模型对未来一段时间内的城市内涝场景模拟预测；同时数据同化模型利用初估背景值以及取待求背景值与初估背景值的偏差分别构造评价函数，并将两个评价函数结合，得到目标函数，利用极小化算法求解目标函数，完成城市模型参数的自动率定，进而实现观测结果与仿真结果相吻合的数字孪生，方案详尽、科学、合理，切实可行，能够有效提高仿真模拟计算准确性，提升预测准确度的基于数字孪生技术的城市内涝预测方法。

本发明的目的二在于提供一种利用数据同化模型，考虑仿真虚拟场和观测场之间的偏差，求得最佳的参数取值，实现模型参数的自动率定，从而使得模型参数可以随地形地貌、周边建筑以及管路的改变而改变，使得本发明的仿真模型具有极强普适性，利于推广使用的基于数字孪生技术的城市内涝预测方法。

本发明的目的三在于提供一种根据降雨预报数据、当前水深监测数据，计算仿真触发逻辑变量，判断是否需要启动仿真模拟计算，避免无降雨、无洪水时仍进行内涝仿真模拟计算的情况，节约计算及储存资源，提高仿真效率，从而能够有效节能减排的基于数字孪生技术的城市内涝预测方法。

本发明的目的四在于提供一种设置节点数据库模块、触发因子模块、仿真模拟计算模块、数据同化模块、数据输出及可视化模块，对未来一段时间内的城市内涝场景模拟预测，方案简单、实用，便于生产制造的基于数字孪生技术的城市内涝预测方法及预警平台。