用于验证由雨量传感器提供的数据的设备、方法和计算机程序产品与流程

本发明涉及数据处理的技术领域，并且特别地，它涉及雨量数据的实时验证。

背景技术：

在许多领域中，必须动态地控制一组装备，以便根据情况实时修改装备的操作。一种特定的情况是对流体网络(例如，下水道网络)的动态控制。

图1以简化的方式示出了流体网络的控制中涉及的各个步骤。通常，这样的方法100至少包括：预报操作的步骤102；选择控制策略的步骤104；生成设置的步骤106；以及将调节设置发送给流体网络的致动器的步骤108。

预报操作的步骤102至少包括以下步骤：获取数据，验证数据，重构有效数据，以及计算状态。然而，没有更详细地描述该方法的所有步骤，但是本领域技术人员可以例如参考由申请人申请的专利申请fr3052567。数据的验证是重要的技术步骤，此后跟随的决策过程将以此为基础。

在用于控制流体网络的已知的方法中，验证数据的步骤考虑到由天气雷达生成的数据或“雷达”数据，或者由雨量器生成的数据或“计量器”数据。

雷达数据提供了有关降雨事件的位置的精确的信息，但是它们不提供有关降水的强度的足够精确的信息。因此，在预报步骤期间，它们不可以用作用于控制流体网络的方法的水文模型中的可靠的数据。

计量器数据提供了有关降水的强度的信息，但是其获取仍然受到与雨量计相关的许多机会因素的影响，这些雨量计可能具有机械故障，被不良定位和/或具有不良朝向，从而阻止雨水令人满意地进入容器，并且因此递送不一致的结果。

现在，由于必须动态地控制装备，因此必须实时执行分析数据的步骤(目前情况并非如此)。另外，用于分析的数据必须是可靠的数据。具体地，在任何调节过程中，基于无效数据的设置可能具有多种结果，无论这些结果是经济的还是社会的。

因此，需要一种允许实时验证关于降水的数据的方法和设备。

本发明满足了这一需求。

技术实现要素：

本发明的一个主题涉及一种计算机实现的方法，该方法允许实时验证降水相关的数据。

本发明意在通过提供一种方法和设备来克服已知的技术的局限，该方法和设备的一般原理包括：在地理和时间窗口中交叉不同性质和来源的信息，从而允许挑选出有效的降水相关的数据。

为了获得所寻求的结果，提供了一种用于验证由雨量器递送的数据的计算机实现的方法。在一个实施例中，该方法包括以下步骤：

-在定义的时间窗口中，接收来自计量器的雨量数据和来自至少一个天气雷达的天气数据；

-计算从所述计量器接收的雨量数据与从所述至少一个天气雷达接收的天气数据之间的计量器/雷达相似度的系数；

-将所获得的计量器/雷达相似度的系数的值与计量器/雷达门限值进行比较；以及

-如果计量器/雷达相似度的系数的值高于或等于计量器/雷达门限值，则确认所述计量器的雨量数据有效。

根据该方法的实施例，可替代地或组合地，计算计量器/雷达相似度的系数的步骤包括执行所接收的数据的预处理，从而允许计算由计量器记录的雨量信号与在所述计量器的位置处提取的所述至少一个雷达的雨量信号之间的计量器/雷达相似度的系数，所述信号被记录在所述时间窗口中。

根据该方法的实施例，可替代地或组合地，计量器/雷达相似度的系数是从以下标准中选择的测量相似度的统计标准：协议索引标准、nash-sutcliffe标准和互相关标准。

根据该方法的实施例，可替代地或组合地，所接收的数据涉及降水强度或降水位置。

根据该方法的实施例，可替代地或组合地，如果计量器/雷达相似度的系数低于计量器/雷达门限值，则该方法包括在比较步骤之后的以下步骤：

-在给定的地理区域中，识别所述计量器的一组相邻的计量器；

-在相邻的计量器之中，确定与所述计量器属于同一雨单元(raincell)的计量器，雨单元包含这样的计量器：在这些计量器的位置处的从所述至少一个雷达中接收的这些计量器的天气数据在所述时间窗口内是相似的；

-计算所述计量器的雨量数据与属于同一雨单元的相邻的计量器的每一个的雨量数据之间的计量器/计量器相似度的系数；

-对计量器/计量器相似度的系数的计算的结果进行核对，以获得计量器/计量器相似度的系数值；

-将计量器/计量器相似度的系数的经核对的值与计量器/计量器门限值进行比较；以及

-如果计量器/计量器相似度的系数的值高于或等于计量器/计量器门限值，则确认所述计量器的雨量数据有效。

在一个实施例中，核对步骤包括选择计量器/计量器相似度的系数的最大值或最小值，或者取计量器/计量器相似度的系数的值的平均值。

根据该方法的实施例，可替代地或组合地，如果计量器/计量器相似度的系数的值低于计量器/计量器门限值，则该方法包括：在比较计量器/计量器相似度的系数的值的步骤之后，使所述计量器的数据无效的步骤。

根据该方法的实施例，可替代地或组合地，计量器/计量器相似度的系数是测量两个时间相关的信号之间的相似度的统计标准。

根据该方法的实施例，在接收雨量数据和雷达天气数据的步骤之后，该方法包括以下步骤：针对所述计量器和针对所述至少一个雷达，将降雨累积与雨量门限进行比较，以便确定关于有雨或无雨的天气上下文，然后在天气上下文是有雨的情况下执行计算计量器/雷达相似度的系数的步骤。

根据该方法的实施例，可替代地或组合地，在将降雨累积与雨量门限进行比较的步骤之后，该方法包括以下步骤：在天气上下文是无雨的情况下确认所述计量器的雨量数据有效，然后重复接收数据的步骤。

根据该方法的实施例，可替代地或组合地，如果降雨累积与雨量门限的比较不允许定义关于有雨或无雨的天气上下文，并且天气上下文是不确定的上下文，则该方法包括执行允许处理不确定的状态的步骤。

根据该方法的实施例，可替代地或组合地，为了验证所述计量器的数据的所有步骤的持续时间是可参数化的时段。

根据该方法的实施例，可替代地或组合地，该方法包括以下步骤：如果所述计量器在多个时段内递送无效数据，则将所述计量器分类为故障计量器。

本发明还涵盖一种包括程序的计算机程序产品，所述程序包括代码指令，以用于当在计算机上执行所述程序时，允许执行根据权利要求中的任一项所述的方法的步骤。

根据另一方面，本发明涵盖一种系统，该系统允许在能够递送雨量数据的多个计量器之中，确定递送有效数据的计量器，多个计量器覆盖给定的区域，该系统包括用于实现根据权利要求中的任一项中所述的方法的步骤的单元。

有利地，所要求保护的方法和系统可以适用于流体网络的领域，并且特别地其在用于控制流体网络的方法中的用途，该方法包括验证雨量器数据的至少一个步骤。

本发明的方法和系统的另一有利的应用是天气预报的领域，并且特别地其在用于预报洪水的方法中的用途，该方法包括验证雨量器数据的至少一个步骤。

附图说明

通过阅读以下描述并根据附图的图，本发明的其他特征和优点将变得显而易见，其中：

图1示意性地示出了用于控制流体网络的已知的方法中涉及的各个步骤；

图2示出了根据一个实施例的本发明的方法的步骤的序列；

图3示出了针对一个地理区域的多个雨量器和雷达的位置；

图4示出了在定义的时间窗口中针对计量器的雨量数据和针对雷达的天气数据的采集信号；

图5示出了允许处理不确定的状态的本发明的方法的步骤的序列；

图6示出了允许确定天气上下文的本发明的方法的步骤的序列。

具体实施方式

通常，本发明的原理包括：验证由计量器递送的雨量数据是否根据相似度的合适的系数与由在计量器站点处的雷达递送的天气数据一致。图2示出了根据一个实施例的本发明的方法的步骤的序列200。可以在计算机上或在流体网络控制系统的专用计算平台上执行这些步骤，该流体网络控制系统包括被配置为实现该方法的处理器并且允许从计量器收集或接收和/或获取雨量数据以及从至少一个雷达收集或接收和/或获取天气数据。这样的计算机或计算平台包括由代码指令专门编程以执行该方法的步骤的组件。该系统还可以包括允许收集、存储和处理数据的各种服务器。

为了简单起见，关于一个计量器描述了该方法，但是原理仍然适用于多个计量器。图3示出了包括多个雨量器和至少一个天气雷达(r100)的地理区域，该天气雷达能够使用无线电波远程观察降水。天气雷达的操作主要包括定期发射持续时间很短的电磁脉冲，以及监听雨滴、雪花、冰雹等降水颗粒返回的回波。脉冲的发射与回波的接收之间经过的时间允许确定降水的位置、强度和移动。在图3中，为了清楚起见，仅少数计量器(s78、s91、s104)已经被给予附图标记，但是地理区域中的所有计量器以及每个计量器的位置已经被示出。

方法200开始于步骤202：在时间窗口δt中获取或接收原始数据：计量器的雨量数据，例如计量器s91的数据，以及与该计量器s91的位置相对应的雷达天气数据。根据变体实施例，所接收的原始数据可以涉及降水的强度，例如在5分钟的时间内以毫米为单位的值，或者涉及降水的位置。针对给定的时间窗口，图4示出了针对计量器雨量数据(在示例中为计量器s91的计量器雨量数据)和针对雷达天气数据的时间相关的采集信号。

在接下来的步骤204中，该方法允许计算计量器数据和雷达数据之间的计量器/雷达相似度的系数“cs/r”。对于随时间以相同频率采样的两个时间相关的(雨量和雷达)信号的输入数据，相似度的标准或系数是已知的类型的无量纲统计标准。

在一个实施例中，计算步骤包括执行所接收的原始数据的预处理，以便计算在时间窗口δt中由计量器记录的雨量信号与针对时间窗口δt在计量器的位置处提取的雷达的雨量信号之间的计量器/雷达相似度的系数。

原始数据的预处理还可以包括以下操作：检查数据集，并且特别地检查值是否丢失或以给定的频率对信号进行重新采样，以便允许统计分析。在作为空间化数据的雷达数据的基础上，为了执行分析，预处理可以包括在一个点处(在雨量计的位置处)提取时间相关的信号。

在一个实施例中，计量器/雷达相似度的系数cs/r是测量相似度的统计标准。根据实施方式的各种变体，可以使用以下等式计算相似度的系数：-互相关等式(1)，例如：

其中rg(t)对应于所讨论的时间窗口中的雨量器的时间相关的信号，并且radar(t)对应于时间相关的雨量器的位置处的雷达信号，该信号是根据空间化数据(雷达图像)来重构的。

-nash-sutcliffe等式(2)，例如：

-协议索引等式(3)，例如：

返回图2，在计算相似度的系数的步骤之后，该方法允许在接下来的步骤206中将所获得的计量器/雷达相似度的系数cs/r的值与计量器/雷达相似度门限值s/r进行比较。

门限值可以是根据算法在其操作期间的结果而可参数化的。气候的类型以及因此雨水的类型，以及研究区域中的雨量计的密度，或者甚至雷达数据的精度都是可以从一个站点到下一个站点改变门限值的参数。可以在对历史数据的研究的基础上定义初始门限，并且然后可以根据算法在其操作期间的结果来细化值。

在一个实施例中，用于nash-sutcliffe标准(2)的门限条件是：e>0。

在一个实施例中，用于互相关标准(1)或协议索引标准(3)的门限条件是：r或ia>[0.5,0.6]。

如果在计算步骤204中获得的相似度的系数的值高于或等于预定义的门限值s/r，则该方法在接下来的步骤208中允许确认由计量器递送的数据有效。然后可以在随后的过程(例如，预报步骤)中考虑被认为有效的计量器数据。

因此，在时段[t–δt]内执行该方法，并且在时间t处验证计量器的信号。

在一个实施例中，为了验证计量器的数据的所有步骤的持续时间是可参数化的时段，这取决于研究区域中的降雨的类型(例如，短时强降雨或强度较低但时间较长的降雨)，并且取决于特定于研究区域的实时限制。在雨量数据用于预测下水道网络或水道的水力状态的应用中，用于执行本发明的验证方法所允许的最大响应时间将取决于预报系统响应事件的响应中的最大延迟。

在一个特定的实施例中，在5分钟的时段内获取数据，并且本发明的方法每15至30分钟生成验证结果。

在一个实施例中，该方法包括以下步骤：如果计量器在多个时段内递送无效数据，则将该计量器分类为故障计量器，并且因此从任何后续的过程中排除其递送的数据。可以根据先前的结果修改计量器被标记为故障之前的时段的数目。

如果在计算步骤204中获得的相似度的系数的值低于预定义的门限值s/r，或者步骤206的分支为“否”，则有利地，考虑到这是不确定状态的问题，该方法允许在该阶段不使计量器的数据无效，并继续进行更深入的分析的步骤500。

图5示出了本发明的方法的步骤的序列500，其允许处理不确定的状态。

如上面所描述的，当计量器/雷达相似度的系数的值低于预定义的计量器/雷达门限值，或者步骤206的分支为“否”时，计量器的数据不可以被确认为有效。该方法包括识别经分析的计量器的一组相邻的计量器的步骤502。可以针对围绕计量器的给定的周长定义计量器的邻域。地理区域中的所有计量器及其位置被登记，可以计算计量器之间的距离。

该方法继续进行步骤504：在经分析的计量器的相邻的计量器之中，确定与该计量器属于同一雨单元的那些计量器。在本发明的上下文中，雨单元被定义为一组计量器，这些计量器的经提取的天气数据在给定的时间窗口内在其各自的位置处是相似的，即，针对该组计量器，每个计量器的信号之间的相似度的标准高于门限(即，信号在变化和强度方面是相似的)。

一旦已经识别了给定的雨单元的计量器，该方法就在接下来的步骤506中允许计算经分析的计量器的雨量数据与属于同一雨单元的相邻的计量器的每一个的雨量数据之间的计量器/计量器相似度的系数。

在一个实施例中，计量器/计量器相似度的系数是统计标准，该标准测量源自给定的雨单元的两个相邻的计量器的两个时间相关的信号之间的相似度。根据实施方式的各种变体，可以使用以下等式计算相似度的系数：-互相关等式，例如：

-nash-sutcliffe等式，例如：

-协议索引等式，例如：

其中rg1和rg2是要被比较的两个计量器的时间相关的信号。

在接下来的步骤508中，该方法允许对针对计量器/计量器相似度的各个系数获得的结果进行核对。在一个实施例中，结果的核对可以包括选择结果的最大值。相似度的经核对的系数也可以是各个系数的平均值，否则最小值。

在接下来的步骤510中，该方法允许将计量器/计量器相似度的所选择的系数“cs/s”的值与计量器/计量器门限值“s/s”进行比较。

接下来，该方法允许：

-如果计量器/计量器相似度的系数的值高于或等于计量器/计量器门限值，则确认所述计量器的雨量数据有效(512)；或者

-如果计量器/计量器相似度的系数的值低于计量器/计量器门限值，则该方法允许使所述计量器的数据无效(514)。

图6示出了允许确定天气上下文的本发明的方法的步骤的序列600。

在确认原始雨量数据和天气数据的接收的步骤602之后，该方法包括步骤604：将针对经分析的计量器的降雨累积与预定义的计量器降雨门限进行比较，以及步骤606：将由雷达确定的降雨累积与预定义的雷达降雨门限进行比较。

每个比较的结果允许天气上下文由计量器608和雷达610分别递送。

该方法然后允许在步骤612中比较计量器和雷达的天气上下文。上下文可以是相同的并且揭示被称为“干燥的天气”上下文614的上下文，可以是相同的并且揭示被称为“多雨的天气”上下文616的上下文，或者可以是矛盾的并且揭示被称为“不确定”618的上下文。

如果上下文是干燥的天气，则该方法允许在接下来的步骤620中确认经分析的计量器的雨量数据有效，然后重复接收数据的步骤602。

如果上下文是多雨的天气，则该方法允许向前执行计算计量器/雷达相似度的系数的步骤(204)。

如果上下文是不确定的，则该方法允许执行步骤500，该步骤500允许执行对不确定的状态的处理。

因此，已经描述了允许验证由雨量器递送的数据的本发明的方法的实施方式的示例。本领域技术人员可以考虑：可以针对位于给定的地理区域中的多个计量器同步地执行该方法，以便确定产生有效数据的所有计量器，该有效数据可以在随后的过程(例如，被采用以控制流体网络的过程)中使用。所描述的示例没有提供关于雨量器的技术特征的任何细节，除了它们是能够递送雨量数据的计量器。因此，可以或可以不利用这样的计量器执行该方法：其具有数据通信的潜在可配置的和可参数化的无线模式。