专利名称：一种设计城市雨水管道的方法
技术领域：
本发明涉及一种设计城市雨水管道的方法，特别是涉及一种采用达尔文进化法程序计算城市雨水管道的管径设计中重要设计参数----城市暴雨强度公式的方法，是对城市暴雨强度公式的传统计算方法的改进，属于市政排水及计算机应用技术领域，可广泛应用于各地区的城市暴雨强度公式的计算及城市雨水管道的管径设计中。
背景技术：
目前城市排水体制的潮流是分流制。即污水和雨水分别由污水管道和雨水管道收集和输送，污水进入城市污水处理厂，雨水直接排入水体。因此，雨水管道设计指导思想是及时、迅速地排除降雨形成的地面径流。据测定城市中的降雨量的90％将形成径流。因此，随着城市发展，雨水径流量将大大增加，如果城市雨水管道的管径设计不当，则雨水径流将不能快速排出，从而给城市建设和人民生活造成损失。
作为城市防洪和排水设计的基础依据是暴雨强度预测，其准确与否直接关系到和城市基础设施建设的科学性和经济合理性。而作为暴雨强度预测的核心是城市暴雨强度公式，传统的建立城市暴雨强度公式，一般根据当地气象台(站)自计雨量资料，采用统计计算方法确定，存在着费时费力、准确性差、统计资料多和计算工作量大的缺点。
为快速和精确地建立城市暴雨强度公式提供先进可靠的方法，近几年在城市暴雨公式推求中很多人提出了用遗传算法解决参数寻优的一般过程，但大部分人都只重视遗传算法形式，而没有真正地从遗传算法的本质上去考虑问题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的上述不足，通过对现有用遗传算法推求城市暴雨公式的方法进行改进，给出了一种采用达尔文进化法推求城市暴雨公式的设计城市雨水管道的方法。
本发明给出的技术方案是这种设计城市雨水管道的方法，包括有下列步骤1.使用能够支持Visual Basic 6.0的计算机，将所掌握的城市降雨原始资料以数据库或文本的形式输入到计算机中并在储存器中保存；2.调用储存器中的原始降雨数据到计算机内存RAM中，在中央处理器CPU中进行数据整理；3.对经过初步处理后的数据进行频率分析，得出i-t-P表，传达给计算机终端的显示器；4.通过计算机中央处理器调用“达尔文进化法程序”，并对已有的i-t-P表进行计算，进而推求出城市暴雨强度公式；5.使用已得的暴雨强度公式计算出城市雨水管道的管径。
为更好的实现本发明的目的，当采用达尔文进化法程序推求出城市暴雨强度公式时，包括有下列步骤(1).自动导入所需的公式推导条件i-t-P表；并设定种群规模mc；染色体数目nc；交叉率pc；变异率pm；(2).设置后一次内循环误差小于前一次内循环误差的连续次数LEF，即计数器的初始值为0；(3).均匀随机生成参数初始父代种群样本，并规定此进化代数Tc为1；(4).计算父代种群样本的适应度SYD，根据适应度函数，淘汰父代样本，并产生新一代个体；(5).计算新一代个体的适应度SYD(1)，并与父代种群样本的适应度SYD进行比较；(6).结果为是，则把新一代个体的适应度SYD(1)赋值给父代种群样本的适应度SYD，并令二者代数连续接近的次数LTC为0；(7).判断参数进化代数TC的值是否大于50代；(8).结果为是，则计算该参数下的暴雨强度公式的误差EF；(9).判断公式计算误差EF是否大于前一次的计算误差EF0；(10).结果为是，则把计数器LEF的值加1，并判断LEF是否大于10；(11).结果为是，则结果符合要求，返回参数值A1、b、C、n以及城市暴雨强度公式，结束；(12)步骤(005)的结果为否，则令代数连续接近的次数LTC值加1，并判断LTC值是否大于10代；(13).结果为是，则进入步骤(8)的开始端；结果为否，则把进化代数Tc值加1；杂交生成下一代个体种群，并对此种群做变异操作，进入步骤(4)的开始端；步骤(7)的结果为否，则进入步骤(13)的开始端；步骤(9)的结果为否，则把公式计算误差EF赋值给前一次的计算误差EF0，并重设计数器LEF为0，进入步骤(10)的开始端；步骤(10)的结果为否，则返回步骤(3)的开始端。
本发明的原理是遗传算法是基于达尔文进化论和孟德尔遗传学的原理和概念，发展演化而来的新的寻求最优解的理论和方法，其最基本的内容是以适者生存、优胜劣汰为基础的进化思想和以染色体、基因为基础的遗传和变异思想。染色体是物种的特性，基因是个体的特性。遗传即子代保留父代基因的特征，是物种不会改变的特性；变异是使物种进化的前提，是建立在适者生存、优胜劣汰为基础上的。
与现有技术相比，本发明的有益效果是可节省大量的人力、物力和财力，同时由于所推求城市暴雨强度公式精度的提高，城市雨水管道工程的功能可靠性提高，经济合理性增强，可获得较明显的经济效益和社会效益，此外还具有误差小、精度高、计算速度快的特点。
图1为本发明给出实施例的工艺流程图；图2为图1中采用达尔文进化法程序推求出城市暴雨强度公式时的程序框图。
图中判断选择部分的箭头方向，横向表示否，竖向表示是。
具体实施例方式
如图1所示，这种设计城市雨水管道的方法，包括有下列步骤1.使用能够支持Visual Basic 6.0的计算机，将所掌握的城市降雨原始资料以数据库或文本的形式输入到计算机中并在储存器中保存，根据原始降雨资料年数的不同来决定硬盘剩余空间的大小，一般不小于20M；2.调用储存器中的原始降雨数据到计算机内存RAM中，在中央处理器CPU中进行数据整理，由于运算速度的需要，原则上要求奔腾三以上的处理器；3.对经过初步处理后的数据进行频率分析，得出i-t-P表，传达给计算机终端的显示器，并将i-t-P表存储起来，以备使用；4.通过计算机中央处理器调用“达尔文进化法程序”，并对已有的i-t-P表进行计算，进而推求出城市暴雨强度公式，并将所得数据做备份；5.使用已得的暴雨强度公式计算出城市雨水管道的管径，并用计算机终端的打印机输出。
如图2所示，当采用达尔文进化法程序推求出城市暴雨强度公式时，包括有下列步骤(1).自动导入所需的公式推导条件i-t-P表；并设定种群规模mc；染色体数目nc；交叉率pc；变异率pm；(2).设置后一次内循环误差小于前一次内循环误差的连续次数LEF，即计数器的初始值为0；(3).均匀随机生成参数初始父代种群样本，并规定此进化代数Tc为1；(4).计算父代种群样本的适应度SYD，根据适应度函数，淘汰父代样本，并产生新一代个体；(5).计算新一代个体的适应度SYD(1)，并与父代种群样本的适应度SYD进行比较；(6).结果为是，则把新一代个体的适应度SYD(1)赋值给父代种群样本的适应度SYD，并令二者代数连续接近的次数LTC为0；(7).判断参数进化代数TC的值是否大于50代；(8).结果为是，则计算该参数下的暴雨强度公式的误差EF；(9).判断公式计算误差EF是否大于前一次的计算误差EF0；(10).结果为是，则把计数器LEF的值加1，并判断LEF是否大于10；(11).结果为是，则结果符合要求，返回参数值A1、b、C、n以及城市暴雨强度公式，结束；(12)步骤(005)的结果为否，则令代数连续接近的次数LTC值加1，并判断LTC值是否大于10代；(13).结果为是，则进入步骤(8)的开始端；结果为否，则把进化代数Tc值加1；杂交生成下一代个体种群，并对此种群做变异操作，进入步骤(4)的开始端；步骤(7)的结果为否，则进入步骤(13)的开始端；步骤(9)的结果为否，则把公式计算误差EF赋值给前一次的计算误差EF0，并重设计数器LEF为0，进入步骤(10)的开始端；步骤(10)的结果为否，则返回步骤(3)的开始端。
本发明推求城市暴雨强度公式参数的过程，也可用具体的语言来描述
(a)染色体在求解暴雨公式参数时，参数就是染色体。暴雨公式共有四个参数，就是四个染色体。
(b)基因基因就是染色体的组成，每个染色体有许多基因，不同基因的组合就是表现出个体的各种特征，这就是编码。一般编码为二进制编码，也可采用十进制编码。由于暴雨公式是实数，这样就给编码带来了一定的难度。我们知道不同的基因组合就代表了不同的个体特征，而且有很多特征的基因编码是我们所不知道的，但是我们同样可以知道他的遗传后果，如我们不知道各自高矮的基因编码，但我们知道高个子的父母所生的子女一般各自不会太矮。所以我们只要知道参数的取值范围(fmin，fmax)就可以了，不一定非要找到他的基因编码形式。
(c)遗传和变异遗传(杂交)和变异是物种发展的两个对立方面，所以所有的遗传算法的研究者都把他们完全的对立起来，认为遗传就是遗传，变异就是变异。传统的遗传算法都是把样本分成两部分，一部分进行杂交算法，一部分进行变异算法，分别用遗传率(pm)和变异率(pc)来表示，遗传率(pm)和变异率(pc)之和等于1。通过对现实世界进行的观察分析，认为这是一种片面的错误的理解，其实遗传和变异是有机的统一。改进的做法是所有样本以遗传率先进行杂交算法生成新的子代，然后所有的子代以变异率(pc)进行变异算法操作。考虑到没有子代的物种是会灭绝的这一现实，我们在算法上设定遗传率(pm)等于1，而变异率(pc)不易过大，一般为5％～10％。
实数的杂交算子采用下式计算f＝r×f1+(1-r)×f2实数的变异算子采用下式计算f＝fmin+r×(fmax-fmin)(d)适者生存、优胜劣汰样本是否能够适应环境的要求用适应度来表示。怎样表示适应度呢？这里引入了适应度函数这一概念。对于暴雨强度公式的每一个样本求平方差Q(A1,C,b,n)=Σk=1m(A1(1+ClgPk)(tk+b)n-ik)2]]>
很显然Q值越小，样本的适应度越高，凡是符合这一条件的函数都可以作为适应度函数，最简单的函数是Fi=1Qi+ϵ]]>式中 Fi-第i个样本的适应度；Qi-第i个样本的适应度；ε-任意小的数，防止出现除零操作。
按照适应度从小到大把样本排列起来，每次淘汰排在后面的1/2的样本，保留适应度大的1/2样本进行杂交和变异操作。
(e)父代、子代在环境容量不变的情况下，样本规模(mc)一定。在传统的遗传算法的做法是，把选择的父代样本作为双亲，两两配对，采用双点杂交算子，生成mc个子代。然后把此mc个子代作为父代，重新开始新的一轮遗传计算。其实这样做降低了进化的速度，因为它忽略了一个关键因素，即父代样本的存活期问题，如在人类社会中父代和子代是共存的。为了说明问题，我们引入了上代、现代和新生代的概念。所谓的上代就是被淘汰的父代样本，新生代就是由被保留的父代样本经过杂交和变异算法生成的子代样本，而现代就是由新生代和被保留的父代共同组成的样本。为了保持样本规模不变，新生代的生成采用单点杂交，每一代只更新mc/2个样本。这样做的一个明显的好处是保证适应度最大的样本能够保留下来，从而就加快了进化速度，使样本很快稳定到最优解。
权利要求
1.一种设计城市雨水管道的方法，其特征在于包括有下列步骤①.使用能够支持Visual Basic 6.0的计算机，将所掌握的城市降雨原始资料以数据库或文本的形式输入到计算机中并在储存器中保存；②.调用储存器中的原始降雨数据到计算机内存RAM中，在中央处理器CPU中进行数据整理；③.对经过初步处理后的数据进行频率分析，得出i-t-P表，传达给计算机终端的显示器；④.通过计算机中央处理器调用“达尔文进化法程序”，并对已有的i-t-P表进行计算，进而推求出城市暴雨强度公式；⑤.使用已得的暴雨强度公式计算出城市雨水管道的管径。
2.根据权利要求1所述的设计城市雨水管道的方法，其特征在于当采用达尔文进化法程序推求出城市暴雨强度公式时，包括有下列步骤(1).自动导入所需的公式推导条件i-t-P表；并设定种群规模mc；染色体数目nc；交叉率pc；变异率pm；(2).设置后一次内循环误差小于前一次内循环误差的连续次数LEF，即计数器的初始值为0；(3).均匀随机生成参数初始父代种群样本，并规定此进化代数Tc为1；(4).计算父代种群样本的适应度SYD，根据适应度函数，淘汰父代样本，并产生新一代个体；(5).计算新一代个体的适应度SYD(1)，并与父代种群样本的适应度SYD进行比较；(6).结果为是，则把新一代个体的适应度SYD(1)赋值给父代种群样本的适应度SYD，并令二者代数连续接近的次数LTC为0；(7).判断参数进化代数TC的值是否大于50代；(8).结果为是，则计算该参数下的暴雨强度公式的误差EF；(9).判断公式计算误差EF是否大于前一次的计算误差EF0；(10).结果为是，则把计数器LEF的值加1，并判断LEF是否大于10；(11).结果为是，则结果符合要求，返回参数值A1、b、C、n以及城市暴雨强度公式，结束；(12)步骤(005)的结果为否，则令代数连续接近的次数LTC值加1，并判断LTC值是否大于10代；(13).结果为是，则进入步骤(8)的开始端；结果为否，则把进化代数Tc值加1；杂交生成下一代个体种群，并对此种群做变异操作，进入步骤(4)的开始端；步骤(7)的结果为否，则进入步骤(13)的开始端；步骤(9)的结果为否，则把公式计算误差EF赋值给前一次的计算误差EF0，并重设计数器LEF为0，进入步骤(10)的开始端；步骤(10)的结果为否，则返回步骤(3)的开始端。
全文摘要
一种设计城市雨水管道的方法，包括有下列步骤1.使用能够支持Visual Basic 6.0的计算机，将所掌握的城市降雨原始资料以数据库或文本的形式输入到计算机中并在储存器中保存；2.调用储存器中的原始降雨数据到计算机内存RAM中，在中央处理器CPU中进行数据整理；3.对经过初步处理后的数据进行频率分析，得出i－t－P表，传达给计算机终端的显示器；4.通过计算机中央处理器调用“达尔文进化法程序”，并对已有的i－t－P表进行计算，进而推求出城市暴雨强度公式；5.使用已得的暴雨强度公式计算出城市雨水管道的管径。本发明可节省大量的人力、物力和财力，具有误差小、精度高、计算速度快的特点，由此计算的城市雨水管道的管径适当，可获得较明显的经济效益和社会效益。
文档编号G06N3/12GK1790348SQ20051004808
公开日2006年6月21日 申请日期2005年12月20日 优先权日2005年12月20日
发明者傅金祥, 林齐 申请人:沈阳建筑大学