基于数字孪生的城市合流制溢流系统流量监测方法及系统

本发明涉及城市水环境治理，尤其是涉及一种基于数字孪生的城市合流制溢流系统流量监测方法及系统。

背景技术：

1、随着科技的发展，数字孪生技术作为继人工智能、云计算后的又一前沿技术，数字孪生技术的实现基于某种规则的虚拟空间对物理实体的仿真预测，数字孪生技术逐步从制造业延伸至城市空间，与城市规划、建设与发展紧密联系在一起，搭建成了数字孪生城市。数字孪生的城市合流制溢流（cso）系统承担着生活污水、工业废水、雨水的汇集与排放功能；晴天或小雨时，合流污水送入污水处理厂，当雨天运输水量超过管网纳污能力就会出现溢流，影响城市河湖的生态环境。

2、中国在cso污染研究方面起步较晚，缺乏cso溢流量、溢流频次以及溢流水质等基础监测数据，致使cso污染控制目标难以确定。目前，人们大多通过监测或者模拟获得cso的流量数据。

3、但受城市土地资源紧缺的影响，承担溢流功能的异型结构的薄壁堰大量存在，受城市场地与工程结构的影响，常规的流量监测设施难以设置，无法监测cso系统流量，从而导致cso污染控制更加困难，亟需可靠、简便的流量监测方法。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明实施例提供了一种基于数字孪生的城市合流制溢流系统流量监测方法及系统，以解决现有技术中因常规流量监测设施难以设置而导致无法监测合流制溢流系统流量的问题。

2、本发明实施例的第一方面提供了一种基于数字孪生的城市合流制溢流系统流量监测方法，包括：

3、拟定预设工况表，所述预设工况表包括上游水头、下游水位；

4、获取目标溢流装置的结构尺寸和水力参数，并根据所述结构尺寸和水力参数构建物理模型和数值模型；

5、将预设工况表中的上游水头和下游水位代入物理模型和数值模型进行试验和模拟，得到流量数据，将所述结构尺寸、水力参数以及流量数据及其对应的上游水头和下游水位放入水文特征参数数据集；

6、从水文特征参数数据集中调取数据，计算得到预设工况下的系数及其表征物理量，所述系数包括自由出流条件下的流量拟合系数，淹没出流条件下的淹没拟合系数，孔口出流条件下的折减拟合系数；所述表征物理量包括雷诺数的倒数，韦伯数的倒数，上游水头与下游水位之差，上游水头与堰高之差，上游水头与堰口上边缘高程之差；

7、分别汇总不同出流条件下所有预设工况下计算得到的系数及其表征物理量，并使用遗传算法对其进行函数拟合，得到不同出流条件下的系数拟合公式，所述拟合公式包括自由出流条件下的流量拟合系数拟合公式，淹没出流条件下的淹没拟合系数拟合公式，孔口出流条件下的折减拟合系数拟合公式；

8、将不同出流条件下的系数代入对应出流条件下的流量计算公式，得到城市合流制溢流系统流量算法模型；

9、将下游水位数据输入城市合流制溢流系统流量算法模型，根据下游水位数据判定出过堰水流的出流方式，根据不同的出流方式选择对应的系数拟合公式，将选中的系数代入对应的流量计算公式中，计算出城市合流制溢流系统流量。

10、可以理解的是，流量拟合系数拟合公式即流量拟合系数的函数，简称流量拟合系数；淹没拟合系数拟合公式即淹没拟合系数的函数，简称淹没拟合系数；折减拟合系数拟合公式即折减拟合系数的函数，简称折减拟合系数。

11、作为本发明基于数字孪生的城市合流制溢流系统流量监测方法的一种改进，所述方法还包括：

12、所述从水文特征参数数据集中调取数据，计算得到预设工况下的系数及其表征物理量，所述系数包括自由出流条件下的流量拟合系数，淹没出流条件下的淹没拟合系数，孔口出流条件下的折减拟合系数的步骤包括：

13、从水文特征参数数据集中调取出物理模型试验和数值模型模拟的结构数据、水力参数以及流量数据及其对应的上游水头和下游水位；

14、根据调取的数据，计算得到自由出流条件下的流量拟合系数，淹没出流条件下的淹没拟合系数，孔口出流条件下的折减拟合系数；

15、根据和，得到流量拟合系数表征物理量；

16、根据和，得到淹没拟合系数表征物理量；

17、根据和，得到折减拟合系数表征物理量。

18、其中，是雷诺数；是韦伯数；为动力粘度；为堰上水头；为重力加速度；为表面张力；为密度；为上游水头，单位为米；为下游水位，单位为米；为堰高，单位为米；为堰口上边缘高程，单位为米。

19、作为本发明基于数字孪生的城市合流制溢流系统流量监测方法的一种改进，所述方法还包括：

20、所述分别汇总不同出流条件下所有预设工况下计算得到的系数及其表征物理量，并使用遗传算法对其进行函数拟合，得到不同出流条件下的系数拟合公式，所述拟合公式包括自由出流条件下的流量拟合系数拟合公式，淹没出流条件下的淹没拟合系数拟合公式，孔口出流条件下的折减拟合系数拟合公式的步骤包括：

21、汇总物理模型和数值模型在不同出流条件下所有预设工况下计算得到的系数及其表征物理量；

22、按照出流条件的不同，对三种出流条件对应的系数及其表征物理量分别进行拟合；

23、根据系数及其表征物理量，随机生成一系列关于系数和表征物理量的函数表达式，将函数表达式作为父代，并根据父代的适应度对其进行排序，所述适应度为纳什效率系数，使用轮盘赌算法筛选出一批父代，根据适应度再次排序，根据排序结果将每组父代中的系数、计算函数、运算符依次进行杂交、变异操作，以输出当前迭代运算后的子代；

24、获取当前迭代运算输出的子代的适应度，以判断当前迭代运算输出的子代的纳什效率系数是否大于0.95；

25、若当前迭代运算输出的子代的纳什效率系数小于0.95，则将当前迭代运算输出的子代定义为父代，重复之前的操作进行迭代运算；

26、若当前迭代运算输出的子代的纳什效率系数大于0.95，则将当前迭代运算输出的子代定义为目标子代；

27、得到的目标子代函数即为选定的流量拟合系数拟合公式、淹没拟合系数拟合公式和折减拟合系数拟合公式。

28、作为本发明基于数字孪生的城市合流制溢流系统流量监测方法的一种改进，所述方法还包括：所述将不同出流条件下的系数拟合公式代入不同出流条件下的流量计算公式，得到城市合流制溢流系统流量算法模型的步骤包括：

29、将拟合后的流量拟合系数、所述淹没拟合系数以及所述折减拟合系数代入流量计算公式；

30、

31、其中，为自由出流的流量、为淹没出流的流量、为孔口出流的流量，单位为每秒每立方米；为堰宽，单位为米；为流量拟合系数；为淹没拟合系数；为折减拟合系数；为堰口上边缘高程，单位为米；为重力加速度；为堰上水头，单位为米；为箱涵断面面积，单位为平方米；为糙率；为水力半径，单位为米；为上下游水位差，单位为米；为箱涵长度，单位为米。

32、作为本发明基于数字孪生的城市合流制溢流系统流量监测方法的一种改进，所述方法还包括：

33、根据公式，得到；

34、根据公式，得到；

35、根据公式，得到；

36、其中，用数值模型模拟的孔口出流流量；为谢才系数，单位为每秒每米。

37、作为本发明基于数字孪生的城市合流制溢流系统流量监测方法的一种改进，所述方法还包括：

38、所述获取目标溢流装置的结构尺寸和水力参数，并根据所述结构尺寸和水力参数构建物理模型和数值模型的步骤包括：

39、测量排污箱涵长、宽、高以及关键结构尺寸、薄壁堰的堰高、堰宽、堰厚、堰转角角度、地面高程数据、箱涵底部以及顶部高程数据、薄壁堰底部高程数据、堰口上边缘高程数据、闸室底部以及顶部高程数据；

40、所述水力参数包括动力粘度、表面张力、糙率、水的密度；

41、根据结构尺寸的等比缩小和水力参数，搭建物理模型；

42、将结构尺寸和水力参数数据输入cfd模拟软件，搭建数值模型。

43、作为本发明基于数字孪生的城市合流制溢流系统流量监测方法的一种改进，所述方法还包括：

44、所述获取目标溢流装置的结构尺寸和水力参数，并根据所述结构尺寸和水力参数构建物理模型和数值模型之后还包括：

45、通过调整数值模型中的水力参数，对数值模型进行率定和验证。

46、本发明实施例的第二方面提供了一种基于数字孪生的城市合流制溢流系统流量监测系统，包括：

47、预设工况模块，用于拟定预设工况表，所述预设工况表包括上游水头、下游水位；

48、模型搭建模块，用于获取目标溢流装置的结构尺寸和水力参数，并根据所述结构尺寸和水力参数构建物理模型和数值模型；

49、试验和模拟模块，用于将预设工况表中的上游水头和下游水位代入物理模型和数值模型进行试验和模拟，得到流量数据，将所述结构尺寸、水力参数以及流量数据及其对应的上游水头和下游水位放入水文特征参数数据集；

50、系数及其表征物理量获取模块，用于从水文特征参数数据集中调取数据，计算得到预设工况下的系数及其表征物理量，所述系数包括自由出流条件下的流量拟合系数，淹没出流条件下的淹没拟合系数，孔口出流条件下的折减拟合系数；

51、函数拟合模块，用于分别汇总不同出流条件下所有预设工况下计算得到的系数及其表征物理量，并使用遗传算法对其进行函数拟合，得到不同出流条件下的系数拟合公式，所述拟合公式包括自由出流条件下的流量拟合系数拟合公式，淹没出流条件下的淹没拟合系数拟合公式，孔口出流条件下的折减拟合系数拟合公式；

52、算法模型搭建模块，用于将不同出流条件下的系数拟合公式代入不同出流条件下的流量计算公式，得到城市合流制溢流系统流量算法模型；

53、算法模型使用模块，用于将下游水位数据输入城市合流制溢流系统流量算法模型，根据下游水位数据判定出过堰水流的出流方式，根据不同的出流方式选择对应的系数拟合公式，将选中的系数代入对应的流量计算公式中，计算出城市合流制溢流系统流量。

54、本发明实施例的第三方面提供了一种终端设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在终端设备上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现第一方案提供的基于数字孪生的城市合流制溢流系统流量监测方法的各步骤。

55、本发明实施例的第四方面提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现第一方案提供的基于数字孪生的城市合流制溢流系统流量监测方法的各步骤。

56、本发明实施例提供的一种基于数字孪生的城市合流制溢流系统流量监测方法及系统具有以下有益效果：通过预先拟定工况数据，进而根据实际溢流装置的结构尺寸和水力参数构建出物理模型和数值模型，以通过两种模型来试验和模拟预设工况，根据两种模型的试验和模拟结果得到系数，进而得到能够用于城市合流制溢流系统流量监测且监测精确度较高的算法模型，不必设置常规的流量监测设施，克服了传统方式时因常规流量监测设施难以设置而导致无法监测合流制溢流系统流量的问题，并且可以实现精确度较高的监测。