一种融合SHAP方法和基因表达式编程的闸群联控方法与流程

本发明涉及渠系闸群联合调控领域，特别是涉及一种融合shap方法和基因表达式编程的闸群联控方法。

背景技术：

1、灌区是农业节水的主战场，水资源合理利用是发展节水型农业的关键。灌区渠道分布交错复杂、分布范围广泛，在用水高峰期的水资源管理效率较低且需要大量人力投入。现代化灌区建设中，渠系中的闸群联合调控与调度预测也成为了数字孪生项目的一个研究点。如何联合多个闸群高效实时的预测闸门流量与开度成为一个亟待解决的问题。

2、传统的闸群联控基于经验或传统水力学公式的计算方法，然而面对灌区中存在的复杂渠系时，现有方法存在耗费人力、测量与调节精度差、难以实时观测的问题。

技术实现思路

1、针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种融合shap方法和基因表达式编程的闸群联控方法解决了现有方法存在耗费人力、测量与调节精度差、难以实时观测的问题。

2、为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：一种融合shap方法和基因表达式编程的闸群联控方法，包括以下步骤：

3、s1：收集灌区渠系闸门流量与水位数据，并利用shap方法筛选灌区渠系闸门流量与水位数据的特征变量；

4、s2：将筛选出的特征变量组合作为输入因子，并采用极差法对输入因子进行标准化处理；

5、s3：将处理后的数据通过基因表达式编程算法调节参数并运行，获得闸门流量函数与开度函数的预测结果；

6、s4：利用评价指标对闸门流量函数与开度函数的预测结果进行评价分析，完成融合shap方法和基因表达式编程的闸群联控。

7、上述方案的有益效果是：本发明从整体渠系各闸门的关系考虑某一过闸流量与闸门开度数学表达式，该预测不基于传统水力学公式，而是以数据驱动为核心，更具有实时性和精确性，节省人力，且更加直观的表示出各闸门间的影响关系，解决了现有方法存在耗费人力、测量与调节精度差、难以实时观测的问题。

8、进一步地，s1中利用shap方法筛选灌区渠系闸门流量与水位数据的特征变量，具体方法为：将灌区渠系闸门流量与水位数据传输至shap中的解释器，获得每个特征对于预测结果的重要性排序，将重要性得分值在0.04及以上的影响因子作为特征变量。

9、上述进一步方案的有益效果是：通过上述技术方案，利用shap方法获得关于预测结果的重要性得分值，并将重要性在0.04及以上的作为选取的特征变量，用于模型的输入。

10、进一步地，s2中标准化处理公式为：

11、

12、其中，z'为标准化处理后的输入数据，z为未进行转化前的输入数据，为均值，σ为标准差。

13、上述进一步方案的有益效果是：通过上述技术方案，采用极差法对数据进行标准化处理，便于计算和模型构建。

14、进一步地，s3基因表达式编程算法中使用随机短暂数值常数处理数字常数，所述基因表达式编程算法中调节的参数包括染色体数目、基因数目、函数集、连接函数、适应度函数、个体变异概率、基因变异概率、反转概率、单点交叉概率、双点交叉概率、基因交叉概率、基因转座概率和随机常数rnc。

15、上述进一步方案的有益效果是：通过上述技术方案，设置基因表达式编程算法中的相关参数，用于迭代训练得出效果最好的数值函数。

16、进一步地，s3中基因表达式编程算法包括以下分步骤：

17、s3-1：初始化参数和种群，并计算适应值；

18、s3-2：根据适应值判断是否达到终止条件，如果是，则结束算法，如果否，则进入步骤s3-3；

19、s3-3：保存最优个体，并通过选择、复制、变异、重组和转座操作，获得新种群，进化代数+1，并返回步骤s3-2。

20、上述进一步方案的有益效果是：通过上述技术方案，基于基因表达式编程算法，调节参数并运行，获得闸门流量函数与开度函数的预测结果。

21、进一步地，s4中评价指标包括决定系数r2、平均绝对误差mae和均方误差mse，公式为：

22、

23、

24、

25、其中，y为实测值，为实测值的平均值，yi为预测值，为预测值的平均值，i为选取的比较变量，n为比较变量的数量。

26、上述进一步方案的有益效果是：通过上述技术方案，利用决定系数、平均绝对误差和均方误差对得到的闸门流量和开度函数进行评价，提高模型的计算精度。

技术特征：

1.一种融合shap方法和基因表达式编程的闸群联控方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的融合shap方法和基因表达式编程的闸群联控方法，其特征在于，所述s1中利用shap方法筛选灌区渠系闸门流量与水位数据的特征变量，具体方法为：将灌区渠系闸门流量与水位数据传输至shap中的解释器，获得每个特征对于预测结果的重要性排序，将重要性得分值在0.04及以上的影响因子作为特征变量。

3.根据权利要求1所述的融合shap方法和基因表达式编程的闸群联控方法，其特征在于，所述s2中标准化处理公式为：

4.根据权利要求1所述的融合shap方法和基因表达式编程的闸群联控方法，其特征在于，所述s3基因表达式编程算法中使用随机短暂数值常数处理数字常数，所述基因表达式编程算法中调节的参数包括染色体数目、基因数目、函数集、连接函数、适应度函数、个体变异概率、基因变异概率、反转概率、单点交叉概率、双点交叉概率、基因交叉概率、基因转座概率和随机常数rnc。

5.根据权利要求1所述的融合shap方法和基因表达式编程的闸群联控方法，其特征在于，所述s3中基因表达式编程算法包括以下分步骤：

6.根据权利要求1所述的融合shap方法和基因表达式编程的闸群联控方法，其特征在于，所述s4中评价指标包括决定系数r2、平均绝对误差mae和均方误差mse，公式为：

技术总结
本发明公开了一种融合SHAP方法和基因表达式编程的闸群联控方法，涉及渠系闸群联合调控领域，包括以下步骤：收集灌区渠系闸门流量与水位数据，并利用SHAP方法筛选灌区渠系闸门流量与水位数据的特征变量；将筛选出的特征变量组合作为输入因子，并采用极差法对输入因子进行标准化处理；将处理后的数据通过基因表达式编程算法调节参数并运行，获得闸门流量函数与开度函数的预测结果；利用评价指标对闸门流量函数与开度函数的预测结果进行评价分析，完成融合SHAP方法和基因表达式编程的闸群联控。本发明解决了现有方法存在耗费人力、测量与调节精度差、难以实时观测的问题。

技术研发人员：冯敏,章少辉,白美健,侯文涛,付婧,何雨田
受保护的技术使用者：中国水利水电科学研究院
技术研发日：
技术公布日：2024/2/1