專利名稱：基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的城市雨水管網(wǎng)可靠度演進(jìn)建模方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于市政工程信息技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的城市雨水管 網(wǎng)可靠度演進(jìn)建模方法。
背景技術(shù)：
可靠度是城市雨水管網(wǎng)工程設(shè)計的重要指標(biāo)之一。將可靠度概念弓I入到城市雨水 管網(wǎng)設(shè)計大約始于20世紀(jì)70 80年代的著名水文學(xué)家顏本琦(YenBen Chie)。他借鑒水 利工程的設(shè)計經(jīng)驗，將可靠度設(shè)計方法引入到雨水管網(wǎng)設(shè)計領(lǐng)域，從而可通過數(shù)學(xué)計算量 化工程設(shè)計的可靠性。在之后的20余年里，顏本琦(Ben Chie Yen)及其團(tuán)隊直接推動著 雨水管網(wǎng)可靠度理論的發(fā)展，形成了幾種比較經(jīng)典的可靠度分析與評價方法，包括(1)直 接集成法(directintegratio) ； (2) 一階可靠度分析法(又分為mean—valued禾口 advanced 兩種)；⑶二階可靠度分析法；(4)蒙特卡洛模擬方法(Monte Carlo Simulation) ； (5)故 障樹可靠度分析法。國內(nèi)方面，1998年周玉文等以可靠性分析理論為依據(jù)，提出可以用于排水管網(wǎng)可 靠性計算的基礎(chǔ)數(shù)學(xué)模型；張子賢等在分析雨水管網(wǎng)各水力因子不確定性的基礎(chǔ)上，通過 一次二階矩法計算過水能力的統(tǒng)計參數(shù)，給出了過水能力的均值、變差系數(shù)的計算式以及 管道水力設(shè)計可靠度的計算式和計算方法。而后，他又在闡明水力因子、過水能力的概率分 布和統(tǒng)計參數(shù)的基礎(chǔ)上，提出了基于可靠性的雨水管道水力設(shè)計方法；2004年，高延紅等 研究了基于可靠性的屋面雨水排水溝設(shè)計方法，提出了適合我國屋面雨水排水溝設(shè)計的可 靠指標(biāo)取值標(biāo)準(zhǔn)；郭瑞提出了雨水管道概率極限狀態(tài)水力計算方法，在計算單個管道可靠 度的基礎(chǔ)上，通過界限估計法計算出整個雨水管網(wǎng)體系的可靠度。同時，提出了雨水管網(wǎng)概 率極限狀態(tài)設(shè)計的目標(biāo)可靠指標(biāo)建議值，并計算出與之相對應(yīng)的分項系數(shù)，然后應(yīng)用目標(biāo) 可靠指標(biāo)和分項系數(shù)表達(dá)式兩種方法進(jìn)行了雨水管道在概率極限狀態(tài)下的水力計算。張佳 彬在郭瑞研究的基礎(chǔ)上，在雨水管網(wǎng)概率極限狀態(tài)設(shè)計法的基本理論和基本遺傳算法優(yōu)化 方法的基礎(chǔ)上，以可靠性為約束條件，建立了基于可靠性的城市雨水管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計的改進(jìn) 遺傳算法模型。錢坤將可靠指標(biāo)已確定時各設(shè)計參數(shù)的關(guān)系作為約束條件，應(yīng)用在管網(wǎng)優(yōu) 化設(shè)計中。孫圣廣采用蒙特卡羅法計算單管段和管網(wǎng)系統(tǒng)的可靠度，并對雨水泵站的可靠 性進(jìn)行分析，給出在給定可靠度的前提下計算備用泵組的方法。然而，當(dāng)前的城市雨水管網(wǎng)可靠度計算上存在以下問題(1)可靠度計算方法不 易用于設(shè)計過程，不易為設(shè)計人員所接受；( 不能適應(yīng)未來雨水管網(wǎng)非恒定流設(shè)計的要 求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種能適應(yīng)雨水管網(wǎng)非恒定流設(shè)計的要求且易于為設(shè)計人 員所接受的雨水管網(wǎng)可靠度演進(jìn)建模方法。本發(fā)明的建模過程如下
(1)采用自適應(yīng)Metropolis Hastings算法，對雨水管網(wǎng)的設(shè)計參數(shù)雨水管道的 管徑和坡度、雨水池容積進(jìn)行采樣，并在其中設(shè)定先驗條件管徑取特定整數(shù)值和限定參數(shù) 取值范圍；(2)將自適應(yīng)Metropolis Hastings算法的取樣結(jié)果，依次輸入到動態(tài)建模軟件 中，在設(shè)計動態(tài)降雨邊界條件下分別進(jìn)行模擬，保存多次模擬結(jié)果；(3)根據(jù)動態(tài)建模軟件的模擬結(jié)果以及雨水管網(wǎng)組件可靠度和系統(tǒng)可靠度的表征 方法，計算相應(yīng)組件的可靠度以及系統(tǒng)可靠度，然后，按照組件可靠度分區(qū)間統(tǒng)計組件設(shè)計 參數(shù)狀況，據(jù)此建立貝葉斯網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的狀態(tài)；(4)應(yīng)用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)軟件，按照雨水管網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，建立其貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié) 構(gòu)，其中，與雨水管網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不同，貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的最末端節(jié)點是系統(tǒng)可靠度節(jié)點；(5)應(yīng)用組件和系統(tǒng)可靠度區(qū)間數(shù)據(jù)建立貝葉斯網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的若干狀態(tài)，并用弧段 建立節(jié)點之間的概率關(guān)系，從而初步建立雨水管網(wǎng)可靠度演進(jìn)的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型。據(jù)此，可以應(yīng)用組件可靠度和系統(tǒng)可靠度的計算數(shù)據(jù)推理計算貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點 即組件的演進(jìn)關(guān)系(即貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的弧段信息)。雨水管網(wǎng)系統(tǒng)可靠度既是當(dāng)今城市雨水管網(wǎng)設(shè)計的價值觀，也是協(xié)調(diào)雨水管網(wǎng)設(shè) 計多功能關(guān)系和協(xié)同雨水管網(wǎng)組件配置的有效途徑。和雨水管網(wǎng)系統(tǒng)中水流量演進(jìn)一樣， 雨水管網(wǎng)系統(tǒng)的組件可靠度和系統(tǒng)可靠度之間也存在動態(tài)演進(jìn)關(guān)系，是一種信息量的演 進(jìn)。按照圖論觀點，設(shè)計之中的雨水管網(wǎng)是一個有向圖，而貝葉斯網(wǎng)絡(luò)也是基于有向圖的概 率推理模型。為此，應(yīng)用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型來建模雨水管網(wǎng)系統(tǒng)組件可靠度與系統(tǒng)可靠度的 演進(jìn)關(guān)系，具有如下優(yōu)勢(1)能夠滿足未來雨水管網(wǎng)非恒定流(動態(tài))設(shè)計的需要；(2)圖 形化建模。貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型是一個基于圖形的建模工具，具有直觀性和模塊化的優(yōu)勢，可以 擺脫以往可靠度分析與計算的復(fù)雜模式，從而實現(xiàn)化繁為簡，為設(shè)計人員所接受，使可靠度 設(shè)計理念真正走向工程實踐；(3)兼容性。貝葉斯網(wǎng)絡(luò)是可以基于先驗知識的概率推理工 具。它能夠融合多種有效的先驗知識，包括各種不確定性以及專家經(jīng)驗。因此，應(yīng)用貝葉斯 網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行雨水管網(wǎng)可靠度演進(jìn)計算比當(dāng)前先進(jìn)的故障樹理論更具先進(jìn)性和實用性。


圖1是本發(fā)明的技術(shù)路線圖。
具體實施例方式為了使本發(fā)明的技術(shù)手段、創(chuàng)作特征、達(dá)成目的與功效易于明白了解，下面結(jié)合具 體實施方式，進(jìn)一步闡述本發(fā)明。如圖1所示，第一步，采用MCMC算法中的自適應(yīng)Metropolis Hastings算法對雨 水管網(wǎng)的包括雨水管道的管徑和坡度、雨水池容積的設(shè)計參數(shù)進(jìn)行采樣，并在其中設(shè)定如 下先驗條件管徑取特定整數(shù)值、限定參數(shù)取值范圍。第二步，將自適應(yīng)Metropolis Hastings算法的取樣結(jié)果，依次輸入到動態(tài)建模軟 件SWMM中，設(shè)計多組動態(tài)降雨邊界條件，在每組設(shè)計動態(tài)降雨邊界條件下分別進(jìn)行模擬， 保存多次模擬結(jié)果。第三步，根據(jù)SWMM的模擬結(jié)果以及雨水管網(wǎng)組件可靠度和系統(tǒng)可靠度的表征方
4法，計算相應(yīng)組件的可靠度以及系統(tǒng)可靠度。然后，按照組件可靠度每5%為一個區(qū)間進(jìn)行 分區(qū)間，統(tǒng)計組件設(shè)計參數(shù)狀況，據(jù)此建立貝葉斯網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的狀態(tài)。第四步，應(yīng)用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)軟件，按照雨水管網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，建立其貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的拓 撲結(jié)構(gòu)。其中，與雨水管網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不同，貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的最末端節(jié)點是系統(tǒng)可靠度節(jié)點。第五步，應(yīng)用組件和系統(tǒng)可靠度區(qū)間數(shù)據(jù)建立貝葉斯網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的若干狀態(tài)，并用 弧段建立節(jié)點之間的概率關(guān)系，從而初步建立雨水管網(wǎng)可靠度演進(jìn)的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型。據(jù)此，可以應(yīng)用組件可靠度和系統(tǒng)可靠度的計算數(shù)據(jù)推理計算貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點 (即組件)的演進(jìn)關(guān)系(即貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的弧段信息)。以上顯示和描述了本發(fā)明的基本原理、主要特征和本發(fā)明的優(yōu)點。本行業(yè)的技術(shù) 人員應(yīng)該了解，本發(fā)明不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是說明本 發(fā)明的原理，在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下本發(fā)明還會有各種變化和改進(jìn)，這些變 化和改進(jìn)都落入要求保護(hù)的本發(fā)明范圍內(nèi)。本發(fā)明要求保護(hù)范圍由所附的權(quán)利要求書及其 等同物界定。
權(quán)利要求
1.基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的城市雨水管網(wǎng)可靠度演進(jìn)建模方法，其特征在于包括如下步驟(1)采用自適應(yīng)MetropolisHastings算法，對雨水管網(wǎng)的包括雨水管道的管徑和坡 度、雨水池容積的設(shè)計參數(shù)進(jìn)行采樣，并在其中設(shè)定先驗條件管徑取特定整數(shù)值和限定參 數(shù)取值范圍；(2)將自適應(yīng)MetropolisHastings算法的取樣結(jié)果，依次輸入到動態(tài)建模軟件中，在 設(shè)計動態(tài)降雨邊界條件下分別進(jìn)行模擬，保存多次模擬結(jié)果；(3)根據(jù)動態(tài)建模軟件的模擬結(jié)果以及雨水管網(wǎng)組件可靠度和系統(tǒng)可靠度的表征方 法，計算相應(yīng)組件的可靠度以及系統(tǒng)可靠度，然后，按照組件可靠度分區(qū)間統(tǒng)計組件設(shè)計參 數(shù)狀況，據(jù)此建立貝葉斯網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的狀態(tài)；(4)應(yīng)用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)軟件，按照雨水管網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，建立其貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)， 其中，與雨水管網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不同，貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的最末端節(jié)點是系統(tǒng)可靠度節(jié)點；(5)應(yīng)用組件和系統(tǒng)可靠度區(qū)間數(shù)據(jù)建立貝葉斯網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的若干狀態(tài)，并用弧段建立 節(jié)點之間的概率關(guān)系，從而初步建立雨水管網(wǎng)可靠度演進(jìn)的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的城市雨水管網(wǎng)可靠度演進(jìn)建模方法，通過選擇管道設(shè)計參數(shù)，設(shè)定降雨條件，用動態(tài)建模軟件進(jìn)行模擬，根據(jù)模擬結(jié)果以及管網(wǎng)組件系統(tǒng)可靠度表征方法，計算相應(yīng)組件及系統(tǒng)的可靠度，據(jù)此建立貝葉斯網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的狀態(tài)，應(yīng)用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)軟件，建立其貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，應(yīng)用組件和系統(tǒng)可靠度區(qū)間數(shù)據(jù)建立貝葉斯網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的若干狀態(tài)，并用弧段建立節(jié)點之間的概率關(guān)系，建立雨水管網(wǎng)可靠度演進(jìn)的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型。本發(fā)明能夠滿足未來雨水管網(wǎng)非恒定流設(shè)計的需要；具有直觀性和模塊化的優(yōu)勢，可以實現(xiàn)化繁為簡，使可靠度設(shè)計理念真正走向工程實踐；可以融合包括各種不確定性以及專家經(jīng)驗在內(nèi)的先驗知識，具有先進(jìn)性和實用性。
文檔編號G06F17/50GK102096740SQ20111003795
公開日2011年6月15日 申請日期2011年2月15日 優(yōu)先權(quán)日2011年2月15日
發(fā)明者劉興坡 申請人:上海海事大學(xué)