基于CBR的黄池沟配水枢纽调控研究

作     者：杨锋 

作者单位：西安理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：解建仓;龙正未;魏娜

授予年度：2023年

学科分类：081504[工学-水利水电工程] 08[工学] 0815[工学-水利工程] 

主      题：黄池沟配水枢纽 知识库 案例检索 规则推理 调控系统开发 

摘      要：陕西省引汉济渭工程是缓解陕西省关中地区水资源短缺的重要措施之一。工程由调水工程和输配水工程两部分组成。黄池沟配水枢纽是连接引汉济渭调水工程与输配水工程的桥梁和纽带,其稳定、高效运行是保障配水安全、合理和充分发挥引汉济渭工程效益的关键。黄池沟配水枢纽分水池容积小、来水流量大,池周闸门数量多,配水南北干线连接复杂,有无压明渠也有有压隧洞(倒虹吸)。当下游需求或上游来水发生变化时,若不能及时进行调控,不仅无法实现水资源的合理分配,严重时还出现溢流、弃水等现象,使调水效率降低,并给工程运行带来安全隐患。因此,黄池沟配水枢纽的运行调控具有极强的实时性,需要根据实时来水与需水情景快速制定运行调控方案,在确保工程安全运行的前提下,实现水资源的有效分配。案例推理(CBR,Case-based Reasoning)是一种根据以往的实际经验来解决当前问题的类比推理方法,能够快速地通过对以往相似案例的检索,较为准确地得出参考解决方案,充分利用以往案例的经验知识来解决当前问题。因此,本文将CBR引入到黄池沟配水枢纽运行调控方案制定当中,提出了一种基于CBR的黄池沟配水枢纽调控方法,在对关键技术进行研究的同时,开展了调控系统的软件实现。本文主要研究内容如下:(1)CBR在黄池沟配水枢纽调控中的适用性分析。根据黄池沟配水枢纽工程布局,分析了配水枢纽调控实际及难题;引入了 CBR基本理论,包括CBR的基本原理、推理流程及其关键技术的内涵与作用;结合黄池沟配水枢纽调控中的难点,论证了 CBR在黄池沟配水枢纽调控中的适用性。(2)黄池沟配水枢纽调控知识库构建。基于黄池沟配水枢纽前期水工模型试验结果和数值模拟结果,建立了黄池沟配水枢纽调控知识库。在分析前期获取资料(知识)类型特点的基础上,从知识表示和储存入手,设计了配水枢纽调控知识库。采用不同的知识表示方法,按案例库、规则库、事实数据库分三类管理,其中采取框架表示法表示案例类知识,产生式表示法表示规则类知识,基于语义网络的知识图法表示事实数据类知识。(3)采用KNN算法进行相似案例检索。首先,对传统欧氏距离、标准欧式距离、余弦相似度、修正余弦相似度这四种相似度计算方法进行了对比分析,发现修正余弦相似度算法能够更好地区分案例库中案例与目标案例的相似程度。然后,针对不同情景的进一步比较,说明选择修正余弦相似度来进行相似度计算可行。最后,将相似度计算结果由大到小排序,按照给定相似度阈值筛选,获取并推荐相似案例。(4)基于RBR推理的调控方案生成。根据工程实际,采用三次样条插值法得到了不同闸门开度下分水池水位与各分水口流量的函数关系式,以函数自变量区间作为规则前提、以对应的函数表达式作为规则结论,设计并建立了 RBR推理的规则库;根据配水枢纽各分水口闸门及隧洞过流特性,设置调控情景为:南北干线闸门全开、南干线闸门局开、黑河供水连通隧洞参与分水、突发情况下的应急应对四种类别;针对调控情景的归类,在规则库中匹配与之对应的函数关系式,以此为基础,推理并生成相应的调控方案;通过实例,验证了 RBR推理生成调控方案的可行性及可靠性。(5)黄池沟配水枢纽调控系统设计及系统软件开发。基于综合集成平台,采用数据库、知识图及组件等信息技术,设计并研发了黄池沟配水枢纽调控系统。该系统分为知识库管理和方案推理两大模块,其中知识库管理模块实现了工程基本信息查看以及调控案例和调控规则的删除、修改、添加等功能;方案推理模块实现了调控情景输入、案例检索以及规则推理等功能。调控系统经过了运行测试,从快速检索相似案例到生成新的调控方案,对列举的不同情景,展示了相关功能,系统实现了调控方案的快速生成,并满足了黄池沟配水枢纽调控的实时性、动态性需求,可为配水枢纽的安全、高效运行提供支持。