管网拓扑关系检查、修复的方法与流程

本发明涉及排水管网技术领域，特别涉及管网拓扑关系检查、修复的方法。

背景技术：

城市地下排水管网具有体系庞大、隐蔽性强和安全问题突出等特点，近年来，城市管理者越来越重视对城市地下排水管网基础信息的普查工作，以解决管理部门对地下排水管网信息掌握不全面、不清晰等问题，为城市排水系统安全运行和提质增效工作提供保障。排水管网基础信息的普查主要是对排水管道、暗渠、检查井、窨井、雨水篦等排水设施的位置、连接、高程、埋深和长度等基础信息的普查。其中，检查井和窨井等管网节点的高程数据，包括地面高程和内底高程，作为排水管网的重点基础信息之一，其准确性十分关键，将直接影响管理者对排水管网的水力工况分析、运行调度和后期改造计划。

城市地下排水管网的检查井和窨井等节点数量巨大，在管网检测过程中由于测量工具精度和测量人员疏忽等问题，一般会导致普查结果存在部分异常数据，如管网节点内底高程异常，这将导致管网在拓扑关系上出现逆坡问题，并对管网水力学建模和管网运行调度产生严重影响，因此，在排水管网普查结束后，需要对排水管网拓扑进行检查、修复或重新测量。2012年，严玉瑶等在其硕士论文《城市管网空间数据质量检查系统设计与实现》中以城市管网空间数据为主要研究对象，根据大量空间数据的规范和标准，研究了系统的城市管网空间数据质量模型，详细分析了城市管网空间数据质量检查的规则模型和方法，并取得了基于规则库的城市管网空间数据质量检查规则库及评价软件成果，但并没有具体提出管网数据自动检查的方法。目前，排水管网的拓扑检查和修改主要依靠人工对所有管段和所有节点进行逐段、逐点检查，结合上、下游节点数据判断是否存在逆坡问题，若存在逆坡问题，则参考上下游管段坡度手动修改节点内底高程。人工检查、修改管网拓扑的方法，工作量庞大，效率低下，时间成本高。

技术实现要素：

本发明旨在解决现有技术存在管网检查存在工作量庞大，效率低下，时间成本高的技术问题。

本发明通过以下技术手段去解决上述技术问题：一种管网拓扑关系检查、修复的方法，包括以下步骤：

s1、在待检查管网中选取一条已知流向的管网路径，按照流向的前后顺序，标记n个节点，测得所述管网的所有节点的初始内底高程值，保证起始位置节点的初始内底高程值准确；

节点包括按照待检查管网流向的检查井和出水口；

s2、相邻节点之间的管道形成一条管段，沿所述管网路径的流动方向依次遍历所有管段，计算每一段管段的坡度，得到管段的坡度数据；

s3、检查所述坡度数据是否存在负值；去除负值数据，以剩余非负值的坡度数据组成数据集，对所述数据集进行统计分析，识别其中的异常坡度数据，统计正常坡度数据，获得正常坡度的区间范围[smin,smax]；

s4、识别坡度数据为负值坡度以及异常坡度数据所对应的管段的起、止节点，形成反常节点集j；而其他节点(即节点编号的节点)则为具有正常内底高程的正常节点。

s5、调整所述反常节点集中异常节点的初始内底高程值，具有异常内底高程的异常节点存在于反常节点集中。

本发明对于一条可明确判断流向的管网路径，首先计算所有管段的坡度，然后通过箱线图算法自动识别反常管段坡度数据，以及反常管段对应的起始、终止节点，最后通过建立适应度函数和约束条件，对反常管段中异常管段的异常节点内底高程进行自动修改和优化。这种排水管网拓扑的智能检查方法，实现管网异常节点内底高程的自动识别、自动修改和优化，方便、快速、高效和准确。

优选地，所述s2中的管段的坡度数据采用以下模型得到：

其中，i为所述管网路径的第i个节点，共n个节点，i＝1为所述管网路径从上游算起的起始位置的节点，li,i+1表示起始节点为i、终止节点为i+1之间管段的长度，表示第i节点的初始内底高程值，下表i表示第i个节点，上标0表示初始值，表示第i+1节点的初始内底高程值。

优选地，所述s3中采用基于箱线图算法识别异常坡度数据方式实现对所述数据集进行统计分析；

s31、以剩余非负值的坡度数据组成数据集，并将数据集元素按照降序排列；

s32、计算降序排列的数据集中所有非负值的坡度数据的第一四分位数q1＝min{[1+(k-1)·0.25]，(k+1)·0.25}；

计算降序排列的数据集中所有非负值的坡度数据的第三四分位数q3＝max{[1+(k-1)·0.75]，(k+1)·0.75}；

计算四分位距iqr＝q3-q1；

k为所有非负值的坡度数据的个数；

s33、计算异常值截断点(q3+1.5iqr)和(q1-1.5iqr)，非负值的坡度数据中大于(q3+1.5iqr)或小于(q1-1.5iqr)的非负值的坡度数据即为异常坡度数据。

优选地，所述s5中，采用以下方式调整所述反常节点集中异常节点的内底高程值；

s51、以所述管网路径上的所有节点的内底高程值为待优化变量，根据所有节点的初始内底高程值构建目标函数，并将目标函数倒数作为适应度函数；

构建目标函数为：

构建适应度函数为：

ei为调整后的第i节点的内底高程值；

将以下条件作为适应度函数的约束条件：

(a)由调节后的节点的内底高程值计算得到的管段的坡度数据在正常坡度的区间范围内：

(b)调节后的节点的内底高程值在地面以下设定深度：

为第i个节点的地面高程，deep为工程设计规范规定的检查井最小深度；

(c)具有正常初始内底高程值的节点，其内底高程值不需要修改，直接取其初始内底高程值：

设定反常节点集为集合j，其他节点则为具有正常内底高程值的正常节点；

将上述约束条件分别转换为矩阵形式为：

式中，e1表示调整后的第1个节点的内底高程值，e2表示调整后的第2个节点的内底高程值，en表示调整后的第n个节点的内底高程值，l1-2表示起始节点为1、终止节点为2之间管段的长度，l2-3表示起始节点为2、终止节点为3之间管段的长度，ln-1-n表示起始节点为n-1、终止节点为n之间管段的长度，smin为正常坡度的区间范围[smin,smax]的下限，smax为正常坡度的区间范围[smin,smax]的上限，为第1个节点的地面高程，为第2个节点的地面高程，为第n个节点的地面高程，deep为工程设计规范规定的检查井最小深度，表示反常节点集j以外节点的调整后的内底高程值，表示反常节点集j以外节点的初始的内底高程值。

s52、使用浮点数编码方式对各节点的内底高程变量进行编码，编码长度为n，与变量个数相同；

s53、n个指定范围内的浮点数排列成为一个个体，随机产生若干个个体作为初始种群；

s54、计算初始种群每个个体的适应度函数值fi，计算每个个体被选择进入下一代种群的概率pi；个体选择过程中，每次按照轮盘赌选择机制选取两个个体，其中适应度高的进入下一代种群；

这里的fi具体表示初始种群中第i个个体的适应度函数值；pi表示第i个个体被选择进入下一代种群的概率；

s55、对于选择运算产生的新种群，随机对新种群个体两两配对，计算各配对的交叉概率pc，根据交叉概率对配对的两个个体进行非均匀算术交叉；其中，交叉概率pc随个体适应度动态变化：

s56、根据变异概率pm对交叉操作后的种群个体进行基本位变异操作；其中，变异概率pm随个体适应度动态变化：

s57、变异操作后得到子代种群，计算子代种群各个体的适应度函数值，输出适应度最高的个体，即最优适应度个体；将该最优适应度个体与父代种群的最优适应度个体进行对比，以两个个体的欧氏距离是否小于允许残差作为种群进化的收敛条件；

s58、若满足收敛条件，则最优适应度个体即为最优个体，个体基因值即为最优的管网节点内底高程值即调整后的管网节点内底高程值；若不满足收敛条件，则返回s54，继续进行子代种群的选择、交叉和变异操作，直到后代种群满足收敛条件为止；

或者，设置种群最大进化代数，当达到最大进化代数时停止计算，输出最优适应度个体作为最优个体。

优选地，所述s54中的

优选地，所述s55中

fmax、favg分别表示选择运算产生新种群的最大适应度和平均适应度，k1、k2为常数，k1<k2。

优选地，所述s55中，设定两个个体待交叉的基因为x、y，交叉后形成的新基因为x'、y'：

式中，α为(0,r)范围内符合均匀概率分布的一个随机数，0<r≤1，r随进化代数变化。

优选地，所述s56中

f’max、f’avg分别表示交叉运算产生新种群的最大适应度和平均适应度，k3、k4为常数，k3<k4。

优选地，所述s56中，设定个体中待变异的基因为z，变异后的新基因z'为：

z'＝z+(r-l)·γ

γ为[0,1]范围内符合均匀概率分布的一个随机数，l和r分别为对应基因取值范围的左边界和右边界，l≤z≤r，l和r根据所述适应度函数的约束条件分别求取。

优选地，所述s57中两个个体的欧氏距离为：

分别为父代种群和子代种群的最优适应度个体，ε为设定的允许残差，x1ⁱ表示第i代子代种群中最优适应度个体xⁱ的第1个基因，xnⁱ表示第i代子代种群中最优适应度个体xⁱ的第n个基因，xnⁱ⁺¹表示第i+1代子代种群中最优适应度个体xⁱ⁺¹的第n个基因。

本发明的优点在于：本发明对于一条可明确判断流向的管网路径，首先计算所有管段的坡度，然后通过箱线图算法自动识别反常管段坡度数据，以及反常管段对应的起始、终止节点，最后通过建立适应度函数和约束条件，对反常管段中异常管段的异常节点内底高程进行自动修改和优化。这种排水管网拓扑的智能检查方法，实现管网异常节点内底高程的自动识别、自动修改和优化，方便、快速、高效和准确。

附图说明

图1为本发明实施例1中管网拓扑关系检查、修复的方法流程图；

图2为本发明实施例1中调整所述反常节点集中异常节点的初始内底高程值的流程图；

图3为本发明实施例2中排水管网拓扑结构示意图；

其中，图中箭头表示流向。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

一种管网拓扑关系检查、修复的方法，包括以下步骤：

s1、在待检查管网中选取一条已知流向的管网路径，按照流向的前后顺序，标记n个节点，测得所述管网的所有节点的初始内底高程值，保证起始位置节点的初始内底高程值准确；

s2、相邻节点之间的管道形成一条管段，沿所述管网路径的流动方向依次遍历所有管段，计算每一段管段的坡度，得到管段的坡度数据；

所述s2中的管段的坡度数据采用以下模型得到：

其中，i为所述管网路径的第i个节点，共n个节点，i＝1为所述管网路径从上游算起的起始位置的节点，li,i+1表示起始节点为i、终止节点为i+1之间管段的长度，表示第i节点的初始内底高程值，下表i表示第i个节点，上标0表示初始值，表示第i+1节点的初始内底高程值。

s3、检查所述坡度数据是否存在负值；去除负值数据，以剩余非负值的坡度数据组成数据集，对所述数据集进行统计分析，识别其中的异常坡度数据，统计正常坡度数据，获得正常坡度的区间范围[smin,smax]；

所述s3中采用以下方式实现对所述数据集进行统计分析；

s31、以剩余非负值的坡度数据组成数据集，并将数据集元素按照降序排列；

s32、计算降序排列的数据集中所有非负值的坡度数据的第一四分位数q1＝min{[1+(k-1)·0.25]，(k+1)·0.25}；

计算降序排列的数据集中所有非负值的坡度数据的第三四分位数q3＝max{[1+(k-1)·0.75]，(k+1)·0.75}；

计算四分位距iqr＝q3-q1；

k为所有非负值的坡度数据的个数；

s33、计算异常值截断点(q3+1.5iqr)和(q1-1.5iqr)，非负值的坡度数据中大于(q3+1.5iqr)或小于(q1-1.5iqr)的非负值的坡度数据即为异常坡度数据。

s4、识别坡度数据为负值坡度以及异常坡度数据所对应的管段的起、止节点，形成反常节点集j；

s5、调整所述反常节点集中异常节点的初始内底高程值，具有异常内底高程的异常节点存在于反常节点集中。

采用以下方式调整所述反常节点集中异常节点的内底高程值；

s51、以所述管网路径上的所有节点的内底高程值为待优化变量，根据所有节点的初始内底高程值构建目标函数，并将目标函数倒数作为适应度函数；

构建目标函数为：

构建适应度函数为：

ei为调整后的第i节点的内底高程值；

将以下条件作为适应度函数的约束条件：

(a)由调节后的节点的内底高程值计算得到的管段的坡度数据在正常坡度的区间范围内：

(b)调节后的节点的内底高程值在地面以下设定深度：

为第i个节点的地面高程，deep为工程设计规范规定的检查井最小深度；

(c)具有正常初始内底高程值的节点，其内底高程值不需要修改，直接取其初始内底高程值：

设定反常节点集为集合j，其他节点则为具有正常内底高程值的正常节点；

将上述约束条件分别转换为矩阵形式为：

式中，e1表示调整后的第1个节点的内底高程值，e2表示调整后的第2个节点的内底高程值，en表示调整后的第n个节点的内底高程值，l1-2表示起始节点为1、终止节点为2之间管段的长度，l2-3表示起始节点为2、终止节点为3之间管段的长度，ln-1-n表示起始节点为n-1、终止节点为n之间管段的长度，smin为正常坡度的区间范围[smin,smax]的下限，smax为正常坡度的区间范围[smin,smax]的上限，为第1个节点的地面高程，为第2个节点的地面高程，为第n个节点的地面高程，deep为工程设计规范规定的检查井最小深度，表示反常节点集j以外节点的调整后的内底高程值，表示反常节点集j以外节点的初始的内底高程值。

s52、使用浮点数编码方式对各节点的内底高程变量进行编码，编码长度为n，与变量个数相同；

s53、n个指定范围内的浮点数排列成为一个个体，随机产生若干个个体作为初始种群；

s54、计算初始种群每个个体的适应度函数值fi，计算每个个体被选择进入下一代种群的概率pi；个体选择过程中，每次按照轮盘赌选择机制选取两个个体，其中适应度高的进入下一代种群；

s55、对于选择运算产生的新种群，随机对新种群个体两两配对，计算各配对的交叉概率pc，根据交叉概率对配对的两个个体进行非均匀算术交叉；其中，交叉概率pc随个体适应度动态变化：

设定两个个体待交叉的基因为x、y，交叉后形成的新基因为x'、y'：

式中，α为(0,r)范围内符合均匀概率分布的一个随机数，0<r≤1，r随进化代数变化；

s56、根据变异概率pm对交叉操作后的种群个体进行基本位变异操作；其中，变异概率pm随个体适应度动态变化：

s57、变异操作后得到子代种群，计算子代种群各个体的适应度函数值，输出适应度最高的个体，即最优适应度个体；将该最优适应度个体与父代种群的最优适应度个体进行对比，以两个个体的欧氏距离是否小于允许残差作为种群进化的收敛条件；

s58、若满足收敛条件，则最优适应度个体即为最优个体，个体基因值即为最优的管网节点内底高程值；若不满足收敛条件，则返回s54，继续进行子代种群的选择、交叉和变异操作，直到后代种群满足收敛条件为止；

或者，设置种群最大进化代数，当达到最大进化代数时停止计算，输出最优适应度个体作为最优个体。

所述s54中的

所述s55中

fmax、favg分别表示选择运算产生新种群的最大适应度和平均适应度，k1、k2为常数，k1<k2。

f’max、f’avg分别表示交叉运算产生新种群的最大适应度和平均适应度，k3、k4为常数，k3<k4。

所述s56中，设定个体中待变异的基因为z，变异后的新基因z'为：

z'＝z+(r-l)·γ

γ为[0,1]范围内符合均匀概率分布的一个随机数，l和r分别为对应基因取值范围的左边界和右边界，l≤z≤r，l和r根据所述适应度函数的约束条件分别求取。

优选地，所述s57中两个个体的欧氏距离为：

分别为父代种群和子代种群的最优适应度个体，ε为设定的允许残差，x1ⁱ表示第i代子代种群中最优适应度个体xⁱ的第1个基因，xnⁱ表示第i代子代种群中最优适应度个体xⁱ的第n个基因，xnⁱ⁺¹表示第i+1代子代种群中最优适应度个体xⁱ⁺¹的第n个基因。

实施例2

本实施例公开采用上述实施例的管网拓扑关系检查、修复的方法对排水管网拓扑关系检查、修复的方法。

如图3所示，为排水管网的拓扑结构，其中“mh”前缀的标号表示检查井节点，“o”前缀的标号表示出水口节点，“co”前缀的标号表示管段。根据管网出水口位置、城市地形高程和水系特征，可以确定确定管网的水流方向，如图中箭头所示。表1为检查井和出水口节点的相关参数，表2为各管段的参数。已知管网上游起始节点mh-1、mh-13、mh-19和mh-25的内底高程值为准确值，现利用上述排水管网拓扑智能检查方法查找并修改异常节点内底高程。

表1节点参数

表2管段参数

如图3所示，分别选取管网路径ⅰ(mh-1_mh-2_mh-3_…_mh-12_o-1)、路径ⅱ(mh-13_mh-14_…_mh-4_…_mh-7)、路径ⅲ(mh-19_mh-20_…_mh-7_…_mh-10)和路径ⅳ(mh-25_mh-26_…_mh-10_…_o-1)进行检查，表3所示为节点内底高程自动检查和修改结果。

表3节点检查结果

综上所述，本发明对于一条可明确判断流向的管网路径，首先计算所有管段的坡度，然后通过箱线图算法自动识别反常管段坡度数据，以及反常管段对应的起始、终止节点，最后通过建立适应度函数和约束条件，利用遗传算法对反常管段中异常管段的异常节点内底高程进行自动修改和优化。这种排水管网拓扑的智能检查方法，实现管网异常节点内底高程的自动识别、自动修改和优化，方便、快速、高效和准确。

需要说明的是，在本文中，若存在第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。