文章解读 | 清华大学董欣团队：机理和数据混合驱动的排水系统控制模型构建方法

机理和数据混合驱动的排水系统控制模型构建方法

王一茗 马振华 杨萌祺 董欣^* 曾思育

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01 摘 要

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针对城市排水系统的优化控制,提出一种机理和数据混合驱动的控制模型构建方法。该方法根据与控制目标的相关程度划分排水系统,并利用长短时记忆神经网络模型和圣维南方程刻画不同分区,可为系统的模型预测控制提供工具支撑。为验证方法的有效性,选取A市某污水处理厂服务片区为研究对象,运用所提出方法,基于机理模型构建简化控制模型,并在实际降雨下将该模型与水库模型和纯数据驱动模型进行对比。结果表明:所构建的控制模型在2个溢流口的模拟准确性相对水库模型提升了3.85%和22.86%,相对纯数据驱动模型提升了5.66%和3.57% ( 以均方根误差的均值计);模拟效率较机理模型提高了98.7%。该控制模型构建方法可在一定程度上平衡模拟准确性和模拟效率的矛盾,从而可更好地支撑城市排水系统的优化运行。研究结果可为实施排水系统实时控制提供参考。

关键词:溢流污染；排水系统；模型预测控制；控制模型；模型简化

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02 视频讲解

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03 亮 点

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融合数据驱动方法与领域机理知识，提出面向控制的城市排水系统简化模型构建方法。

提出基于管道合并、管道削减和等效替代的机理模型简化方式，进一步提升模型模拟效率。

案例测试结果表明简化模型在模拟效率与准确性上具有比较优势，可支撑排水系统联动优化控制。

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04 研究内容

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1. 融合数据驱动方法与领域机理知识，提出面向控制的城市排水系统简化模型构建方法

所建立的机理和数据混合驱动的排水系统控制模型构建方法包括3个步骤:排水系统分区,基于数据驱动的上游片区建模和基于机理驱动的核心片区建模。

排水系统分区的主要任务是根据与控制目标的相关程度,将系统划分为上游片区和核心片区。上游片区是指与控制目标关联不紧密的区域,核心片区是与控制目标关系密切的区域。

上游片区对于控制目标的影响较小,因此,对其采用数据驱动的方法进行建模,以实现快速模拟的目标。本研究采用长短时记忆( long short-term memory ,LSTM)神经网络对每一个独立的上游片区进行模拟。核心片区包括控制设施、溢流口、泵站、污水处理厂和连接不同上游片区的管网,是影响系统控制目标的关键,因此,本研究采用圣维南方程对其进行建模,以保证准确刻画核心片区的水文水力过程。

2. 案例研究

1）案例区域介绍。

案例区域为城市A 某污水处理厂服务片区 ,面积17.85 km²,平均年降雨量约为1000 mm。该片区的排水系统为混流排水系统,合流制区域面积占比37.5% ,建有154.55 km污水管网;61.73 km雨水管网;3座调蓄池,,其调蓄容积依次为0.7万,1.9万，0.7 万m³; 1座污水处理厂,规模为12 万m³/d。该区域雨季易发生合流制溢流。

2）案例区域混合驱动的控制模型构建。

案例区域被划分为1个核心片区和4个上游片区。每个上游片区的数据驱动模型由3个LSTM隐藏层和1个Dense层构成。

通过管道的合并、删减和等效替代等操作,对核心片区的管网系统进行简化。对于简化后的核心片区,采用SWMM模型进行机理建模,并使用2019年8月8日降雨进行参数率定,使用2018年6月8日降雨进行验证。

3）模型与评估指标比较。

同时构建案例区域的非线性水库模型和基于LSTM 神经网络的纯数据驱动模型以作为对照。

从模拟准确性和模拟效率2个维度比较评估不同控制模型的性能。其中,模拟准确性采用均方根误差( RMSE)和纳什系数(NSE)量化,NSE越大,RMSE越小,模拟准确性越高。模拟效率则采用模型模拟降雨开始后3d所需的时间(Time)量化,Time越小,模拟效率越高。

4）比较评估结果。

选取2018—2020年19场发生溢流的降雨对上述3个模型进行评估。

分别利用混合模型、水库模型和纯数据驱动模型模拟19场降雨下案例区域的溢流情况,模拟时域为降雨发生至其后的3d ,模拟时间步长为5 min。

利用评估指标量化各模型的性能并进一步考察雨量对各模型性能的影响。

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05 结 论

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本研究提出一种面向控制的城市排水系统简化模型构建方法,可在一定程度上平衡模型模拟准确性和模拟效率的矛盾,从而可更好地支撑城市排水系统的优化运行，案例区域的研究结果表明，构建的简化模型模拟效率较机理模型提高98.7%，模拟准确性提升3.57%-22.86%，可在有限计算资源的约束下，支持排水系统进行联动优化控制。

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06 作者简介

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关于期刊

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《环境工程》创刊于1982年，是国内外公开发行的国家级环境科学类期刊，由中冶建筑研究总院有限公司主办、工业建筑杂志社有限公司出版发行。本刊主编由中国工程院院士、美国国家工程院外籍院士、中国科学院生态环境研究中心研究员、清华大学教授曲久辉担任。报导内容涵盖水污染防治、大气污染控制、有机固废生物处理与资源化、过程工程环境污染控制与资源化、环境生态工程、海绵城市建设规划与实践、碳减排技术路径研究与实践等。本刊已入选北大中文核心期刊要目总览、中国科学引文数据库(CSCD)来源期刊（核心库）、RCCSE中国核心学术期刊、ISTIC中国科技核心期刊、环境科学领域高质量科技期刊分级目录T2级、世界期刊影响力指数(WJCI)报告等。在科学技术迅猛发展和全球变化的大背景下，《环境工程》既要关注解决环境治理工程难题的最新科技进展，也必须突破以末端治理为主要目标的学科局限，深刻认识制约我国社会经济发展的重大环境工程问题，深入思考环境工程科技发展的未来与方向，深度融合相关学科的科技成果，报导更有学术高度和应用价值的综合性成果。

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