（水文学及水资源专业论文）流域水文预报模型知识管理.pdf

摘要 随着计算机的普及应用，流域水文预报模型的数量逐渐增多，模型的结构也越来越 复杂。因此，对流域水文预报模型进行知识管理目益成为人们所关注的课题。本文论述 了知识管理的研究现状，在学习、研究我国常见的各类流域水文预报模型基础上，对流 域水文预报模型知识管理展开研究。全文的主要研究内容和取得的成果概括如下： 针对复杂多样的流域水文预报模型建立了流域水文预报模型知识管理系统，给出 了系统的层次结构和详细的建模过程以及具体的实现方法，目标是为用户提供良好的模 型选择，通过可视化的窗口管理界面，向用户提出问题，选择模型；确定模型参数初值， 指导用户建立模型，并进而对选择模型和参数率定结果进行评价，帮助用户理解模型。 知识库用于存储以适当形式表示的知识，是知识管理的核心内容。本文详细介绍了 流域水文预报模型知识管理系统知识库的开发方法：给出了面向对象编程中类的定义， 从水文专家研制和选择预报模型时使用的知识和经验中，抽象概化出了一些系统自动选 择模型和参数初值设定的知识规则；说明了系统的推理机制。 利用v i s u a lb a s i c 面向对象的编程技术和其他计算机技术如大型数据库开发技术， 结合商业软件v i s u a lr u l es t u d i o ，成功地开发了流域水文预报模型知识管理软件系统， 并将其集成到现有的水库洪水调度系统中。 最后，概括总结本文的主要研究内容以及取得的成果，并对有待进一步研究的问题 进行了展望。 关键词：流域水文预报模型；知识管理；模型选择；参数初值：知识库；软件系统 a b s t r a c t w i t ht h e p o p u l a r i z a t i o n o fc o m p u t e rm o r ea n dm o r ew a t e r s h e dh y d r o l o g yf o r e c a s t m o d e l sa r ep r o p o s e d t h e r ei sa ni n c r e a s i n gd e m a n d t om a n a g ew a t e r s h e d h y d r o l o g yf o r e c a s t m o d e l si no r d e rt oa s s i s ts t u d y ，s e l e c t i o na n dp a r a m e t e ri n i t i a l i z a t i o n t h ef o c u so ft h i sp a p e r i s k n o w l e d g em a n a g e m e n to nw a t e r s h e dh y d r o l o g yf o r e c a s tm o d e l s t h em a i nr e s e a r c h c o n t e n t sa r ea sf o l l o w s ： k n o w l e d g em a n a g e m e n ts y s t e m 0 nw a t e r s h e d h y d r o l o g y f o r e c a s tm o d e l si st oh e l pu s e r s t os e l e c ta r ta p p r o p r i a t em o d e l ，i n i t i a l i z ep a r a m e t e r sa n dc o m p r e h e n dt h ep h y s i c sm e c h a n i s m o fm o d e l sa n dt h em e a n i n go fp a r a m e t e r sf a r t h e rb ye v a l u a t i n gt h es e l e c t e dm o d e la n d p a r a m e t e r s k n o w l e d g eb a s e ，w h i c h i su s e dt os t o r et h ek n o w l e d g e e x p r e s s e di np r o p e rf o r m s ，i st h e c e n t e ro f k n o w l e d g em a n a g e m e n t i n t h i sp a p e r , t h em e t h o do f d e v e l o p i n gk n o w l e d g e b a s ei s d e s c r i b e d t h ec l a s sd e f i n i t i o n sa n dk n o w l e d g er u l e sa r e d e l i n e a t e d a tt h es a m et i m e ， i n f e r e n c ee n g i n ei sg i v e n b yu s eo fv i s u a lr u l es t u d i o ，ah y b r i de x p e r ts y s t e ms h e l l 、a sa l la c t i v e xd e s i g n e r u n d e rm i c r o s o f tv i s u a lb a s i c6 0 ，as o f t w a r es y s t e mo fw a t e r s h e dh y d r o l o g yf o r e c a s tm o d e l s i sd e v e l o p e ds u c c e s s f u l l ya n di n t e g r a t e di n t or e s e r v o i rf l o o dc o n t r o ls y s t e m ， f i n a l l y , as u m m a r y i sg i v e na n ds o m e p r o b l e m s t ob e 如r t h e rs t u d i e da r ed i s c u s s e d k e y w o r d s ：w a t e r s h e d h y d r o l o g y f o r e c a s t m o d e l s ；k n o w l e d g em a n a g e m e n t ： s e l e c tm o d e hi n i t i a l i z ep a r a m e t e r s ；k n o w l e d g eb a s e ；s o f t w a r es y s t e m 大连理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 摘要论述了选题背号和研究意义，概述7 流域水又预报模型和 知识管理的研究进展及研究现状，阐述了研究的课题背景 最后筒要说明了本文的组织结构和主要内容 1 1 问题提出和研究意义 我国是洪水灾害严重的国家，洪涝灾害直接关系到国民经济可持续健康发展，水库 作为具有调节径流作用的枢纽工程，在防洪调度系统中具有非常重要的作用。水库不仅 要确保自身的安全，还要担负其他综合利用任务，水库调度任务十分艰巨而复杂。为改 变水库防洪调度手段落后的局面，使水库能够对实时雨水情作出迅速的反映，及早提出 预报和调度方案意见以供调度决策参考，国家防汛抗旱总指挥部办公室组织设计了“国 家防汛指挥系统工程”，水库洪水调度系统则是其中“决策支持系统”的重要组成部分， 是按照国家防汛抗旱总指挥部办公室制定的水库洪水调度系统设计与开发规则的统 一要求完成的。从1 9 9 8 年开始对第一批试点水库的洪水调度系统进行开发到现在，系 统已经广泛应用于全国的三批、总计一百多座大中型水库，其运行稳定，使用方便，效 果良好，在雨水情收集、洪水预报、调度决策等方面发挥着重要作用，有些水库已经产 生了巨大的经济效益和社会效益“。8 1 。对于每一批试点水库的洪水调度系统的功能，各 开发单位都做了进一步完善。目前，水库洪水调度系统的功能已基本齐全，有较强的实 用性与通用一| 生。但是，系统大多数都是以水库提供的产流、汇流模型为框架，因此仅为 适用单个水库的专用洪水调度系统，一旦水库的产流、汇流模型有变动，系统由于不具 有自动选择模型的功能，需要重新进行开发；另外，随着计算机的普及应用，流域水文 预报模型的数量逐渐增多，其构思各有千秋，模型的结构也越来越复杂。对于一直没有 合适预报方案的水库，在众多模型中选择一个能够基本反映流域径流形成特征的模型， 并不是一件很容易的工作，因而，水库洪水调度系统模型选择功能的开发显得非常重要。 流域水文预报模型的参数率定也是洪水预报中非常重要和困难的工作。针对这问 题，水库洪水调度系统增加了自动率定参数的功能，但参数率定的初值范围却是大致选 取的，为达到优选目的，一般采用个较大的区间范围，但这一方面会降低率定效率， 一方面会使产生局部最优的可能性增大。所以如何将参数控制在一个有效的、准确反映 一定的物理意义的范围内，必将是系统更新、改进的一个重要内容。另外系统增加预报 模型在线帮助功能，对于用户学习、使用模型以及新模型的研制开发都是非常有意义的。 奎堕墨三查兰堡主兰垡堡苎 流域水文预报模型的选择及参数的初值范围设定是水文预报专家根据对模型的认 识、评价和多年的预报经验，结合本流域的自然条件和水文资料特性等完成的。因此， 要实现自动选择流域水文预报模型和参数初值范围，需要将有关的模型知识和专家的经 验知识进行管理，以供系统选择使用。 本文的研究意义在于建立流域水文预报模型知识管理系统，实现流域水文预报模型 自动选择、参数率定的初值范围自动设定和提供模型在线帮助功能，并实现与原有水库 洪水调度系统的高度集成，将会进一步完善水库洪水调度系统的功能，进一步实现水库 洪水调度系统的智能化，使其用户界面更加友好，更能有效的辅助决策，同时为现有模 型的学习、使用和今后新的预报模型的研制带来很大方便。 1 2 流域水文预报模型的研究现状综述 流域水文预报模型是二十世纪5 0 年代发展起来的一种新技术，是一种概念性模型， 它以水文现象的物理概念为基础，对流域上发生的水文过程进行模拟，在计算机上实现 “。迄今为止。已有很多较著名的模型被提出并碍到广泛应用，如美国的斯坦福 ( s t a n f o r d ) 模型、日本的水箱( t a n k ) 模型以及中国的新安江模型( x a j ) 、太伙房模 型( d h f ) 等。随着电子计算机的普及应用，流域水文预报模型在解决水文实际问题与 进行水文规律研究上都起着显著的作用，其应用已经非常广泛。 流域水文预报模型包括两个基本部分： 1 水量平衡部分。这一部分主要处理降雨损失，即产流，它决定着径流 总量的大小。 2 流域调蓄部分。这部分决定着径流的时程分配，即汇流部分。它包括 坡面调蓄和河网调蓄，合起来称为流域调蓄9 1 。 现在国内外流域水文预报模型不仅数量十分庞大，构思也各有千秋。这是由于两方 面的原因造成的。第一，水文现象复杂多样，有浓厚的地区性。人们对它的认识还不够， 而且也不一致。模型是根据这些认识设计出来的，认识不同，设计的模型也就各异。第 二模型的发展史还比较短，经过大量实践检验的模型还不多，因此还很不成熟有的 问题还不能作出明确的结论，模型设计中包含很多模拟设想，多样的设想产生了多样的 模型1 。 水文现象的复杂多样是由于各地水文条件不同产生的。水文条件包括水文气候条 件、自然地理、人文活动等方面。依据气候条件划分，有湿润和半湿润地区，干旱和半 干旱地区；依据地理特征划分，有山区河流和平原河流：从人文活动考虑，有些流域受 人类活动影响较小，有些流域则受人类活动影响很大0 1 。 流域水文预报模型的千差万别，主要反映在模型处理产汇流问题的方式上。例如， 2 茎堑墨三查兰堡主兰垡笙苎一 斯坦福模型用超渗产流的概念处理产流问题；新安江模型用蓄满产流的概念处理产流问 题；萨克拉门托模型用综合蓄满产流和超渗产流的概念处理产流问题等。产流方式相同 的模型还有很大差别，比如，标准新安江模型为二水源模型，改进新安江模型为三水源 【9 】 o 大多数模型的使用都有适用条件，只有在类似于模型研制条件的地区应用，模型在 结构上才能反映流域径流形成的规律，才有可能保证模型的预报精度与一致性。例如， 新安江模型，不论是最初的二水源模型，还是改进的三水源，在计算时段总径流量r 时， 均采用蓄满产流模型计算，因此只适用于湿润和半湿润地区；在干旱和半干旱地区，由 于这些地区的降雨时空分布不均，流域下垫面条件复杂，局部产流现象普遍等特点，其 应用效果则不很理想。许多模型想设计成为通用的，如斯坦福模型，要求能适用于各种 水文条件，但据实际验证，在湿润地区可用，在干旱地区则不能用，因此改进为萨克拉 门托模型，虽情况有所改善，但是否能完全适应各种干旱条件，也还未有充分的验证 【l 1 6 】 流域水文预报模型是概念性模型，它所包含的许多参数都有明确的物理意义，都在 不同侧面反映流域的水文特性，因此，同一模型对于不同的流域，选用的参数有所不同。 目前，确定模型参数，即模型参数识别，一般先根据实测资料或经验给定个初值范围， 然后用数学寻优法进行参数率定。3 。常用的优化方法有线性规划法、非线性规划法、遗 传算法等。不论采用哪种优化方法率定模型参数，初值范围的选取都尤其重要。合理的 初值选取一方面会提高率定的效率，一方面将会降低因采用传统的最优化方法产生局部 最优问题的概率。参数初值的变化范围，有一定的区域性规律“”。 选择流域的水文预报模型和确定参数初值范围，要在了解本流域的特征情况、水文 资料特性等基础上，分析研究各类水文预报模型的物理机制、适用条件及主要参数的物 理意义等，不是项很容易的工作。一般由水文专家结合本流域特征和水文资料特性， 通过推理判断来进行。这一过程需要处理大量的确定性知识和经验，而这些知识和经验 是无法用数学模型来处理和利用的。在处理类似这些语言性知识和经验方面，知识管理、 人工智能、专家系统等技术提供了有效手段弦。 1 3 知识管理的研究现状综述 随着知识经济的到来，知识管理逐渐引起人们的关注。到目前为止，知识管理还没 有一个明确的、得到公认的定义。研究者大多从自己的研究角度，从不同的侧面来理解、 定义知识管理。简单地说，知识管理，就是以知识为核心的管理，它将独立的、分散的 知识集中起来并系统化。知识管理的目的是存储现有的知识，为现有知识的学习、运用 提供方便等。知识管理同时有益于知识的创新o ”。 查望里王查兰堡主兰垡笙兰 知识获取和知识表示等是实现知识管理的重要环节，在知识管理系统的建立过程 中，可以应用人工智能技术来帮助实现o ”。 专家系统是人工智能的一个应用分支，是一个具有大量专门知识与经验的程序系 统，它利用人工智能技术，根据一个或多个人类专家提供的特殊领域知识、经验进行推 理和判断，模拟人类专家做决策的过程来解决那些需要专家决定的复杂问题。它是人工 智能领域中发展最快、最为成熟的技术之一，许多专家系统已经走出实验室，广泛应用 于各个研究领域”“1 。专家系统实际上就是“基于知识的系统”或“知识系统”，由于 第一个专家系统通过采访人类专家获取知识而建立的，所以人们直沿用专家系统这一 术语。 专家系统是一个具有大量专门知识与经验的程序，与传统的计算机程序有很大不 同。传统程序的设计方法是数据加算法，而专家系统的设计方法是知识加推理，因此专 家系统可以处理和利用语言性知识和经验，这是传统程序所无法实现的。 专家系统的基本结构如图卜1 ： 勰师广 广 数据奉r r _ m ” h 竺竖h 兰竺辱用户 领域专家 4 8 图卜l 专家系统的基本结构 一个结构完整的专家系统通常由知识库、上下文( 或称综合数据库) 、推理机、知 识自动获取、解释系统和专用人机接口六个部分组成。其中知识库、上下文和推理机是 目前大多数专家系统的主要内容，而其他三部分，简单的专家系统不一定具备。”。 1 3 1 知识库 知识库用于存储以适当形式表示的专家知识，是专家系统一个重要组成部分。为了 能象人类专家那样解决问题，专家系统必须获取足够的专家知识。知识库所包含知识的 数量和质量决定了专家系统的性能水平。 1 3 。1 。1 知识的表现形式 知识的表现形式主要有两种，一种是以文字形式收录在教科书、参考书或刊登、发 表在期刊文献中：一种是专家的经验等知识，它们很难被清楚地表达出来，因而成为专 家的个性知识，不易被传播和利用，所以知识的获取始终是专家系统的瓶颈部分。 1 3 ，1 2 知识的获取 知识的获取方式主要有两种，一种是人工收集，另一种是系统通过自学自动获取知 大连理工大学硕士学位论文 识，这种方式尚处于探索阶段。耳前，知识的获取主要通过人工收集的方式实现，即 由开发者向有关专家咨询或从教科书、资料库等途径获取专家知识。 1 3 1 3 知识表示 为使专家系统能充分利用获取的专家知识，必须将知识编排成数据结构存入计算机 中而形成知识库，知识编排的过程称为知识表达。知识表示的方法有语义网络表示法、 框架表示法、过程表示法、产生式表示法等，其中产生式表示法是使用最普遍的方法， 它使用规则来表示知识。一个理想的知识表达，应当能精确表达人类专家的思维和充分 利用人类专家的经验知识，应当能有效地通过计算机实现。不论哪种知识表示方法，都 应做到清晰、明确、易懂：还要便于修改和扩充知识，为实现这一要求，建造专家系统 时，应把知识与使用知识的程序相分离，即把知识库与推理机相分离。 1 。3 2 上下文( 综合数据库) 上下文由求解问题所关心的一些基本事实和问题求解过程中产生的中间信息组成。 它包括问题描述、中间结果、解题过程的临时记录等信息。 1 3 3 推理机 人类专家能够高效率求解复杂问题的能力，除了因为拥有大量的专i i n 识外，还体 现在他们选择知识和运用知识的能力方面，即推理能力。因此推理机是专家系统开发必 不可少的另一核心内容。它采用一定的控制策略，对求解过程进行控制。一个控制策略 由两部分组成：推理方法和搜索策略。推理机的设计与实现一般与知识的表示方法与组 织结构有关。为了避免知识的变更引起推理机的修改，其实现应与知识的具体内容无关。 1 3 3 1 推理方法 推理方法中常用的一种是逻辑推理，逻辑推理按其推理方式不同又分为正向推理 ( f o r w a r dr e a s o n i n g ) 、反向推理( b a c k w a r dr e a s o n i n g ) $ h 混合推理( m i x e dr e a s o n i n g ) 1 正向推理 正向推理是按由数据推出结论的方向进行推理。其典型过程是从初始数据集合d 出 发，找出一些条件部分满足d 的知识k ，知识k 的应用又可以把d 改变成d 。，d 又使另 一些知识k 。可以应用，由此又可以得到改变的数据集合吼，以此往复直到得出结论。 正向推理的基本步骤如图卜2 所示： 大连理工大学硕士学位论文 图1 2 正向推理的基本步骤 正向推理的主要优点在于它能充分利用用户提供的信息，一旦某一数据加入到数据 集合d 中，它就可以用于推理。因此正向推理系统可以快速响应用户输入的信息。其主 要缺点是存在“盲目推理”的倾向，当系统中知识数量很多时，这些盲目推理所造成的 浪费是惊人的。 2 反向推理 反向推理与正向推理的方法正好相反，它是由目标出发，为验证目标去寻找有用 的证据。与正向推理相比，反向推理显得更有目的性。但是，反向推理不能充分利用用 户已知的信息。 3 混合推理 混合推理可以综合正向推理与反向推理两者的优点，它既能充分利用己知的信息， 又能有目的地进行推理。这种推理方法也是入类处理问题时常用的推理方法。 混合推理可以看成是“正向推理一反向推理”的循环。 1 3 3 2 搜索策略 搜索策略是设计推理机时需要考虑的重要问题，其适当与否决定着系统的推理速 度。搜索策略包括无知识搜索、有知识搜索和利用元知识进行搜索。无知识搜索是不依 赖于任何应用领域的搜索方法，具有较大的通用性，是设计推理机时常采用的搜索策略 ( 尤其是设计专家系统外壳的推理机) 。 1 深度优先搜索 6 大连理工大学硕士学位论文 深度优先搜索( d e p t h f i r s ts e a r c h ) 是按照深度越大优先级越高的原则搜索目标。 当最深层中有多个结点时，它选择最近生成的结点优先搜索。 2 宽度优先搜索 宽度优先搜索( w i d t h f i r s ts e a r c h ) 与深度优先搜索策略正好相反，它按照深度 越小优先级越高的原则搜索目标。当最低层中不止一个结点时，它选择最先生成的结点 进行搜索。 1 3 4 专家系统开发工具 专家系统的开发一般有两种方法：一是利用专门的专家系统开发工具( 专家系 统外壳) ，如g u r u 、i n s i g h t 等，利用这类工具可以比较容易建立知识库和推理机 等，但这种方法难以有效地表达和利用知识，系统的可重用性与维护性较差，同时 难与其他软件高度集成：二是利用高级编程语言，如v i s u a lc + + 、v i s u a lb a s i c 等， 此方法支持面向对象技术，软件界面美观、友好，具有较好的可重用性与嵌入性， 但知识库和推理机的建立相对困难”。 至今几十年的时间里，专家系统技术和应用都得到飞跃发展。世界各国已经在 医疗诊断、化学工程、语音识别图象处理、金融决策、信号解释等领域研制了大量 的专家系统，不少专家系统声称在性能上已达到甚至超过了同领域中人类专家水平， 其应用已开始产生巨大的经济效益。但这些都是大型专家系统，其开发较困难，而 且周期较长。随着专家系统技术的逐渐成熟，产生了一些开发专家系统的专门工具， 如i n s i g h t 、g u r u 等，并且九十年代以来，面向对象高级语言发展成为主流的程 序设计语言，如v c 、vc + + 、v b 等，其基本思路是按人类通常的思维模式建立应 用软件的开发模型，因此非常接近人类的思维活动，很受软件开发人员的喜爱，这 为非计算机专业人员开发小型实用专家系统提供了极大的方便，同时进一步扩大了 专家系统的应用范围1 4 7 1 。 1 4 本文研究的主要内容 1 4 1 全文的组织结构 全文分为5 章：第1 章和第5 章分别是论文的绪论、总结与展望。第2 章是全文 的一个核心部分。即流域水文预报模型知识管理系统建模。第3 章是流域水文预 报模型知识管理系统开发。第4 章是第2 章和第3 章内容的软件实现。全文的组织 结构框图如图1 3 所示： 大连理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 土 第2 章系统建模 上 第3 章系统开发 土 第4 章软件集成 上 第5 章总结与展望 图1 3 全文的组织结构框图 1 4 2 本文研究的主要内容 第1 章一绪论论述了选题背景和研究意义，概述了流域水文预报模型和知识 管理的研究进展及研究现状，阐述了研究的课题背景。最后简要说明了本文的组 织结构和主要内容。 第2 章一流域水文预报模型知识管理系统建模流域水文预报模型数量很多，结 构复杂多样，对其进行知识管理是一项非常有意义的工作，也是水库洪水调度系统需要 完善的功能之一。本文建立了流域水文预报模型知识管理系统，给出了系统的层次结构 和详细的建模过程以及具体的实现方法，目标是为用户提供良好的模型选择，通过可视 化的窗口管理界面，向用户提出问题，选择模型；确定模型参数初值，指导用户建立模 型，并进而对选择模型和参数率定结果进行评价，帮助用户理解模型。 第3 章一流域水文预报模型知识管理系统开发本文详细介绍了流域水文预报 模型知识管理系统知识库的开发方法；为了方便知识表示，在对各类流域水文预报模型 学习、研究的基础上，将模型特征概括为六项内容，结合第2 章概括的影响径流模拟计 算的流域自然条件和特征，给出了面向对象编程中类的定义，抽象概括出了系统自动选 择模型和参数初值设定的知识规则，说明了系统的推理机制。 第4 章一流域水文预报模型知识管理系统软件实现论述了流域水文预报模 r 大连理工大学硕士学位论文 型知识管理系统的组织结构，详细阐述了系统各个模块之间的关系及集成方法， 给出了管理系统的具体实现和主要界面设计。 第5 章一总结与展望概括总结了本文的主要研究内容以及取得的成果，并对 有待进一步研究的问题进行了展望。 太连理工大学硕士学位论文 参考文献 【1 国家防汛抗旱总指挥部水库洪水调度系统设计与开发规则，1 9 9 9 年8 月 【2 水库防洪预报调度方法及应用大连理工大学，国家防汛抗旱指挥部办公室中国水利 水电出版社，】9 9 6 【3 程春田基于p o w e r b u i l d e r 的流域洪水预报系统的应用研究大连理工大学学报， 1 9 9 9 0 1 3 9 ( 1 ) 4 】程春田，欧春平流域防洪决策支持系统集成管理大连理工大学学报、2 0 0 1 4 1 ( 1 ) ，1 0 8 1 1 1 【5 】郭生练，彭辉，王金星等水库洪水调度系统设计与开发水文，2 0 0 1 ( 3 ) 【6 刘殿武，李成林，王靖峰察尔森水库洪水调度系统在防洪调度中的作用东北水利水 电，2 0 0 0 ( 7 ) 【7 王金星，郭生练，张洪刚等湖南省大型水库洪水调度系统软件研制与开发计算机管理与 应用2 0 0 i ( 5 ) ， 【8 】程春田，欧春平，王本德水库洪水调度系统的集成管理水利学报，2 0 0 1 0 3 【9 袁作新主编流域水文模型。水利电力出版牡，1 9 9 0 0 3 i 0 赵人俊流域水文模拟北京：北京水利水电出版社，1 9 8 4 【1 1 文集编辑整理工作小组赵入俊水文预报文集水利水电出版社，1 9 9 4 0 5 1 2 】长江水利委员会主编水文预报方法冰利水电出版社，1 9 9 3 0 6 【1 3 】李琪全国水文预报技术竞赛流域水文模型分析水科学进展，1 9 9 8 0 6 【1 4 张国祥常用流域水文模型若干问题探讨水科学进展，1 9 9 4 0 9 1 5 芮孝芳流域水文模型研究中的若干问题水科学进展，1 9 9 7 0 3 【1 6 】t h ex i n a n j i a n gm o d e la p p l i e di nc h i n a j o u r n a lo f h y d r o l o g y ，1 3 5 ( 1 9 9 2 ) ：3 7 1 3 8 1 【1 7 】谭炳卿，金光炎，水文模型与参数识别中国科学技术出版社，1 9 9 8 1 2 ， 【1 8 】陈祖铭，任守贤蔟型参数确定与计算实例一森林流域水文模型研究之三四川水力发 电1 9 9 4 0 9 【1 9 】h m a d s e n a u t o m a t i cc a l i b r a t i o no f ac o n c e p t u a lr a i n f a l l r u n o f f m o d e lu s i n g m u l t i p l e o b j e c t i v e s j o u r n a lo f h y d r o l o g y ，2 3 5 ( 2 0 0 0 ) ：2 7 6 2 8 8 大连理工大学硕士学位论文 【2 0 】p a t r i c eo g o uy a p o ，h o s h i nv i j a ig u p t a ，s o r o o s hs o r o o s h i a n m u l t i o b j e c t i v eg l o b a l o p t i m i z a t i o nf o rh y d r o l o g i cm o d e l s j o u r n a lo f h y d r o l o g y ，2 0 4 ( 1 9 9 8 ) ：8 3 - 9 7 【21 q i n g y u nd u a n ，s o r o o s hs o r o o s h i a na n dv i j a ig u p t ao p t i m a lu s eo ft h es c e - u ag l o b a l o p t i m i z a t i o nm e t h o df o rc a l i b r a t i n gw a t e r s h e dm o d e l s 如u r n a lo f h y d r o l o g y ，15 8 ( 1 9 9 4 ) ： 2 6 5 - 2 8 4 2 2 】p a o - s h a hy u ，t a o - c h a n gy a n g f u z z ym u l t i - o b j e c t i v ef u n c t i o nf o rr a i n f a l l - r u n o f fm o d e l c a l i b r a t i o n j o u r n a lo f h y d r o l o g y 2 3 8 ( 2 0 0 0 ) ：1 - 1 4 2 3 】as t e i n ，w j z a a d n o o r d i j k i m p r o v e dp a r a m e t e re s t i m a t i o nf o rh y d r o l o g i c a lm o d e l su s i n g w e i g h t e do b j e e tf u n c t i o n s h y d r o l o g i c a l p r o c e s s e s ，1 3 ( 1 9 9 9 ) ：1 3 1 5 - 1 3 2 8 2 4 】g e o r g ek u o z e r a ，e f f i c i e n ts u b s p a c ep r o b a b i t i s t i cp a r a m e t e ro p t i m i z a t i o nf o rc a t c h m e n t m o d e l s w a t e rr e s o u r c e sr e s e a r c h ，3 3 ( 1 9 9 7 ) ：1 7 7 - 18 5 2 5 q i n g y u nd u a n ，s o r o o s hs o r o o s h i a na n dv i j a ig u p t a e f f e c t i v ea n de f f i c i e n tg l o b a l o p t i m i z a t i o nf o rc o n c e p t u a lr a i n f a l l - r u n o f f m o d e l s w a t e rr e s o u r c e sr e s e a r c h ，2 8 ( 1 9 9 2 ) ： 1 0 15 ，1 0 3 1 【2 6 q j w a n g t h eg e n e t i ca l g o r i t h ma n di t sa p p l i c a t i o nt oc a l i b r a t i n gc o n c e p t u a lr a i n f a l l 一 【2 7 【2 8 2 9 3 3 【3 【3 4 】 5 】 6 r u n o f f m o d e l s w a t e rr e s o u r c e sr e s e a r c h ，2 7 ( 1 9 9 1 ) ：2 4 6 7 2 4 7 1 董聪，郭晓华面向2 1 世纪的计算智能研究与思考计算机科学，2 0 0 0 赵瑞清，王晖，邱涤红编著知识表示与推理气象出版社，1 9 9 i 1 0 李士勇编著模糊控制、神经网络和智能控制论哈尔滨：哈尔滨工业大学 出版社1 9 9 8 0 9 王方华等著知识管理论山西经济出版社1 9 9 9 1 1 张福学著知识管理导论吉林人民出版社2 0 0 1 0 9 史忠植编著知识工程清华大学出版社1 9 8 8 0 3 j l i e b o w i t z k n o w l e d g em a n a g e m e n t a n di t sl i n kt oa r t i f i c i a li n t e l l i g e n c e e x p e r ts y s t e mw i t ha p p l i c a t i o n ，2 0 ( 2 0 01 ) ：】- 6 黄可鸣编著专家系统东南大学出版社1 9 9 1 0 4 林尧瑞等编著专家系统原理与实践清华大学出版社，1 9 8 8 0 4 马玉祥，武波，周国栋审专家系统电子科技大学出版社，1 9 9 41 2 1 1 大连理工大学硕士学位论文 【3 7 】金科学，童光煦知识系统在矿业中的应用与发展包头钢铁学院学报，1 9 9 4 0 9 3 8 程瑞琪用c + + 开发专家系统的一种新方法，j 、型微型计算机系统，1 9 9 9 0 3 【3 9 】许丽华，吴学礼用v c 建造混凝土抗冻专家系统计算机系统应用，2 0 0 1 0 4 【4 0 】张文星，纪有奎人工智能语言p r o l o g 专家系统原理与设计武汉测绘科技大学出 版社，1 9 8 9 4 1 】翁文斌，罗强。王喜喜汾河防洪专家系统的设计与应用水科学进展，1 9 9 6 0 3 4 2 】高军伟，李炜，陈希平模糊专家系统在水轮发电机组故障诊断中的应用甘肃工业大学 学报，2 0 0 0 0 1 4 3 】吴捷，陈巍，刘永强现代控制技术在电力系统控制中的应用( 二) 中国电机工程学报， 1 9 9 8 1 l 【4 4 k wc h a u ，c c h u n t i a n ，c w l i k n o w l e d g em a n a g e m e n ts y s t e mo nf l o wa n dw a t e r q u a l i t ym o d e l i n g e x p e r ts y s t e mw i t ha p p l i c a t i o n 5 ( 2 0 0 2 ) ：1 - 1 0 4 5 】k wc h a u ，w c h e n a ne x a m p l eo fe x p e r ts y s t e mo nn u m e r i c a lm o d e l l i n gs y s t e mi n c o a s t a lp r o c e s s e s a d v a n c e si ne n g i n e e r i n gs o f t w a r e ，3 2 ( 2 0 0 1 ) ：6 9 5 7 0 3 4 6 】j h m t a b ，v c a r r k n o w l e d g e b a s e da p p r o a c ht o - c o n s t r u c t i o np r o j e c tr i s km a n a g e m e n t j o u r n a lo f c o m p u t i n gi nc i v i le n g i n e e r i n g ，2 0 0 1 ( 7 ) ：1 7 0 1 7 7 4 7 】s y l l o n g ，m e m b e r ，a s c e ，w t c h a n ，l h l u m k n o w l e d g e b a s e ds y s t e mf o rs w m m r u n o f f c o m p o n e n tc a l i b r a t i o n j o u r n a lo f w a t e rr e s o u r c e sp l a n n i n ga n d m a n a g e m e n t ， l1 7 ( 1 9 9 1 ) 2 大连理工大学硕士学位论文 第2 章流域水文预报模型知识管理系统建模 摘要流域水文预报模型数量很多，结构复杂多样，对其进行知识管理是一项 非常有意义的工作，也是水库洪水调度系统需要完善的功能之一。本文 建立了流域水文预报模型知识管理系统，给出了系统的层次结构和详细 的建模过程以及具体的实现方法，目标是为用户提供良好的模型选择， 通过可视匕的窗口管理界面，向用户提出问题，选择模型；确定模型参 数初值指导用户建立模型，并进而对选择模型和参数率定结果进行评 价，帮助用户理解模型。 2 1 引言 随着计算机的普及应用，流域水文预报模型的数量逐渐增多，其构思各有千秋，模 型的结构也越来越复杂“。对于广大用户而言，在众多模型中选择一个能够基本反映 流域径流形成特征的模型，并不是一件很容易的工作。 流域水文预报模型是概念性模型，它所包含的许多参数都有明确的物理意义，都在 不同侧面反映流域的水文特性，因此，同一模型对于不同的流域，选用的参数有所不同。 目前，确定模型参数，即模型参数识别，一般先根据实测资料或经验给定一个初值范围， 然后用数学寻优法进行参数率定。常用的优化方法有线性规划法、非线性规划法、遗传 算法等。不论采用哪种优化方法率定模型参数，初值范围的选取都尤其重要。合理的初 值选取一方面会提高率定的效率，一方面将会降低因采用传统的最优化方法产生局部最 优问题的概率。参数初值的变化范围，有一定的区域性规律。删。 流域径流的形成和参数初值的变化范围，都与流域的水文气候条件、自然地理、人 文活动等特征因素有关。对于本流域的这些特征情况，用户一般都很清楚，因此，如何 利用用户了解的流域特征信息，找到影响径流形成( 或径流模拟计算) 和参数初值变化 的隐含条件，引导用户实现模型选择，帮助用户设定参数的初值范围是一项非常有意义 的工作。 针对上述存在的问题，本文建立了流域水文预报模型知识管理系统，给出了系统的 层次结构和详细的建模过程以及具体的实现方法，目标是为用户提供良好的模型选择， 通过可视化的窗口管理界面，向用户提出问题，选择模型：确定模型参数初值，指导用 户建立模型，并进而对选择模型和参数率定结果进行评价，帮助用户理解模型。 大连理工大学硕士学位论文 2 2 知识管理系统的层次结构 知识管理系统的主要目标是给用户提供良好的模型选择，通过可视化的窗口管理界 面，向用户提出问题，选择模型；指导用户建立模型，并进而对选择的模型和预报结果 进行模型评价，帮助用户理解模型。 系统的层次结构设计“”“如图2 1 所示，图中系统知识库由三个模块组成，即问题 描述中隐含条件生成规则集r u l es e t si ，模型选择中模型管理规则集r u l es e t si i 以及建模过程中模型参数初值范围设定规则集r u l es e t s f i i 。 问题描述 l 选项l 选项2选项2选项2 特征m + 2 ： 选项n t选项n ：选项n 特征m + t l ： 图2 - 2 问题描述引导方式 2 4 生成模型选择的隐含条件 在用户对设计问题作出回答后，系统自动进行问题挖掘，生成选择模型和确定参 数初值所使用的条件。条件的生成最终可以通过四层结构来得到，如图2 3 ： 第 - 层 第i i 一 层： 嘛 含 层： 图2 - 3生成选择模型和确定参数初值条件的四层结构 1 6 大连理工大学硕士学位论文 第一层为问题的分类，概括影响流域水文预报模拟计算的各问题，即问题的描述 层：第二层是问题描述层中多项问题选项；第三层是第二层中隐含的问题条件，通过调 用知识规则模块r u l es e ti 得到：第四层即条件生成层，包含进行模型选择和确定参 数初值所依据的各类条件。 2 5 预报模型库 2 5 1 流域水文预报模型的建模过程及模型结构 流域水文预报模型的建模过程是对流域径流形成机制的认识逐步深化的过程，也是 对数学方法模拟径流形成的反复实践的过程。这一过程通常包括以下几个主要步骤“： i 分析流域径流形成机制，提出模型中应包含的各分量，并研究如何考虑它们的 时空分布，从而确定模型的总体结构。 2 建立各分量的数学函数式，并建立各分量间定量关系的数学表达式，由此便可 确定模型中应有哪些参数。 3 确定参数的优选方法。 4 绘制计算框图。 5 编制模型运算的计算机程序。 6 用多个流域的实测水文、气象资料对模型进行检验，并对模型的总体结果和各 分量微结果进行调整。以便最后研制成一个机制上合理、精度高且运算简便的 实用模型。 模型的总体结构框图如图2 - 4 所示“”： 地表径流量 i 地表径i 地表径流过程 厂1 流作用r 降雨量j 产流 一一机制 i 作用 lf 地下径流j1 l 一作用，回加卜一 地下径流量 i 基流l 地下径流过程 总径流 过程 河道汇 漉演进 图2 4 流域水文预报模型总体结构图 出口断面 流量过程 至堡墨三查堂堡主堂篁堡兰 2 5 2 几种常用的流域水文预报模型 2 5 2 1 产流模型 产流模型主要处理降雨损失，它决定着径流总量的大小。产流方式有蓄满产流和 超渗产流，模型在产流问题处理上，一般采用两种方式其中的一种( 如新安江模型采用 蓄满产流方式处理产流问题) ，或综合使用两种方式( 如美国的萨克拉门托模型) “。 1 蓄满产流模型 蓄满产流又称超蓄产流，是湿润地区的主要产流方式。 所谓蓄满，是指包气带的土壤含水量达到田间持水量。满的标准是田间持水量，不 是饱和。蓄满