徐朝輝++施叢叢++呂超賢++楊建業(yè)++郎新赟

摘要：國民經(jīng)濟的現(xiàn)代化建設(shè)離不開水利現(xiàn)代化的保障，而水利信息化是水利現(xiàn)代化的基本標(biāo)志和重要內(nèi)容。針對洪澇災(zāi)害這一問題，本文提出了用于泄洪的基于結(jié)構(gòu)化支持向量機（Structured Support Vector Machine）的聯(lián)動技術(shù)。通過歷史的洪澇信息訓(xùn)練學(xué)習(xí)模型，并根據(jù)觀測到的水文信息對洪澇災(zāi)害進行預(yù)測，生成各水泵的工作策略向量。并根據(jù)該向量通過遠程監(jiān)控系統(tǒng)進行水泵的控制與調(diào)度，盡可能預(yù)防洪澇災(zāi)害。

關(guān)鍵詞：水泵；遠程控制；物聯(lián)網(wǎng)

中圖分類號：TP391.41

文獻標(biāo)識碼：A

DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2015.09.017

0 引言

由于我國的地理位置情況，我國的氣候受季風(fēng)影響較大，降水量的地區(qū)、時間分布不均勻，從而導(dǎo)致河流的流量和水位變化較大。以我國秦嶺淮河以北、黃河流域下游地區(qū)為例，每年七八月份，由于亞熱帶季風(fēng)影響，降雨量驟升，河流水量劇增，水位快速上升，從而會引發(fā)洪澇災(zāi)害，從而導(dǎo)致大量的生命、財產(chǎn)損失。產(chǎn)生洪澇的原因除了降雨之外，還有一些其他的氣象和水文因素，例如：溫度、濕度、降水間隔、水流流速、風(fēng)速、風(fēng)向等。而隨著氣象技術(shù)、傳感器技術(shù)的發(fā)展與成熟，人類已經(jīng)可以獲取到持續(xù)的氣象和水文數(shù)據(jù)；同時，隨著大數(shù)據(jù)時代的到來，大數(shù)據(jù)處理和分析技術(shù)的成熟，對長期的氣象、水文數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)分析和挖掘已經(jīng)成為了可能，從歷史的信息中挖取和洪澇災(zāi)害有關(guān)的信息，從而進行防洪預(yù)警已經(jīng)成為了當(dāng)前的研究熱點。

氣象與水文是洪澇災(zāi)害的客觀原因，同時，洪澇災(zāi)害往往也由一些人為原因造成，比如排水能力差，排水不及時，防洪工程響應(yīng)不及時，質(zhì)量不過關(guān)等因素。針對質(zhì)量不過關(guān)等問題，政府需要加強對水利T程質(zhì)量的監(jiān)管力度。而針對響應(yīng)不及時等問題，即可通過數(shù)據(jù)分析、預(yù)測方法配合防洪設(shè)備的遠程控制等技術(shù)來解決。以泵站為例，可用本論文設(shè)計的泵站遠程監(jiān)控系統(tǒng)來實現(xiàn)水泵的遠程啟動與調(diào)整，調(diào)整排水量，從而減輕洪澇災(zāi)害的影響。

針對洪澇災(zāi)害這一問題，本文提出了基于結(jié)構(gòu)化支持向量機（Structured Support Vector Machine）的泄洪聯(lián)動技術(shù)研究。通過歷史的洪澇信息訓(xùn)練學(xué)習(xí)模型，并根據(jù)觀測到的水文信息對洪澇災(zāi)害進行預(yù)測，生成各水泵的工作策略向量。并根據(jù)該向量通過遠程監(jiān)控系統(tǒng)進行水泵的控制與調(diào)度，盡可能預(yù)防洪澇災(zāi)害。

1 基于結(jié)構(gòu)化支持向量機的泄洪聯(lián)動設(shè)計

防洪泄洪作為水利水文監(jiān)控系統(tǒng)的重要功能需求之一，如何準(zhǔn)確地進行洪澇信息的預(yù)測預(yù)警，實現(xiàn)其智慧化是目前國內(nèi)外的研究熱點。目前較為經(jīng)典應(yīng)用較廣的洪水預(yù)測調(diào)度模型主要包括流域水文模型（如新安江模型）、河道演算水文學(xué)和水力學(xué)模型（如Muskingum Method、動力波演進模型）和據(jù)流域特制模型（如陜北模型、河北雨模型）。在“新安江模型”中檢測站實時監(jiān)測流域溫度、相對濕度、河流徑流量等；然后對所采集監(jiān)測數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)挖掘處理，通過各種擬合方法確定該地區(qū)植被覆蓋面積、土壤滲透系數(shù)、飽和蓄水量等相關(guān)水文參數(shù)的置信區(qū)間；最后在已確立的模型基礎(chǔ)上對水文數(shù)據(jù)（如降水量、水位等）進行演算，修正模型參數(shù)。目前來說，國外的河流代表模型有TOPMODEL模型（Topography BasedHydrological Model）和SWAT模型（Soiland WaterAssessment Tool）等。

結(jié)構(gòu)化支持向量機（Structured Support VectorMachine）是一種機器學(xué)習(xí)算法，它泛化了機器學(xué)習(xí)中支持向量機（Support Vector Machine）的分類器（classifier），從而使得其可以預(yù)測復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)化支持向量機可以用于預(yù)測樹狀結(jié)構(gòu)（Tree），有序表結(jié)構(gòu)（Sequence），當(dāng)然也可以用于預(yù)測向量（Vector）。在實際的水文信息分析中，往往需要考慮到眾多的影響因素，比如上文提到的降雨量、降雨間隔、水位、濕度、溫度等，這些影響因素也被成為分析問題的指標(biāo)。

而對于氣象和水文信息而言，這些指標(biāo)往往存在以下兩大特征：

指標(biāo)規(guī)模龐大：

對于水文數(shù)據(jù)而言，由于每時每刻的氣象和水文情況都在改變，即每時每刻都有新數(shù)據(jù)產(chǎn)生，數(shù)據(jù)規(guī)模龐大。而且對于氣象和水文信息而言，一段較長時間內(nèi)的數(shù)據(jù)才對分析工作有著重要作用，往往需要分析一年，十年甚至一世紀(jì)的數(shù)據(jù)才能得到有效分析結(jié)果，因此，對于指標(biāo)而言，數(shù)據(jù)規(guī)模龐大是一個明顯的特征。

指標(biāo)之間存在重疊：

水文數(shù)據(jù)指標(biāo)間往往不是獨立的，而是存在重疊的，比如降雨指標(biāo)會影響水位指標(biāo)，也會影響濕度指標(biāo)。這些重疊的指標(biāo)一方面會導(dǎo)致分析問題變難，分析工作變重，也會導(dǎo)致大量的計算浪費。

針對以上問題，本文首先采用主成分分析法來降低數(shù)據(jù)的維度，即只選取關(guān)鍵的指標(biāo)，從而減少重疊指標(biāo)造成的影響，也可以顯著的減少計算量，再引入結(jié)構(gòu)化支持向量機進行聯(lián)動處理。本方法旨在利用降維的思想，把多指標(biāo)轉(zhuǎn)化為少數(shù)幾個綜合指標(biāo)。其步驟如下：

2 基于結(jié)構(gòu)化支持向量機的泄洪聯(lián)動技術(shù)實現(xiàn)

本文設(shè)計的泄洪聯(lián)動技術(shù)主要涉及到以下兩部分工作：1）通過主成分分析法對數(shù)據(jù)進行降維，從而減少計算量和由數(shù)據(jù)重疊問題造成的結(jié)果不準(zhǔn)確；2）通過結(jié)構(gòu)化支持向量機根據(jù)歷史的氣象、水文信息對水泵策略進行預(yù)測。而這兩部分則均為數(shù)據(jù)分析任務(wù)，計算量較大，計算速度較慢，因此本文將以上兩個算法作為離線程序，每天定時運行，生成相應(yīng)的結(jié)果，便于管理員進行決策。數(shù)據(jù)的輸入系統(tǒng)包括：

（1）泵站采集數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)

泵站采集數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)對泵站數(shù)據(jù)進行遠程監(jiān)測，功能主要包括：統(tǒng)計和記錄主要電氣設(shè)備的動作（將系統(tǒng)采集到的泵機運行狀態(tài)等數(shù)據(jù)進行分類處理并保存）；事故及異常統(tǒng)計記錄；參數(shù)越限統(tǒng)計（對參數(shù)越限等異常進行必要的統(tǒng)計，同時在必要時進行警示，并可根據(jù)需求生成報表）；運行日志及報表打印。

（2）遠程自動化控制系統(tǒng)

可通過本系統(tǒng)所設(shè)計開發(fā)出的主體水利信息化管理軟件來對泵機進行啟?？刂?。系統(tǒng)根據(jù)實時運行狀態(tài)，按照預(yù)設(shè)控制參數(shù)和模型實現(xiàn)對泵站機組的自動控制。站點泵機的控制可通過切換開關(guān)轉(zhuǎn)換到“手動操作”或者“遠程控制”。

當(dāng)控制方式被切換到遠程控制方式時，除了站點值守人員操作站點上位機實現(xiàn)對機組的控制外，中控室和有權(quán)限人員也可以直接實現(xiàn)對站點設(shè)備的相應(yīng)控制，從而實現(xiàn)泵站的少人甚至無人操作，大大減輕人員工作量。

在現(xiàn)場安裝的傳感終端遠程監(jiān)測模塊，完成對站內(nèi)機組、電氣設(shè)備及周邊設(shè)施環(huán)境的實時監(jiān)控，同時提供和管理上位機的遠程通訊接口。通過485串行總線等通信方式，站點管理人員可以實時監(jiān)測該站點動態(tài)數(shù)據(jù)和了解各操作中的主要工作過程。

站點監(jiān)測的對象主要包括：機組電壓、電流；機組溫度；水位等。

站點上位機對監(jiān)測的數(shù)據(jù)可以以數(shù)字和圖形兩種形式進行實時顯示，它通過各種動態(tài)的圖文來表示整個泵站各種設(shè)備的實時狀態(tài)，給人以生動、直觀的操作效果。

（3）泵站遠程監(jiān)控軟件系統(tǒng)

泵站遠程監(jiān)控軟件系統(tǒng)是為了實現(xiàn)抗旱與排澇泵站組成的泵站集群的信息化、智能化的開發(fā)、管理，因此是整個系統(tǒng)的核心組成部分之一。通過該軟件系統(tǒng)可以實時顯示各個分站的運行情況，如泵機電壓電流、泵機溫度、進水口水位、排灌量等重要信息。遠程控制機組的啟、停轉(zhuǎn)換；且能對系統(tǒng)故障進行白診斷，能有效地保護機組的安全運行，進而幫助運行人員發(fā)現(xiàn)事故隱患等。

基于主成分分析法的水文信息降維法關(guān)鍵算法實現(xiàn)：

1.標(biāo)準(zhǔn)化矩陣：

function std=cwstd（vector）

cwsum=sum（vector.1）；%對列求和

[a，b]=size（vector）；%矩陣大小，a為行數(shù)，b為列數(shù)

for i=l：a

for j=l：b

std（i，j）=vector（i，j）/cwsum（j）；

end

end

2.計算主成分：

Function result=cwfac（vector）；

std=CORRCOEF（vector）%計算相關(guān)系數(shù)矩陣

[vec，val]=eig（std）%求特征值（val）及特征向量（vec）

newval=diag（val）；

[y，i]=sort（newval）；%對特征根進行排序，y為排序結(jié)果，I為索引

For z=1：1engm（y）

newy（z）=y（1ength（y）+l-z）；

end

rate=y/sum（y）；

newrate=newy/sum（newy）

sumrate=0：

newi=[]；

for k=length（y）：-l：l

sumrate=sumrate+rate（k）；

newi（length（y）+l-k）=k；

if sumrate>0.85 break；

end%記下累積貢獻率大85%的特征值的序號放入newi中

end

基于結(jié)構(gòu)化支持向量機的泵站策略預(yù)測關(guān)鍵算法實現(xiàn)如下：

pann.pattemS=pattems；

pann.1abels=labels；

pann.10ssFn=@lossCB；

parm.constraintFn=@constraintCB；

pann.featureFn=@featureCB；

parm.endIterationFn=@iterCB；

parm.dimension=10；%經(jīng)過主成分分析法后的數(shù)據(jù)維度為10

pann.verbose=l；

1nodel=svm_stmct_1eam（'-c 10-o 2-v l-e 0.00l'，pann）；

3 結(jié)論

水利泵站系統(tǒng)遠程監(jiān)控技術(shù)是一項綜合性技術(shù)，計算機科學(xué)技術(shù)及現(xiàn)代通信等技術(shù)則是其核心關(guān)鍵技術(shù)。水利泵站系統(tǒng)自動化監(jiān)控技術(shù)以傳統(tǒng)的水泵監(jiān)控、控制設(shè)備為基礎(chǔ)，集合現(xiàn)代通信技術(shù)提供的快速、遠程、實時通信技術(shù)以及計算機技術(shù)提供的軟硬件控制技術(shù)，實現(xiàn)了對泵站的測量、控制、監(jiān)視等功能。本文設(shè)計的基于結(jié)構(gòu)化支持向量機的泄洪聯(lián)動系統(tǒng)根據(jù)數(shù)據(jù)采集協(xié)議進行數(shù)據(jù)采集，并將采集到的數(shù)據(jù)進行分析、“翻譯”，使之轉(zhuǎn)變成用戶可讀的數(shù)據(jù)，系統(tǒng)的業(yè)務(wù)邏輯處理構(gòu)件利用數(shù)據(jù)庫中采集到的數(shù)據(jù)進行信息修改與保存、查詢與表示、警情預(yù)警、決策輔助等。本水利泵站遠程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)過程中，充分考慮到了系統(tǒng)功能完備性，綜合應(yīng)用目前較為流行且技術(shù)成熟的SSH框架和ExtjS Web前端開發(fā)技術(shù)、Web Service技術(shù)、Ajax技術(shù)、Web GIS等技術(shù)，系統(tǒng)極大程度上滿足泵站信息采集、設(shè)備管控、水文狀態(tài)監(jiān)控的需求。