一种面向入流入渗诊断的城市排水管网分层级智能布点方法与流程

本发明涉及城市排水管网监测及边缘计算资源分配，更具体地说，本发明涉及一种面向入流入渗诊断的城市排水管网分层级智能布点方法。

背景技术：

1、现有城市排水管网入流入渗诊断多依据管网交汇关系、管龄、历史异常记录及收水范围选取监测位置，在各入流支路和下游出流管布设流量、水位或水质监测设备，再结合旱天基准流量、降雨期间流量增量及物质守恒关系识别疑似入流入渗支路；

2、对于多条支路汇入同一检查井且有限监测设备还需分配至多个重点排水区域的应用场景，全部入流支路与下游出流管往往无法同期布设设备，而诊断数据又需满足旱天基准时段完整、降雨及雨后汇流过程对应、各监测点采集时段一致等条件；

3、在此情况下，采用风险排序删减点位或分批轮换采集时，未测支路的实际入流入渗量、已测设备的测量偏差、管内滞蓄量及各支路水流到达时差会共同反映在同一守恒差额中，现场可见同一汇流节点在不同监测轮次下疑似支路排序发生变化，且单轮数据无法判定差额究竟来源于未测支路的异常入流，还是已测支路的测量误差，从而影响下一层级排查位置的确定；

4、本技术要解决的技术问题是：在监测设备及边缘计算资源不足以同期覆盖汇流节点全部入流支路的情况下，如何获得能够通过后续实测加以核验的未测支路入流入渗诊断结果。

技术实现思路

1、为了克服现有技术的上述缺陷，本发明的实施例提供一种面向入流入渗诊断的城市排水管网分层级智能布点方法，通过在边缘计算资源约束下生成入流支路轮换留空路径，利用单侧非平衡最优传输反推留空支路入流入渗量，并经后续实测核验后沿核验量居前支路向上游逐级布点，以解决上述背景技术中提出的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种面向入流入渗诊断的城市排水管网分层级智能布点方法，包括：

3、s1、获取排水管网拓扑、监测设备余量和边缘计算节点资源，按管长与流速求水流到达时长，自排水分区出口逆查入流支路数不高于监测设备余量的首个汇流点，形成布点范围；

4、s2、在布点范围内，采用零抑制决策图枚举算法中的米纳托算法，按出流管受测、每轮一条入流支路留空展开结点，删除多支路留空及重复留空结点，归并同后继结点，形成设备轮换图；

5、s3、按设备轮换图建立传输页，边缘计算节点测得单页时间片，页数乘单页时间片得时间片数，字节数除以页容量得缓存页数，为程序之间的通信分配消息槽位，删除需求超出节点资源的结点，形成计算资源分配表；

6、s4、边缘计算节点按计算资源分配表运行非平衡最优传输算法中的单侧辛克霍恩算法，以移位后的已测入流量为固定源量，将出流量与蓄水变化量作为目标量依时刻差生成传输核，迭代行归一和列截断，直至量化后的非零位置与传输量不变，累加目标量减列和的正值，形成留空支路反推量；

7、s5、非平衡最优传输程序经消息槽位发送反推量和非零位置，零抑制决策图程序重算后继资源量，读取首个资源充足结点，迁移监测设备并重分配计算资源，各支路取得反推量和实测量后，读取量化一致且实测量居首的支路，以上游收水范围重复s1至s4，输出分层级布点结果。

8、在一个优选的实施方式中，在s1中包括：

9、s11、获取排水管网拓扑中各管段的管长、流速和流向，以管长除以流速得到管段时长，沿排水分区出口至各汇流点的路径累加管段时长，形成汇流点到达时长表；

10、其中排水分区是指由排水管网拓扑中具有共同排水出口的检查井和管段构成、内部水流均汇入该排水出口的管网范围；

11、汇流点是指排水管网拓扑中至少两条上游管段按流向接入同一下游管段的连接节点；

12、s12、针对汇流点到达时长表，以到达时长除以采样周期并向上取整后加一得到数据驻留批次数，以数据驻留批次数乘入流支路数得到缓存记录数，再按单条记录字节数换算缓存页数，并以缓存页数乘边缘计算节点处理单页数据占用的时间片数得到处理器时间片数，形成汇流点资源需求；

13、其中入流支路是指经当前汇流点的一个独立入流管口接入当前汇流点，并由该入流管口向上游连通的管段集合；

14、单条记录字节数是指按照固定字段顺序对一个采样时刻的监测点号、诊断批次号、流量值、水位值和数据状态位进行编码后占用的字节总数；

15、换算缓存页数的过程为：将缓存记录数乘以单条记录字节数得到缓存字节数，以缓存字节数除以边缘计算节点的单页字节数，商存在余数时在整数商上加一，所得整数作为缓存页数；

16、处理单页数据是指边缘计算节点从一个缓存页读取全部监测记录，依据记录对应的水流到达时长调整采样时刻，并将调整后的记录写入运算缓存的执行过程；

17、时间片数是指处理单页数据期间，处理器调度程序分配给单页处理任务且任务处于运行状态的调度周期数量，不计入排队时段和数据等待时段；

18、s13、从排水分区出口沿上游方向读取汇流点，删除入流支路数高于监测设备余量或汇流点资源需求超出边缘计算节点资源的汇流点，将首个保留汇流点及对应入流支路写入布点范围，并从边缘计算节点资源中划出对应缓存页和处理器时间片；

19、其中监测设备余量是指s1执行时处于正常工作状态、已完成测量标定且尚未分配至其他布点范围的监测设备数量。

20、在一个优选的实施方式中，在s2中包括：

21、s21、基于布点范围，按照入流支路编号与轮次建立布点状态位，以出流管和受测入流支路的数据驻留批次数分别乘单批处理时间片数与单批缓存页数，得到各监测任务的资源需求，并以边缘计算节点的时间片余量和缓存页余量形成根资源标签；

22、其中出流管是指上游端与当前汇流点连接、流向由当前汇流点指向排水分区出口的管段；

23、时间片余量是指当前调度周期内尚未登记给其他运行任务的处理器时间片数量；缓存页余量是指边缘计算节点缓存页表中标记为空闲且未被系统任务占用的缓存页数量，二者共同构成资源标签；

24、s22、采用零抑制决策图枚举算法中的米纳托算法逐位生成留空边和监测边，首轮从根资源标签扣除出流管及受测入流支路的资源需求，后续轮次把新留空支路释放的资源加入父结点资源标签后再扣除前一留空支路转为受测状态所需的资源，任一资源余量低于零时把对应留空边指向零终端，同轮出现两条留空边或同一入流支路再次留空时把对应结点指向零终端；

25、其中采用零抑制决策图枚举算法中的米纳托算法的过程为：按照轮次优先、入流支路编号次优的顺序排列布点状态位，以每个布点状态位取留空状态生成留空边、取受测状态生成监测边，递归展开后继结点；留空边进入零终端时以监测边后继替换当前结点，两个结点的布点状态位及两条后继边均一致时仅保留一个结点，并通过结点索引表复用已生成结点，直至全部布点状态位均连接至零终端或一终端；

26、父结点资源标签是指到达当前图结点之前已完成资源释放和资源扣除后形成的时间片余量与缓存页余量，并作为当前图结点计算后继资源标签的起始值；

27、留空支路是指当前轮次未布设监测设备、由其余受测入流支路与出流管的监测数据反推流量的入流支路，每一轮仅设置一条留空支路。

28、在一个优选的实施方式中，在s2中还包括：

29、s23、在每轮支路位展开完成后，把未形成留空边的结点指向零终端，把全部入流支路均已留空一次的结点指向一终端，留空边指向零终端时以监测边后继替换当前结点，并对轮次、已留空支路、当前留空支路和资源标签一致的结点执行归并，形成资源约束零抑制决策图；

30、其中支路位是指由一个轮次和一条入流支路共同确定的二值布点状态位，留空状态表示当前轮次不在对应入流支路布设监测设备，受测状态表示当前轮次在对应入流支路布设监测设备；

31、s24、通过多资源标签校正算法沿资源约束零抑制决策图传递资源标签，资源分配程序按每条图边执行资源释放与资源扣除并把新资源标签发送至零抑制决策图枚举程序，同一图结点存在两个资源标签且一个资源标签的时间片余量和缓存页余量均不低于另一个资源标签时删除后者，当一轮图结点扫描未新增资源标签时停止传递，删除无法由根结点到达一终端的图结点，输出设备轮换图。

32、在一个优选的实施方式中，在s3中包括：

33、s31、根据设备轮换图读取各图结点继承的非零传输位置和迁入支路新增的传输位置，按采样时刻与支路编号排序后依页容量切分，重复传输位置引用父图结点的页号与页内地址，形成结点传输页表；

34、其中传输位置是指非平衡最优传输矩阵中由一个已测入流支路采样点与一个出流管采样点共同确定的矩阵位置，传输位置记录入流支路编号、源采样序号和目标采样序号，非零传输位置表示对应两个采样点之间存在传输量；

35、迁入支路是指设备轮换图由父图结点转入当前图结点时，布点状态由留空状态变为受测状态并接收监测设备的入流支路；

36、页容量是指一个缓存页能够存放的传输单元数量，按照缓存页字节数除以单个传输单元字节数取整数商得到，余下字节不存放传输单元；

37、父图结点是指设备轮换图中通过一条有向图边直接连接至当前图结点、用于提供上一轮布点状态和资源状态的前驱图结点；

38、页内地址是指传输单元在所属缓存页中的顺位编号，页号与页内地址共同确定传输单元在边缘计算节点缓存中的存储位置；

39、s32、边缘计算节点从结点传输页表读取一个满页，将页内传输单元经源侧归一和列侧截断后写回，以处理器调度计数器在读页前与写回后的差值作为满页时间片，并按尾页传输单元数占满页传输单元数的比例向上取整得到尾页时间片，形成页时间片表；

40、其中满页是指写入的传输单元数量等于页容量的缓存页；

41、页内传输单元是指与一个传输位置对应的运算记录，记录入流支路编号、源采样序号、目标采样序号、传输核值和当前传输量，用于执行源侧归一和列侧截断；

42、源侧是指非平衡最优传输矩阵中由已测入流支路采样量构成的行方向，源侧归一按照每行源量与当前行和的比值更新对应传输量；列侧是指由出流管目标量构成的列方向，列侧截断在当前列和高于对应目标量时按照目标量与当前列和的比值更新对应传输量；

43、调度计数器是指边缘计算节点的处理器调度程序为当前传输页处理任务维护的累计时间片计数值，处理器每执行一个分配给当前任务的时间片时计数值加一，任务等待和消息阻塞期间不增加计数值。

44、在一个优选的实施方式中，在s3中还包括：

45、s33、对于各图结点，累加页时间片表得到处理器时间片数，以结点传输页表占用字节数除以页容量并向上取整得到缓存页数，再沿采集程序至非平衡最优传输程序及非平衡最优传输程序至零抑制决策图程序建立逐页确认通信，每条通信关系分配一个消息槽位，发送页在接收程序返回同页页号后覆盖，形成结点资源向量；

46、其中占用字节数是指当前图结点独立保存的传输单元、页头和页索引占用字节之和；引用父图结点传输页时仅计入页号与页内地址的索引字节，不重复计入父图结点已保存的传输单元字节；

47、采集程序是指运行于边缘计算节点、按照采样周期读取监测设备数据，并把布点状态号、诊断批次号、监测点号、采样时刻和监测值写入发送页的执行程序；

48、非平衡最优传输程序是指运行于边缘计算节点、接收采集程序发送的监测数据页，依据结点传输页表执行源侧归一和列侧截断，并输出反推量及非零传输位置的执行程序；

49、零抑制决策图程序是指运行于边缘计算节点、接收非平衡最优传输程序输出的非零传输位置和结点资源向量，更新设备轮换图中的图结点、图边和资源标签，并执行资源不足图结点删除及同后继图结点归并的执行程序；

50、接收程序是指逐页确认通信中读取发送页的下游程序；接收程序核对诊断批次号和页号后处理发送页，并向发送程序返回同一页号，发送程序收到返回页号后释放对应消息槽位；

51、s34、以边缘计算节点资源形成根资源标签，沿设备轮换图进入后继图结点时加回父图结点不再占用的结点资源向量并扣除后继图结点的结点资源向量，任一资源分量低于零时删除后继图结点，后继状态与资源标签一致时归并路径，将保留图结点对应的资源变更写入计算资源分配表。

52、在一个优选的实施方式中，在s4中包括：

53、s41、根据移位后的已测入流量生成固定源量，根据出流量与蓄水变化量生成目标量，按源采样时刻与目标采样时刻之差形成传输代价，依次累加传输量与传输代价的乘积、目标量未匹配部分的量化单位数及传输量乘自身自然对数的结果，形成限制源行和等于固定源量的单侧非平衡目标函数；

54、其中入流量和出流量是指在同一采样周期内，由流量监测值乘采样周期得到的水体体积，其中入流量对应已测入流支路监测断面，出流量对应当前汇流点下游的出流管监测断面；

55、蓄水变化量是指根据汇流井起始水位和终止水位分别查取井体水位—容积关系得到起始容积和终止容积，再以终止容积减去起始容积得到的容积差，正值表示汇流井蓄水增加，负值表示汇流井蓄水减少；

56、传输量是指传输矩阵中一个源采样时刻的已测入流体积向一个目标采样时刻分配的水体体积，传输量取非负值，同一源采样时刻对应行内的传输量与误差列量之和等于对应固定源量；

57、目标量是指同一目标采样周期的出流量与蓄水变化量之和，用于表示已测入流量经水流到达时长移位后需要解释的汇流体积；

58、量化单位数是指先以监测设备流量分辨率乘采样周期得到体积量化单位，再以目标量减去对应目标列和所得正差除以体积量化单位得到的整数，目标量和目标列和均在计算前换算为体积量化单位的整数倍；

59、s42、资源分配程序按照计算资源分配表将当前调度周期的时间片数和缓存页号写入消息槽位，非平衡最优传输程序从结点传输页表逐页读取候选传输位置，以传输代价减去源对偶值和目标对偶值得到约化代价，将约化代价低于零的传输位置写入已分配缓存页，每占用一个时间片处理一页，并在时间片耗尽时保存页号和对偶值，形成传输支持集；

60、其中对偶值是指单侧非平衡目标函数中分别对应固定源量行和约束与目标列和上界约束的拉格朗日乘子，其中源对偶值由累计行缩放系数取自然对数后乘采样周期得到，目标对偶值由累计列缩放系数取自然对数后乘采样周期得到，二者用于计算未载入传输位置的约化代价。

61、在一个优选的实施方式中，在s4中还包括：

62、s43、对于传输支持集，采用非平衡最优传输算法中的单侧辛克霍恩算法，以传输代价除以采样周期后的负值指数形成传输核，按照固定源量与当前行和之比缩放对应行，在目标列和超出目标量时按照目标量与当前列和之比缩放对应列并把超出量写入误差列，每轮删除量化为零的传输位置并加入约化代价低于零的传输位置，直至相邻两轮量化后的非零传输位置与传输量一致且未载入传输位置的约化代价均不低于零，形成传输矩阵；

63、其中采用非平衡最优传输算法中的单侧辛克霍恩算法的过程为：先在传输支持集内以传输代价除以采样周期后的负值指数初始化传输量，再以固定源量除以对应行内传输量与误差列量之和得到行缩放系数并更新整行；随后计算各目标列和，目标列和高于目标量时以目标量除以目标列和得到列缩放系数，按列缩放传输量并把各源行被削减的传输量写入对应误差列，目标列和不高于目标量时保持对应列；完成一轮行缩放和列缩放后，按体积量化单位将传输量转为整数，删除整数为零的传输位置，并把约化代价低于零的未载入传输位置加入传输支持集；当相邻两轮的非零传输位置及对应传输量整数一致，且全部未载入传输位置的约化代价不低于零时停止运算，输出传输矩阵和误差列量；

64、s44、基于传输矩阵按目标采样时刻累加目标量减去目标列和后的正值，得到留空支路反推量，在固定源量总和减去误差列量再加留空支路反推量等于目标量总和时输出留空支路反推量，并将实际占用的时间片数和缓存页数回写计算资源分配表，释放未占用的边缘计算节点资源。

65、在一个优选的实施方式中，在s5中包括：

66、s51、非平衡最优传输程序把诊断批次号、布点状态号、反推量和非零位置写入消息槽位，零抑制决策图程序核对诊断批次号与布点状态号后返回页号，非平衡最优传输程序收到页号后释放消息槽位，形成当前结点传输结果；

67、其中诊断批次号是指由当前汇流点编号、布点状态号和诊断时段起始采样序号按固定位宽顺序拼接形成的唯一编码，用于关联同一轮监测数据、反推量及非零位置；

68、s52、零抑制决策图程序根据当前结点传输结果沿用未迁移支路的非零位置并为迁入支路生成新增位置，以新增位置页数换算时间片数和缓存页数，再叠加消息槽位数形成后继资源量，以父结点资源余量加释放量减后继资源量形成后继资源标签，删除任一资源余量为负值的后继结点，按结点编号升序读取首个保留结点作为资源充足结点；

69、其中释放量是指设备轮换由父结点进入后继结点时，父结点中停止运行的采集任务、传输页和程序通信所释放的处理器时间片数、缓存页数及消息槽位数形成的资源向量。

70、在一个优选的实施方式中，在s5中还包括：

71、s53、资源分配程序根据资源充足结点在计算资源分配表中锁定迁入支路对应的边缘计算资源并发送设备迁移指令，迁入支路采集程序返回首个有效数据页号后释放迁出支路占用的边缘计算资源并把锁定资源改写为占用状态，未返回有效数据页号时撤销锁定并恢复父结点资源标签，形成迁移后的布点状态；

72、其中设备迁移指令是指由资源分配程序生成并发送的执行记录，执行记录将监测设备编号与迁出支路、迁入支路及资源充足结点对应的布点状态绑定，用于控制监测设备完成支路位置变更；

73、迁入支路采集程序是指监测设备移入目标入流支路后运行于边缘计算节点、按采样周期读取目标入流支路监测值并按照诊断批次号和布点状态号封装数据页的执行程序；

74、有效数据页号是指迁入支路采集程序生成的数据页通过支路编号一致、诊断批次号一致、布点状态号一致、采样序号依次递增及数据校验码一致的核验后，对应数据页携带的页序号；

75、s54、各入流支路取得反推量和实测量后，将反推量与实测量扣除同一旱天基准量并按同一累计降雨量换算，再除以体积量化单位取整数，两个整数一致时以实测量形成核验量，按核验量降序和支路编号升序读取首位入流支路，将首位入流支路的上游收水范围写为下一布点范围并重复执行s1至s4，直至上游不存在汇流点，形成分层级布点结果；

76、其中实测量是指监测设备在同一诊断时段内直接取得的入流支路流量值分别乘对应采样周期后累加形成的水体体积；

77、旱天基准量是指同一入流支路在诊断时段前满足四十八小时无降雨记录的相邻七日内，按与诊断时段相同的时刻范围计算各日实测量，再取各日实测量中位数形成的基准水体体积；

78、收水范围是指在排水管网拓扑中沿首位入流支路逆流向追溯得到、排水路径均经首位入流支路进入当前汇流点的上游管段及关联汇水单元构成的空间范围。

79、本发明的技术效果和优点：

80、1、 本方案通过固定监测出流管并轮换留空入流支路，使各支路先后取得反推量和实测量，在设备及边缘资源不足时仍形成可核验诊断结果；

81、2、 将水流到达时长校正、蓄水变化修正与单侧非平衡传输结合，使未解释目标量对应留空支路，相对抑制时差和滞蓄干扰；

82、3、 对设备轮换状态采用零抑制决策图压缩，并依据资源标签删除资源不足路径，使布点顺序与边缘计算节点承载能力保持一致；

83、4、 在传输分页基础上实测处理器时间片并建立消息槽位确认通信，使处理器、缓存和通信资源获得明确分配，减少程序等待与资源冲突；

84、5、 以统一旱天基准和累计降雨量核验反推量与实测量，再沿核验量居前支路向上游递进，使排查范围逐层收缩。