一种基于抽排时序嵌入的移动排涝泵车优化调度方法

本发明涉及城市移动排涝装备调度，更具体的说是涉及一种基于抽排时序嵌入的移动排涝泵车优化调度方法。

背景技术：

1、目前，在短历时强降雨、持续性暴雨或城市固定排水设施超负荷运行条件下，道路、下穿通道、住宅区及重要公共设施周边容易形成积水。移动排涝泵车具有部署灵活、抽排能力高并可在多个积水点之间转移的特点，是城市内涝应急处置的重要装备。

2、现有泵车部署通常依据历史积水点、现场经验或当前积水深度排序确定。当多个积水点同时出现且泵车数量有限时，仅选择积水最深位置或距离最近位置，难以保证多辆泵车组合对区域总体积水的削减效果。

3、现有方法还常根据当前积水状态逐次选择下一作业点，并在每个时刻进行局部决策。此类逐点或滚动式方法难以将一个应急周期内的初始位置、后续位置序列、各位置作业时间和移动时间组成完整方案进行整体比较，也难以评价多辆泵车完整计划之间的组合排涝效果。

4、利用水文水动力模型评价泵车调度方案时，还需要解决泵车位置和抽排流量如何进入二维积水计算的问题。二维地表模型通常通过一维节点流量时间序列接收水量输入，而泵车的位置随时间变化。若仅在模型外部对积水量进行简单扣减，难以反映网格间汇流、一维—二维交换以及抽排作用的连续反馈。

5、因此，如何提供一种能够生成多辆移动泵车全过程完整作业计划表，将所述完整作业计划表整体转换为模型可读取的抽排时间序列，并以积水面积、积水深度和积水持续时间综合影响最小化为目标，对全部泵车完整作业计划进行整体优化的方法是本领域技术人员亟需解决的问题。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提供了一种基于抽排时序嵌入的移动排涝泵车优化调度方法，旨在解决现有技术中泵车初始位置和后续作业安排依赖局部经验、完整作业计划难以作为整体进行优化、泵车调度方案难以嵌入二维水动力计算以及优化评价指标不能完整反映积水范围、深度和持续时间的问题。

2、为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、一种基于抽排时序嵌入的移动排涝泵车优化调度方法，包括：

4、获取目标区域的基础数据，并基于所述基础数据构建包括一维排水管网模型和二维地表漫流模型的城市内涝水文水动力模型；

5、汇总目标区域历史实际积水位置与所述城市内涝水文水动力模型模拟得到的积水位置，经人工初步筛选形成候选作业位置集合；并建立候选作业位置集合中二维网格编号与一维模型抽排输入节点编号的映射关系；

6、从所述候选作业位置集合中随机生成各泵车的初始作业位置，并根据剩余作业时间、泵车移动速度、最小作业时间和位置可达性约束，生成包含后续作业位置、作业持续时间及移动时间的完整作业计划表；

7、将全部泵车的完整作业计划表组合作为一个待优化调度方案；

8、根据所述完整作业计划表，将各作业时段的额定抽排流量转换为相应抽排输入节点的时变负流量序列，并将所述时变负流量序列输入二维地表漫流模型；

9、在各计算时间步，基于当前二维网格可用积水量确定实际抽排量，更新二维网格积水深度，计算单一综合积水影响目标值；采用单目标优化算法，以完整作业计划表为优化个体进行迭代更新，输出综合积水影响目标值最小时对应的移动排涝泵车全过程调度计划。

10、可选的，所述二维地表漫流模型以一维排水管网模型中的节点流量时间序列作为水量输入接口；二维网格编号与抽排输入节点编号一一对应，所述抽排输入节点用于承载移动排涝泵车在对应二维网格处的抽排流量时间序列。

11、可选的，所述一维排水管网模型采用swmm构建，所述抽排输入节点通过在swmm模型中增设与候选二维网格对应的检查井节点实现；当泵车被调度至目标二维网格时，启用对应检查井节点的抽排流量时间序列，二维地表漫流模型读取所述抽排流量时间序列并将相应流量施加至目标二维网格。可选的，所述候选作业位置集合由目标区域历史实际积水位置和水文水动力模型模拟积水位置汇总后，经人工初步筛选形成；所述人工初步筛选用于剔除明显不适合作为移动排涝泵车作业点的位置，并通过候选网格标记文件保存筛选结果。可选的，所述各泵车覆盖预设总作业周期的完整作业计划表包括：有序排列的多个作业网格、在各作业网格的作业持续时间以及相邻作业网格之间的移动时间；所述第一个作业位置从候选作业位置集合中随机生成，后续作业位置在满足剩余时间和移动可达性约束的候选位置中生成，所述作业持续时间与移动时间共同覆盖预设总作业周期。

12、可选的，全部泵车的调度方案由各泵车的作业计划共同构成，各作业位置的到达时间根据前一位置的到达时间、作业时间与移动时间递推得出，同时计算得到某个作业位置的作业结束时间；每辆泵车均以随机生成的首个作业位置为起点，结合剩余作业时间、移动速度及可达范围依次生成后续作业位置、作业持续时间与移动时间，直至形成覆盖总作业周期的完整作业计划表，全部泵车的完整作业计划表共同组成一个优化个体，且首个作业位置与后续位置及相关时间参数会在同一优化个体内进行整体评价与整体更新。可选的，所述时变负流量序列的转换具体为：

13、根据完整作业计划表直接读取各泵车在各作业时段对应的二维网格；在泵车作业时段内，将该二维网格对应抽排输入节点的流量设置为负的泵车额定抽排流量，在泵车移动时段内将相关抽排输入节点的流量设置为0；允许多辆泵车在同一网格同时作业时，各泵车额定抽排流量进行叠加。可选的，所述计算单一综合积水影响目标值具体为：

14、先划定轻度、中度、重度积水对应的水深区间，通过等级指示函数判断各计算时刻每个网格的积水所属等级，统计得到各网格对应不同积水等级的累计持续时间；再依据设定的三级积水权重，对单个网格内各等级的累计持续时间加权求和，得到单网格的加权积水影响；最终将所有网格的加权积水影响与对应网格面积相乘后汇总，形成同时反映积水范围、积水深度与积水历时的单一综合积水影响目标值。可选的，所述单目标优化算法为基于精英保留策略的遗传算法；

15、随机生成多套满足候选位置、总作业周期、最小作业时间及移动可达性约束的调度方案并构成初始种群，每套调度方案均包含k辆泵车的完整作业计划表；随后优化算法以综合积水影响为单一目标，在全部可行完整作业计划构成的集合中寻找综合积水影响最小的方案，其中下一作业位置的生成仅用于构造满足时间与移动约束的完整计划表，优化算法的比较与更新均针对整套完整作业计划表展开，而非在运行过程中逐个优化下一作业位置。

16、可选的，所述移动排涝泵车全过程调度计划至少包括泵车编号、初始作业网格编号、各后续作业网格编号、到达时间、作业开始时间、作业结束时间、移动时间、设定抽排流量、实际生效抽排流量以及对应的抽排流量时间序列文件。

17、经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种基于抽排时序嵌入的移动排涝泵车优化调度方法，具有以下有益效果：

18、1.本发明以泵车调度方案优化为目的，以抽排时序嵌入为模型计算手段，形成调度方案生成、水动力模拟、积水影响评价和方案迭代更新的闭环。

19、2.本发明将历史实际积水位置与模型模拟积水位置相结合，经人工初步筛选形成候选作业位置集合，可在保留现实积水经验和潜在风险位置的同时缩小优化搜索空间，减少无效迭代。

20、3.本发明将各泵车的初始作业位置、后续位置序列、各位置作业时间和移动时间统一编码为完整作业计划表，并将多辆泵车的全部完整作业计划表作为一个优化个体进行整体比较，避免仅依据当前状态逐个选择下一作业位置所导致的局部决策。

21、4.本发明将泵车所在二维网格、作业时段和抽排流量转换为对应抽排输入节点的负流量时间序列，通过既有一维节点时序接口嵌入二维计算，无需在二维模型中直接构造连续移动实体。

22、5.本发明采用一个综合目标同时反映积水范围、积水深度和积水持续时间，在保持单目标优化结构的同时提高对区域整体排涝效果的表征能力。

23、6.本发明能够输出包括泵车初始位置、各作业位置、到达时间、作业时间、移动时间和抽排流量的全过程调度计划，并同步生成可用于模型复算的抽排时序文件。